水處理污泥-偏高嶺土基地聚物的制備和性能研究

李勝

（常州工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，江蘇 常州 213000）

0 引言

地質(zhì)聚合物是一種新型的無(wú)機(jī)聚合物，主要以無(wú)機(jī)非金屬礦物（高嶺土、石灰石等）或工業(yè)硅鋁質(zhì)類廢渣（粉煤灰、礦渣等）為原料，通過化學(xué)堿性激發(fā)的方式，促使原料中的硅、鋁等元素溶解，生成具有—Si—O—Al—、—Si—O—Si—等空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)非金屬膠凝材料[1-3]。地質(zhì)聚合物在相同服役環(huán)境下表現(xiàn)出更好的強(qiáng)度、耐久性、耐腐蝕性以及環(huán)境友好性，在建筑材料、土木及交通工程等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值，受到廣泛關(guān)注[4-5]。近年來(lái)，制備地聚物的原料也從消耗傳統(tǒng)礦物材料，逐漸過渡到利用工業(yè)廢棄物[6-7]，如低鈣粉煤灰、爐渣等，但地聚物制備原料的單一性和局限性使多種工業(yè)廢棄物共同處置的技術(shù)進(jìn)展緩慢。

水處理污泥是城市污水處理廠的必然產(chǎn)物，是由有機(jī)質(zhì)、細(xì)菌體、無(wú)機(jī)顆粒以及膠體等各類物質(zhì)組成的復(fù)雜非均質(zhì)體。隨著城鎮(zhèn)化率的提高，水處理污泥的生成量也急劇增加。2014年江蘇省環(huán)境公報(bào)顯示，江蘇省日產(chǎn)污泥8160t，且每年以7%的速度遞增。而當(dāng)前處置這些污泥的方式多以填埋、焚燒和堆放為主，資源化利用率較低，且對(duì)環(huán)境存在潛在威脅[8-9]。稻殼作為谷物加工的副產(chǎn)品，年產(chǎn)量可達(dá)3.6億t[10]，其燃燒后形成的稻殼灰，SiO2含量高達(dá)90%，可作為良好的硅源，用于水玻璃的生產(chǎn)和制備，以替代傳統(tǒng)水玻璃的生產(chǎn)原料，進(jìn)一步降低地聚物混凝土的能耗和成本。

為探討水處理污泥、稻殼灰等工業(yè)/農(nóng)業(yè)廢棄物的處置利用途徑，本文以偏高嶺土和稻殼灰為主要Si-Al原料，輔以城市水處理污泥制備地聚物材料，研究了污泥摻量對(duì)偏高嶺土基地聚物流動(dòng)性能、力學(xué)性能和孔隙特性的影響，以期為建筑材料的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

偏高嶺土：取自河北靈壽芬芬礦產(chǎn)品加工廠，煅燒溫度為800℃，高嶺土煅燒后，高嶺石峰消失，轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的無(wú)序結(jié)構(gòu)的偏高嶺土，具有了火山灰活性，其XRD圖譜如圖1所示；稻殼灰：取自河北石家莊納杰礦產(chǎn)，其主要成分為SiO2；水處理污泥（以下簡(jiǎn)稱污泥）：取自常州某自來(lái)水公司，該廠污泥經(jīng)濃縮、脫水、干化及自然風(fēng)干而成，此污泥未經(jīng)煅燒。偏高嶺土、稻殼灰及污泥的主要化學(xué)成分如表1所示，平均粒徑、堆積密度等物理性能指標(biāo)分別如圖2、表2所示。石英砂：最大粒徑≤2.5 mm，細(xì)度模數(shù)2.2。

圖1 高嶺土和偏高嶺土的XRD圖譜

圖2 污泥、稻殼灰及偏高嶺土的粒徑分布

表1 污泥、稻殼灰及偏高嶺土的主要化學(xué)成分 %

表2 污泥、稻殼灰及偏高嶺土的主要物理性能

1.2 試樣制備

試驗(yàn)選用質(zhì)量濃度為99.2%的NaOH溶液。在稻殼灰中加入一定量的NaOH溶液，于100℃的反應(yīng)釜中溶煮30～40 min后抽濾，所得濾液即為水玻璃。再將水玻璃與NaOH溶液復(fù)配制得堿激發(fā)劑。所制備水玻璃的化學(xué)成分為：Na2O 14.7%、SiO229.4%、H2O55.9%。污泥取代偏高嶺土質(zhì)量摻量分別為0、20%、40%、60%，偏高嶺土基地聚物的配合比如表3所示。

表3 偏高嶺土基地聚物的配合比

采用水泥膠砂攪拌機(jī)將水玻璃、污泥、偏高嶺土和石英砂按比例攪拌均勻，然后將地聚物漿料置于40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)模具中，振搗密實(shí)，覆膜養(yǎng)護(hù)24 h后取出，再將其置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，以備性能測(cè)試。

1.3 測(cè)試方法

參照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》測(cè)試地聚物的凝結(jié)時(shí)間；采用Calmetrix水泥和混凝土半絕熱量熱儀測(cè)試地聚物水化反應(yīng)放熱階段的溫度動(dòng)力學(xué)曲線；參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》測(cè)試養(yǎng)護(hù)齡期分別為1、7、28、84 d地聚物的彎曲強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度；采用日立S-4800型掃面電子顯微鏡對(duì)地聚物的微觀形貌進(jìn)行觀察；參考ASTMC642測(cè)試地聚物的吸水率和孔隙率，測(cè)試前先將試件置于（110±5）℃的烘箱中烘干24 h，冷卻至室溫后稱取試件質(zhì)量M0，然后將試件浸入水中72 h，稱取浸泡后試件質(zhì)量M1，再將其煮沸5 h，自然冷卻至室溫，擦干表面水漬，稱取質(zhì)量為M2，吸水率WA和孔隙率V分別按式（1）、式（2）計(jì)算：

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 污泥摻量對(duì)地聚物流動(dòng)性的影響

根據(jù)地聚物使用場(chǎng)合不同，對(duì)凝結(jié)時(shí)間的要求亦不相同。如用于路面、機(jī)場(chǎng)跑道等快速修補(bǔ)時(shí)，所需地聚物的凝結(jié)時(shí)間較短，以縮短施工周期；而對(duì)于需要拌和運(yùn)輸?shù)牡鼐畚飦?lái)說(shuō)，則希望延長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間，以避免在運(yùn)輸和澆筑過程中過早凝結(jié)。圖3為污泥摻量對(duì)地聚物凝結(jié)時(shí)間的影響。

圖3 污泥摻量對(duì)地聚物凝結(jié)時(shí)間的影響

由圖3可知，隨著污泥摻量的增加，地聚物的初、終凝時(shí)間均延長(zhǎng)。未摻污泥時(shí)，地聚物的初、終凝時(shí)間分別為149、186 min；當(dāng)偏高嶺土被一定量的未煅燒污泥取代時(shí)，地聚物的初凝時(shí)間為160～230 min，終凝時(shí)間為198～326 min。凝結(jié)時(shí)間大幅度地延長(zhǎng)說(shuō)明了污泥摻量對(duì)地聚物流動(dòng)性的影響較大。地質(zhì)聚合反應(yīng)的凝結(jié)時(shí)間與聚合程度相關(guān)，受到硅鋁酸鹽中溶解出的Si和Al含量的影響[11]，而本研究中Si/Al摩爾比固定為4.0，因此或可推測(cè)地聚物和易性能的變化可能與污泥中有機(jī)物含量和其平均粒徑的大小相關(guān)。

不同污泥摻量下地聚合反應(yīng)的溫度動(dòng)力學(xué)曲線見圖4。

圖4 不同污泥摻量下地聚合反應(yīng)的溫度動(dòng)力學(xué)曲線

由圖4可知，未摻污泥的對(duì)照組樣品GPC-S0具有最高的放熱峰，最高溫度可達(dá)63.5℃，隨著污泥摻量的增加，樣品放熱峰的最高溫度逐漸降低。當(dāng)污泥摻量分別為20%、40%和60%時(shí)，其最高溫度分別為61.1、45.4和36.8℃。且達(dá)到最高溫度所需的時(shí)間也逐漸延長(zhǎng)，未摻污泥的樣品達(dá)到最大放熱峰的時(shí)間為168 min，而污泥摻量分別為20%、40%和60%的樣品達(dá)到最高溫度的時(shí)間則分別延長(zhǎng)至180、336和378 min。這說(shuō)明，隨著污泥摻量的增加，地聚物的聚合反應(yīng)速率在逐漸降低，達(dá)到相同的反應(yīng)程度需要更長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間。由于未經(jīng)煅燒的水處理污泥中含有一定量的有機(jī)質(zhì)成分，且污泥的平均粒徑低于偏高嶺土（具有更高的比表面積，見圖2和表2），使得摻雜污泥的地聚物在進(jìn)行聚合反應(yīng)時(shí)吸附更多的水分子。在地聚合反應(yīng)中，用水量的增加可以加快溶解和水解的作用，但會(huì)在一定程度上抑制聚合的過程，故而溫度動(dòng)力學(xué)曲線的峰值降低，反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)。故此污泥摻量的增加，或可在一定程度上等同于用水量的增加，從而大幅延長(zhǎng)了偏高嶺土基地聚物的凝結(jié)時(shí)間。

2.2 污泥摻量對(duì)地聚物力學(xué)性能的影響（見圖5）

圖5 污泥摻量對(duì)地聚物彎曲強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響

由圖5可知，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，各組地聚物的彎曲強(qiáng)度為3.83～10.29 MPa，抗壓強(qiáng)度為10.17～30.58 MPa。隨著未煅燒污泥摻量的增加，地聚物的力學(xué)性能下降。這可歸因?yàn)槲唇?jīng)煅燒的污泥活性較低，難以發(fā)揮火山灰效應(yīng)，當(dāng)其摻量較多時(shí)，導(dǎo)致堿激發(fā)形成的膠凝材料不足，地聚物材料的界面結(jié)合力降低。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，地聚物的聚合反應(yīng)程度更加徹底，其彎曲強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度也逐漸提高。以抗壓強(qiáng)度為例，在養(yǎng)護(hù)齡期為84 d時(shí)，GPC-S60的抗壓強(qiáng)度較28 d時(shí)提高了55.0%，GPC-S20的抗壓強(qiáng)度較28 d時(shí)提高了 41.8%，而GPC-S0的抗壓強(qiáng)度則較28 d時(shí)僅提高了34.5%。這與溫度動(dòng)力學(xué)曲線的分析結(jié)果相符，即污泥摻量的增加降低了聚合反應(yīng)的反應(yīng)速率。

另外，本研究使用稻殼灰作為補(bǔ)充硅源，并以其制備水玻璃替代市售硅酸鈉溶液，作為偏高嶺土基礦物的堿激發(fā)劑，制備的地聚物混凝土具有良好的力學(xué)性能。一方面，大幅度降低了礦物聚合物的制備成本，利于推廣使用；另一方面，也可以減少CO2溫室氣體的排放[12]，為節(jié)能減排作出貢獻(xiàn)。

2.3 污泥摻量對(duì)地聚物孔隙率及吸水率的影響

（見圖6）

圖6 污泥摻量對(duì)地聚物孔隙率及吸水率的影響

由圖6可見，隨污泥摻量的增加，地聚物的孔隙率和吸水率均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。GPC-S0樣品的孔隙率和吸水率分別為9.3%和10.4%，而GPC-S60的孔隙率和吸水率則分別為11.6%和12.9%，分別增大了24.7%和24.1%。

圖7為GPC-S0和GPC-S60樣品標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)84 d后的微觀形貌。

圖7 GPC-S0和GPC-S60樣品的微觀形貌

由圖7不難發(fā)現(xiàn)，與GPC-S60相比，GPC-S0的微觀形貌較為致密，表面存在的孔隙少、孔徑也更小；而GPC-S60中則明顯存在更多的孔隙等空洞結(jié)構(gòu)，孔徑也更大，微觀結(jié)構(gòu)上的差異使其在宏觀力學(xué)性能的表現(xiàn)也截然不同。

3 結(jié)論

（1）以偏高嶺土、未經(jīng)煅燒的水處理污泥和稻殼灰為主要Si-Al原料制備了偏高嶺土基地聚物材料。隨著污泥摻量的增加，地聚物的初、終凝時(shí)間均延長(zhǎng)；樣品放熱峰的最高溫度逐漸降低，且達(dá)到最高溫度所需的時(shí)間也逐漸延長(zhǎng)。

（2）隨著污泥摻量的增加，地聚物的彎曲強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d、污泥摻量為20%時(shí)，偏高嶺土基地聚物的彎曲強(qiáng)度為9.7 MPa，抗壓強(qiáng)度為26.95 MPa。

（3）隨著污泥摻量的增加，地聚物的孔隙率和吸水率均逐漸增大；未摻污泥的樣品微觀形貌更加致密，表面存在的孔隙更少、孔徑也更小，而污泥摻量為60%的樣品中則明顯存在更多的孔隙等空洞結(jié)構(gòu)，孔徑也更大。

（4）本研究出于能耗的考慮，所使用的污泥未經(jīng)煅燒，在以后的研究工作中，可進(jìn)一步考慮采用煅燒污泥，以激發(fā)污泥的活性，實(shí)現(xiàn)更高摻量的偏高嶺土取代率，拓寬地聚合物原材料的選擇范圍，利于實(shí)現(xiàn)多種工業(yè)固體廢棄物，如稻殼灰、污泥等含硅鋁相的工業(yè)廢棄物的資源化和高附加值化利用。