生活污泥人造骨料的制備及路用性能

曹雪娟,吳興馳,高 豪,李小宇

(1.重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 重慶 400074;2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 重慶 400074)

生活污泥是生活污水處理過程中的衍生物,通常由無機鹽、重金屬、病原微生物和少量的有機污染物組成[1]。傳統(tǒng)處理污泥的方式有直接填埋、焚燒、海洋排放等,無法有效利用生活污泥中含有的SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3、MgO和P2O5等礦物質(zhì)[2]。由于生活污泥的主要組成元素與水泥相當(dāng)[3],因此在建筑工程中污泥具有潛在應(yīng)用價值。這對于生活污泥再利用、降低工程建設(shè)成本具有重要意義。

污泥灰是脫水污泥在焚燒爐中燃燒時產(chǎn)生的副產(chǎn)品[4],尺寸微小且組成元素與水泥相似[5]。將污泥灰作為膠凝材料可以提高再生混凝土的抗壓強度和抗拉強度[6],由污泥粉替代石灰石礦粉制備的瀝青混合料抗水侵害能力、抗車轍性能較為優(yōu)越[7]。但由于污泥灰是污泥焚燒的副產(chǎn)品,因此無法將生活污泥充分再利用。為提升生活污泥利用效率,可將生活污泥直接燒結(jié)成為陶粒,作為骨料用于工程中。Martínez-García等[8]以污泥陶粒為原料制備陶?；炷?混凝土抗壓強度最大可達28 MPa,滿足使用的要求。章泓立等[9]在1 175 ℃下高溫?zé)Y(jié)河道底泥與污水污泥,在適宜的工藝條件下,陶粒輕骨料主要性能指標(biāo)滿足規(guī)范要求。Xie等[10]開發(fā)了以污泥陶粒、再生細骨料和磨細高爐礦渣組成的輕質(zhì)綠色混凝土,密度約為1 200 kg/m3,抗壓強度大于12 MPa,適用于非承重結(jié)構(gòu)。馬小莉等[11]使用硝酸改性污泥制備泡沫混凝土,該混凝土具有良好的抗壓強度、抗折強度和良好的耐火性能。傳統(tǒng)人造陶粒原料往往是黏土或頁巖等自然礦物[12-13],使用生活污泥制備陶?？梢詼p少自然資源的使用。在燒結(jié)過程中,污泥中的重金屬可以固化在骨料中,減少因重金屬浸出對環(huán)境造成的危害[14]。

上述研究均表明生活污泥在建筑工程中具有應(yīng)用價值,但污泥陶粒多作為輕骨料應(yīng)用于混凝土中,限制了生活污泥在工程中的應(yīng)用范圍。為了探究生活污泥陶粒在瀝青混凝土中的應(yīng)用,以生活污泥和玻璃粉為原料,制備污泥陶粒作為人造骨料,對污泥骨料進行微觀結(jié)構(gòu)分析,并將其替代瀝青混合料中的部分天然石料,研究污泥骨料對瀝青混合料路用性能的影響。

1 原材料

生活污泥是經(jīng)過污水處理廠簡單過濾處理后的初沉污泥,外觀呈黑褐色塊狀,平均含水率為81.2%。生活污泥主要組成元素為硅、鋁、鐵、磷,以氧化物的形式存在于污泥中。生活污泥主要氧化物組成見表1。為確定生活污泥的環(huán)境安全性,采用ICP-AES光譜儀對生活污泥重金屬含量進行檢測,測試結(jié)果見表2。采用X射線衍射(XRD)對生活污泥的礦物組成進行分析,結(jié)果見圖1。

表1 生活污泥中主要氧化物 %

(mg·kg-1)

圖1 生活污泥XRD圖譜

除生活污泥外,選擇磷酸鹽系的低熔點玻璃粉作為輔料,在燒結(jié)污泥過程中起助燒作用。玻璃粉的化學(xué)組分見表3。由表3可知,該玻璃粉主要由P2O5、Al2O3、K2O、Na2O等堿性氧化物組成。這些堿性氧化物熔融溫度較低,當(dāng)玻璃粉軟化為液態(tài)時,將填充生活污泥礦物之間的空隙,同時在表面張力作用下,拉緊礦物顆粒,使礦物顆粒排列更加緊密。由于礦物顆粒之間接觸點處的壓力較大,于是礦物質(zhì)從接觸點開始逐漸溶解,逐漸形成連續(xù)的燒結(jié)體[15]。

表3 低熔點玻璃粉化學(xué)組成 %

2 測試方法

生活污泥人造骨料(以下簡稱污泥骨料)的物理性能主要為強度、表觀密度和吸水率。隨機選取數(shù)顆污泥骨料,借鑒Yashim提出的方法測試污泥骨料的抗壓強度,取結(jié)果的平均值作為抗壓強度結(jié)果[14]。測試示意圖如圖2所示,強度計算式為:

式中:S為單顆污泥骨料抗壓強度值,MPa;P為污泥骨料破壞時的荷載,N;X為上下承壓板的距離,mm。

圖2 單顆污泥骨料抗壓強度示意圖

參照規(guī)范[16],測試污泥骨料的24 h吸水率與表觀密度。采用X射線衍射(XRD)測試污泥骨料的礦物組成。采用掃描電鏡(SEM)研究污泥骨料的微觀結(jié)構(gòu)。采用馬歇爾試驗方法確定污泥骨料瀝青混合料的最佳油石比,通過車轍試驗測試混合料的高溫性能,通過低溫彎曲試驗測試混合料低溫性能,通過浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗測試混合料水穩(wěn)定性能。

3 污泥骨料工藝參數(shù)的確定

3.1 預(yù)處理

污泥中含有大量水分和有機物,在高溫?zé)Y(jié)時揮發(fā)溢出,在骨料中形成孔隙,影響骨料的強度。因此,在制備污泥骨料前,需對原材料進行預(yù)處理,去除骨料中的水分和有機物。采用高溫煅燒的方式去除污泥中的水分及有機物。為確定煅燒溫度,對污泥進行熱重分析,結(jié)果如圖3所示。圖3中,實線為污泥熱重曲線(TG),虛線為污泥熱重微分曲線(DTG)。

圖3 污泥的TG-DTG曲線

由圖3可知,在25～200 ℃,污泥中水分的蒸發(fā)導(dǎo)致質(zhì)量損失;在200～600 ℃的失重峰峰形較寬,主要是因為污泥中的有機物在高溫下分解產(chǎn)生氣體;在600～1 000 ℃,由于無機鹽、氧化物的分解與揮發(fā)形成失重峰。因此,將預(yù)處理煅燒溫度確定為650 ℃,以充分去除污泥原料中的水分和有機物,同時保留無機礦物成分。

3.2 制備工藝

污泥骨料的制備工藝主要包括污泥預(yù)處理、破碎、混料、成型、干燥、焙燒、冷卻等步驟。將生活污泥在105 ℃下干燥至恒重,在650 ℃高溫下煅燒1 h,隨后將污泥粉碎并過100目篩;篩后添加輔料并攪拌均勻,添加適量水分,采用人工手動成球的方式成型近圓形污泥骨料坯體;將剛成型好的坯體在80 ℃下干燥2 h,燒結(jié)骨料坯體,冷卻后得到污泥骨料。

3.3 正交試驗確定最佳工藝參數(shù)

設(shè)計正交試驗確定污泥骨料的最佳工藝參數(shù),以抗壓強度為主要指標(biāo)確定最佳工藝參數(shù)。正交試驗設(shè)計詳見表4—6。由正交試驗數(shù)據(jù)分析可得最佳工藝參數(shù):污泥與低熔點玻璃粉質(zhì)量比為7∶3,燒結(jié)溫度1 000 ℃,燒結(jié)時間40 min,即表5中第⑤組試驗方案。

表4 正交試驗因素水平

表5 正交實驗方案及性能測試結(jié)果

表6 正交試驗結(jié)果分析

4 污泥骨料瀝青混合料

采用SK-70基質(zhì)瀝青,選用AC-13瀝青混合料作為對照組,以AC-13的中值級配作為設(shè)計級配。將污泥骨料破碎篩分,按質(zhì)量替代瀝青混合料中粒徑為2.36～4.75 mm的天然石料,進行路用性能研究。2種瀝青混合料級配設(shè)計見表7。

表7 AC-13與污泥骨料混合料級配設(shè)計表

5 結(jié)果與分析

5.1 污泥骨料的物理性能

對污泥骨料的物理性能進行測試,與石灰?guī)r、玄武巖等天然石料的物理性能進行對比,結(jié)果見表8。污泥骨料的吸水率和表觀密度與常用巖石相類似,表明污泥骨料的表面結(jié)構(gòu)致密,開口孔隙較少,具有良好的耐水性。污泥骨料的抗壓性能良好,抗壓強度為29.47 MPa,但遠低于天然石料。由于污泥骨料為近球形,替代天然石料后會降低集料之間的嵌擠效果,故在替代天然石料時替代率不能過大。為避免對瀝青混合料的力學(xué)強度產(chǎn)生不利影響,選擇污泥骨料的替代率為30%。

表8 污泥骨料及天然石料的物理性能

5.2 污泥骨料的物象組成

污泥骨料的物象組成如圖4。圖4中,石英(SiO2)的衍射峰最強,正長石(K[AlSi3O8]),、赤鐵礦(Fe2O3)的衍射峰強度較高,此外出現(xiàn)了莫來石(3Al2O3·2SiO2)與磷灰石(Ca5F(PO4)3)的特征峰。由此可見,石英是污泥骨料的主要成礦組分,與正長石共同為污泥骨料提供力學(xué)強度。

圖4 污泥人造骨料XRD圖譜

5.3 污泥骨料的微觀結(jié)構(gòu)

污泥骨料與石灰石的微觀結(jié)構(gòu)見圖5,其中,圖5(a)為骨料表面掃描圖,圖5(b)為骨料內(nèi)部結(jié)構(gòu),圖5(c)為石灰石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。骨料坯體表面存在連續(xù)且光滑致密的釉質(zhì)層,內(nèi)部存在大量嵌擠良好的片狀和針棒狀玻璃晶體。這表明在玻璃粉的助熔作用下,污泥在燒結(jié)過程中產(chǎn)生了足夠的液相物質(zhì),充分填充在坯體的礦物晶粒之間,通過張力作用拉緊礦物顆粒,使得骨料內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊實[17]。由于燒結(jié)過程中鐵相的存在,骨料表面形成光滑致密的釉質(zhì)層,且表面基本無裂紋,極大地降低了骨料的吸水率[18]。

與圖5(c)石灰石微觀結(jié)構(gòu)相比,污泥骨料內(nèi)部主要為散亂堆積的針棒狀、片狀結(jié)構(gòu),在受力時,針棒狀、片狀結(jié)構(gòu)易發(fā)生滑移。此外,污泥骨料僅由高溫?zé)Y(jié)制備,而石灰石在形成過程中因地理活動還受到高壓作用,因此石灰石內(nèi)部更加緊密[19]。這導(dǎo)致污泥骨料的抗壓強度遠低于天然石料。

圖5 污泥骨料及石灰石SEM圖

5.4 污泥骨料重金屬浸出濃度

污泥骨料以生活污泥這一固體廢棄物燒制而成,為評價其環(huán)境安全性,進行重金屬浸出試驗。此外,污泥骨料在利用過程中可能存在破碎的情況,因此對比原狀、塊狀污泥骨料的重金屬浸出濃度,測試結(jié)果見表9。

團隊目標(biāo)是要讓每一個隊員干什么，朝什么方向努力，注重目標(biāo)的可行性、合理性、層次性、針對性、導(dǎo)向性、激勵性。教師要激發(fā)隊員的主體意識，發(fā)揮個人最大的主觀能動性和團隊最佳的力量，形成合力，實現(xiàn)團隊目標(biāo)和個人價值的雙贏。

表9 污泥骨料重金屬浸出濃度 mg/L

結(jié)合表2與表9,與生活污泥原料相比,污泥骨料中重金屬含量大幅降低,部分重金屬未檢測出。原狀污泥骨料的重金屬浸出液濃度遠低于塊狀重金屬浸出液濃度。污泥骨料的重金屬浸出濃度均低于規(guī)范要求,表明制備的生活污泥骨料具有良好的環(huán)境安全性。

在污泥骨料的燒結(jié)過程中,熔點、沸點較低的Zn、Pb等重金屬隨溫度的升高逐漸揮發(fā),另有部分元素因化學(xué)反應(yīng)、類質(zhì)同象置換作用熔融或固化在污泥骨料的礦物晶體結(jié)構(gòu)中[21],因此經(jīng)高溫?zé)Y(jié)制備的污泥骨料重金屬浸出濃度大幅降低。此外,污泥骨料表面致密,起到很好的保護作用,使得重金屬不易析出。將骨料破碎成塊狀后,內(nèi)部礦物結(jié)構(gòu)暴露,重金屬更容易被浸出液浸出。

5.5 污泥人造骨料瀝青混合料路用性能

將拌和好的污泥骨料人造混合料命名為SAAM。SAAM的相關(guān)試驗結(jié)果如表10所示。SAAM的路用性能均滿足規(guī)范要求,最大彎拉應(yīng)變、殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強度比AC-13略低,表明污泥骨料可以保證瀝青混合料的高溫性能,但會降低混合料低溫性能和水穩(wěn)性能。

表10 瀝青混合料路用性能

污泥骨料的主要礦物組成是石英,屬于酸性集料。瀝青混合料中常用的天然石料如石灰?guī)r等多為堿性集料。由于瀝青中含有酸性成分,所以與天然石料相比,污泥骨料與瀝青的黏附性較差。另外,天然石料表面粗糙不平,內(nèi)部含有孔隙結(jié)構(gòu),而污泥骨料表面光滑,內(nèi)部密實,降低了瀝青與集料之間的接觸面積。因此當(dāng)污泥骨料替代部分天然石料時,瀝青更容易在外力的作用下從污泥骨料表面剝落,從而降低混合料的水穩(wěn)定性和低溫抗裂性能。

6 結(jié)論

1) 制備生活污泥人造骨科的最佳工藝參數(shù)為:污泥與低熔點玻璃粉質(zhì)量比為7∶3,燒結(jié)溫度1 000 ℃,燒結(jié)時間40 min。在此條件下燒結(jié)的生活污泥人造骨料,吸水率為0.26%,表觀密度為2.64 g/cm3,與天然石料相近。生活污泥人造骨料抗壓強度為29.4 MPa,遠低于天然石料,當(dāng)替代天然石料時,替代率不宜過高。

2) 生活污泥人造骨料的主要礦物組分為SiO2,污泥骨料表面存在密實光滑的釉質(zhì)層,內(nèi)部存在大量排列散亂、嵌擠良好的片狀和棒狀礦物晶體。

3) 將生活污泥人造骨料按30%質(zhì)量比替換部分天然石料可提高瀝青混合料的高溫性能,稍微降低瀝青混合料的低溫性能和水穩(wěn)定性能,但均滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

4) 由于僅對生活污泥人造骨料在瀝青混合料中的應(yīng)用進行初探,故路用性能隨替代率的變化還需進一步研究。