薛　斌　張會芳　石麗娜　吳　寶　任　彬

(1.河北建筑工程學院,河北 張家口 075000;2.河北張家口市環(huán)境監(jiān)測站,河北 張家口 075000)

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污泥含水率對頁巖-粉煤灰輕骨料性能的影響

薛斌1張會芳1石麗娜2吳寶1任彬1

(1.河北建筑工程學院,河北 張家口 075000;2.河北張家口市環(huán)境監(jiān)測站,河北 張家口 075000)

摘要:研究了不同含水率的污泥對頁巖-粉煤灰輕骨料性能的影響，計算了不同配比中化學成分的含量，結(jié)合配比中化學成分的變化，分析了導致輕骨料膨脹率、顆粒強度變化的原因.結(jié)果表明：焙燒溫度由1130 ℃變化到1160 ℃時，污泥含水率提高，輕骨料的膨脹率提高，最高達32.36%；污泥含水率與輕骨料吸水率之間不呈現(xiàn)規(guī)律性關(guān)系；輕骨料強度高低主要受配比中Al2O3和SiO2含量的影響，兩者含量高時，強度較高.污泥含水率為70.38%焙燒溫度為1140 ℃制備的輕骨料1 h吸水率小于3.20%、顆粒強度13.8 MPa，表觀密度為1250 kg/m3,達到輕質(zhì)高強的要求.

關(guān)鍵詞:污泥；含水率；輕骨料；膨脹率；顆粒強度

0引言

城市污水廠污泥是水處理過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，如果處理不當，不僅會對環(huán)境造成二次污染，同時也是對資源的嚴重浪費.近幾年，國內(nèi)外越來越多的研究者開始把目光投向利用污泥研制輕骨料[1-3]，盡管我國已有很多研究和實踐表明污泥可以用于生產(chǎn)輕骨料，但由于各地區(qū)的實際情況和現(xiàn)實條件存在差異，污泥泥源不一，呈現(xiàn)著多變性和多樣性，質(zhì)地各不相同，很難也不能以一種方法覆蓋全貌.因此利用污泥開發(fā)輕骨料產(chǎn)品則需根據(jù)不同地方的情況選擇合適的工藝流程和各種組分，其中各種組分的選擇很關(guān)鍵[1]，因此，根據(jù)當?shù)匚勰嗯c其他固體垃圾的具體情況開展研究工作是非常必要的.

從張家口市污水處理廠排出來的污泥，平均含水量在72%～80%左右.直接使用這樣的污泥制建材摻入量小，熱耗高，不經(jīng)濟.若降低污泥含水率則可提高污泥的消納量.目前干化處理的方法有熱干化和自然干化，由于熱干化需添加設備等投資，實際提高了資源的成本，而自然干化要具備自然氣候條件和場地條件.張家口市地域日照時數(shù)2800～3100小時，太陽總輻射為每平方米1500～1700千瓦小時，為太陽能較豐富區(qū).“壩上”西部全年有效風能貯量大于1000千瓦小時/平方米，年有效風能時數(shù)大于5000小時，而冬春兩季風能貯量占全年的50%～70%[4]，這樣的自然條件有利于污泥的自然干化，能較多的消納污泥.筆者從綠色可持續(xù)發(fā)展的角度切入，設計了用不同含水率的污泥作為頁巖和粉煤灰輕骨料的粘結(jié)劑，進行制備輕骨料，研究污泥含水率變化對輕骨料性能的影響，對解決本地污泥處理的難題具有重要的實際指導意義.

1試驗原材料

本課題的實驗原材料有：張家口鴻澤排水有限公司污泥、大唐國際張家口發(fā)電廠的二級粉煤灰以及膨脹劑SiC.

1.1原料物理性質(zhì)

(1)頁巖：張家口尚義縣小蒜溝的紫色頁巖，經(jīng)破碎機破碎、球磨機研磨后的頁巖0.08 mm方孔篩篩余百分率為16%；

(2)粉煤灰：從大唐國際發(fā)電股份有限公司張家口發(fā)電廠粉煤灰，粉煤灰為二級粉煤灰，比表面積為468 m2/kg，密度為2.2～2.4 g/cm3；

(3)污泥：張家口鴻澤排水有限公司污泥，含水率為75.6%.

(4)SiC：九零型SiC，黑色粉末.密度為3.10 g/cm3.

1.2原材料的成分

為進行輕骨料的配比設計，筆者將干燥后的頁巖、粉煤灰及污泥進行了化學分析，其成分如表1所示.

表1　頁巖、粉煤灰、污泥的化學成分分析

2原料的配合比設計

設計思路：污泥的含水率不同，試驗中污泥的摻量就有所不同.因此設計頁巖，粉煤灰比例不變，改變污泥含水率的配方進行輕骨料的制備，通過測試輕骨料的膨脹率，顆粒強度，吸水率來研究污泥的含水率對輕骨料性能的影響.

由于隨著污泥含水率的降低，其加入量將會發(fā)生變化，因此試驗了污泥不同含水率時的加入量.其配方如表2所示.按照配方計算的化學成分如表3所示.

表2　污泥的含水率變化的試驗配方

表3　各配方化學成分含量

3試驗內(nèi)容

3.1原材料準備

(1)頁巖加工.

將塊狀頁巖先用破碎機破碎，將破碎好的頁巖備用；用球磨機研磨36 min，最后卸磨，然后用4.75 mm的篩子篩分，篩好的頁巖備用.

(2)污泥含水率測定.

試驗所用不同含水率的污泥是從污泥箱內(nèi)取，放入烘干箱內(nèi)，每隔兩個小時稱污泥的質(zhì)量，依次得到實驗所用的不同含水率的污泥.最后試驗所用污泥的含水率依次為77.78%，70.38%，62.63%，55.56%.

(3)原料配合.

將污泥和干粉原料(頁巖，粉煤灰，碳化硅)按照試驗配比方案稱量好待用.

3.2輕骨料制備

(1)泥料的制備.

泥料制備使用水泥凈漿攪拌機攪拌，攪拌鍋和攪拌葉片先用濕布擦過，將配合好的頁巖，粉煤灰，碳化硅原料配合好倒入攪拌鍋內(nèi)，然后將稱量好的污泥倒入鍋內(nèi)，拌和時先將鍋放到攪拌機鍋座上，升至攪拌位置，啟動攪拌機，低速攪拌120秒，停拌15秒，同時將葉片和鍋壁上的污泥刮入鍋中間，接著高速攪拌120秒后停機.

(2)料球成型.

拌和結(jié)束后，立即將拌好的試驗樣品放入塑料小盆內(nèi)，用濕毛巾蓋上小盆，靜置30分鐘.將樣品均等為三份，放入規(guī)格為11 mm的制丸機內(nèi)制出料球.將剛制得的料球放在托盤內(nèi)，均勻搖晃，放在通風處自然風干1～2天.

(3)輕骨料焙燒.

將干燥后的料球放入高溫爐中進行燒制，無需氣體保護.其燒結(jié)程序為：①由室溫加熱到100 ℃用15 min；②100 ℃加熱到200 ℃用4 min；這一過程為預熱過程，可以將輕骨料中的結(jié)晶水去掉，③200 ℃到650 ℃用20 min；④由650 ℃加熱到燒結(jié)溫度，按照10 ℃/min的速度；⑤焙燒溫度恒溫12 min，此階段為晶型轉(zhuǎn)化期，⑥保溫完成后停止加熱讓輕骨料在爐內(nèi)自然冷卻到1000 ℃；⑦開門鼓風使爐內(nèi)溫度冷卻到700 ℃；停止鼓風，關(guān)門恒溫15 min；⑧開門自然冷卻到400 ℃；400 ℃以后鼓風快速冷卻.達到室溫后把輕骨料取出去，對樣品進行各種性能指標的測試.

3.3 輕骨料性能測試

(1)膨脹率的測試方法.

采用的方法為將燒制好的輕骨料取出10個沒有裂紋，形狀規(guī)則的輕骨料.用千分尺測量每個輕骨料的直徑，記為d1，d2，d3，d4，d5，d6，d7，d8，d9，d10.(單位為cm,精確到0.01 cm)取其平均值為燒制輕骨料的平均直徑.

(2)輕骨料吸水率的測量方法.

輕骨料在水中能吸收水分的性質(zhì)成為吸水性.吸水性的大小用吸水率表示，吸水率常用重量吸水率，即材料在水中吸入水的質(zhì)量與材料干重量之比表示.試驗從所燒制的輕骨料中選出10個沒有裂縫，形狀均勻的輕骨料.用電子稱稱其質(zhì)量，記為m(單位g，精確到0.01克)，將輕骨料試樣依次放入寫好編碼的盛滿水的燒杯中，靜置一個小時.若出現(xiàn)輕骨料漂浮的現(xiàn)象，使燒杯盛滿水，用玻璃板蓋住燒杯，切勿有氣泡出現(xiàn).

試樣浸水1 h后，將其倒在4.75 mm的篩子上，晃動篩子，濾水1—2 min，然后倒在擰干的濕毛巾上，用手抓住毛巾的兩端，使毛巾呈槽形.抖動毛巾，使輕骨料于其上往返滾動四次，將輕骨料放入盤中.然后稱量m1.輕骨料1 h吸水率的按公式(1)計算.

Wh=(m1-m)/m

(1)

式中：Wh——1 h(24 h)吸水率(%)

m——烘干試樣的質(zhì)量(g)

m1——浸水試樣的質(zhì)量(g)

(3)輕骨料顆粒表觀密度的測試方法.

取燒制好的輕骨料試樣稱重(記為m)，放入量筒浸水1 h取出后，按吸水率試驗的步驟制備試樣.取一個裝500 ml清水1 L的量筒，將制備的試樣再倒入1 L的量筒中，這時可讀出量筒的水位V.輕骨料的表觀密度按公式(2)或(3)計算：

ρa=m×1000/(V-500)

(2)

若輕骨料顆粒在水中有漂浮現(xiàn)象，在將輕骨料放入量筒后，用橡皮塞放入量筒中，這時可讀出量筒的水位V1，事先測出橡皮塞的體積為Vo,輕骨料的表觀密度按下式計算：

ρa=m×1000/(V-Vo-500)

(3)

式中：ρa——輕骨料的顆粒表觀密度(kg/m3)

m——烘干試樣質(zhì)量(g)

V——倒入試樣后量筒的水位(ml)

V0——倒入試樣和橡皮塞后量筒的水位，試驗測出橡皮塞的體積為18 ml

(4)輕骨料顆?？箟簭姸鹊臏y試方法.

從所燒制的輕骨料試樣中選出10個沒有裂縫，形狀均勻地輕骨料.經(jīng)輕骨料放在試驗機的墊板上，試樣的中心應與試驗機下壓板中心對準，開動試驗機，當上壓板與輕骨料接近時，調(diào)整球座，使接觸均衡.在試驗過程中應連續(xù)均勻地加荷，當輕骨料接近破壞時，停止加載，記錄破壞荷載(N).

依次記下每個配方中10個輕骨料的破壞荷載F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，……，F(xiàn)10，輕骨料抗壓強度按公式(4)計算

fcc=F/A

(4)

式中：fcc——輕骨料顆粒抗壓強度(MPa)

F——試件破壞荷載(N)

A——輕骨料的受力面積(cm2)

4試驗結(jié)果與分析

為了研究污泥含水率對頁巖，污泥的含量對輕骨料性能的影響，試驗通過固定頁巖，粉煤灰的含量，確定四組不同含水率的污泥摻量，研究污泥制備輕骨料，并測試了輕骨料性能，筆者對性能測試結(jié)果進行了分析.

4.1輕骨料的膨脹率分析

圖1　污泥含水率與輕骨料膨脹率的關(guān)系

輕骨料能夠膨脹原理就是發(fā)泡物質(zhì)在高溫下釋放氣體，產(chǎn)生氣體壓力，才能使輕骨料坯體膨脹.但沒有氣體，它就無法保存，所以還必須有能束縛住氣體的熔體.通過加熱產(chǎn)生的熔體包圍并防止氣體外逸，膨脹才能成功[5].

頁巖/粉煤灰為80/20的情況下對四個含水率55.56%，62.63%，70.38%，77.78%的污泥配方燒制輕骨料，試驗對輕骨料的膨脹率進行測試.試驗結(jié)果如圖1所示.

由圖1可知，當污泥的含水量相同時,隨著溫度的升高輕骨料的膨脹率逐漸升高.污泥的含水率為55.56%時,1130 ℃輕骨料的膨脹率為11.82%,1160 ℃輕骨料的膨脹率為21.27%.

當溫度一定時,隨著污泥含水率的增大,輕骨料的膨脹率逐漸增大.如1160 ℃時,膨脹率由21.27%,增致32.36%.漲幅為52.1%.除1130 ℃外，不同溫度下均有超過40%的漲幅.其原因不僅與溫度升高熔融體增加有關(guān)，且與高溫下產(chǎn)生的氣體含量有關(guān).

由表3可知各配方的化學成分，隨著污泥含水率的增加，原料中Fe2O3的量增加，由于Fe2O3對降低熔融體生成有利，所以膨脹率呈上升趨勢，膨脹率在污泥含水率為77.78%時達到最大.當燒結(jié)溫度越高，C與Fe2O3反應生成CO氣體的反應就會越徹底，高溫下產(chǎn)生的氣體量和熔融物越多,并且高溫下氣體更易逸出，使熔融物膨脹，因此輕骨料膨脹率也就越大.

4.2輕骨料吸水率

圖2　輕骨料1小時吸水率

輕骨料1 h吸水率與污泥含水率的關(guān)系見圖2.由圖2可見，對1 h吸水率影響較大的是焙燒溫度，1130 ℃時，吸水率較小，最低值僅僅為1.2%.原因是焙燒不充分，孔隙形成較少；當溫度提高時，熔融體增加，高溫下形成的氣體增多，孔隙量增加，吸水率逐漸增大，最大值為5.4%.含水率較高的污泥(高污泥摻量)在高溫產(chǎn)生的大量熱量和氣體量都具有提高輕骨料顯氣孔率的作用，但同時又具有在顆粒表面產(chǎn)生更多的熔融體的作用，使表面致密，因而吸水率的變化整體上不具有規(guī)律性.

圖4　輕骨料陶粒表觀密度與污泥含水率的關(guān)系

4.3輕骨料表觀密度

輕骨料表觀密度的大小，是判斷骨料否輕質(zhì)的重要參數(shù)，圖4反映了污泥含水率與輕骨料表觀密度的關(guān)系.

從圖4可知，溫度為1160 ℃時,輕骨料的表觀密度低，最低值為960 kg/m3；1130 ℃輕骨料的表觀密度較高，最高達1380 kg/m3.總趨勢是焙燒溫度提高，表觀密度減小.

4.4輕骨料顆?？箟簭姸?/p>

試驗對輕骨料進行了顆?？箟簭姸鹊臏y試，試驗結(jié)果如圖5所示.

圖5　污泥含水率與輕骨料顆粒強度的關(guān)系

從圖5可以看出，1130 ℃焙燒的輕骨料，隨著污泥的含水率的升高而升高，最高達到18.27 MPa.1140 ℃焙燒的輕骨料表觀密度均低于1130 ℃焙燒的，1140 ℃焙燒的輕骨料孔隙率高，因此強度低.

原料的化學成分不但決定著原料在焙燒過程中的膨脹性能，也決定著輕骨料的強度，原料中Al2O3和SiO2是難熔成分，其含量越高，輕骨料的強度就越高.由表2可知，原料中Al2O3和SiO2合計值，H4最高(64.01%)，h1最低(59.215),因此，1130 ℃焙燒的輕骨料，強度最高的是含水率最高的H4，最低的是h1.當溫度為1140 ℃時，整體變化不大,最低值也出現(xiàn)在h1，11.5 MPa.

5結(jié)論

(1)輕骨料的膨脹率隨污泥含水率的增加而提高，當配料中頁巖/粉煤灰為80/20，焙燒溫度1160 ℃時污泥含水率為77.78%時達到最大32.36%.

(2)焙燒溫度提高，輕骨料的表觀密度減小，溫度為1160 ℃時,輕骨料的表觀密度低，最低值為960 kg/m3；1130 ℃輕骨料的表觀密度較高，最高達1380 kg/m3.

(3)輕骨料1 h吸水率1130 ℃時，吸水率較小，最低值僅僅為1.2%.1160 ℃最大值為5.4%.吸水率與污泥含水率之間沒有規(guī)律性.

(4)污泥含水率為70.38%，1140 ℃焙燒的輕骨料，其1 h吸水率為3.2%，表觀密度為1250 kg/m3，顆粒強度達到13.8 MPa.

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Effect of Water Content of Sludge on Properties of Shale-Fly Ash Lightweight Aggregate

XUE Bin1,ZHANG Hui-fang1,SHI Li-na2,WU Bao1,REN Bin1

(1.Hebei Institute of Architectural and Civil Engineering，Zhangjiakou 075000,China;2.Zhangjiakou Environmental Monitoring Station,Zhangjiakou 075000,China)

Abstract：Effect of water content of sludge on properties of shale-fly ash lightweight aggregate was studied,the content of chemical composition in different ratio was calculated,and combined with the changes of chemical composition in the ratio,the reason for the changes of the expansion ratio of the lightweight aggregate and the strength of the particles were analyzed.The results show that,calcinations temperature is changed from 1130 ℃ to 1160 ℃,the water content of the sludge is increased,and the expansion rate of the lightweight aggregate is increased,up to 32.36%;The relationship between the water content of sludge and the water absorption of lightweight aggregate is not presented;The strength of lightweight aggregate is mainly affected by the content of Al2O3 and SiO2 in the ratio,the higher the content of Al2O3 and SiO2 is,the higher the strength is.When the water content of sludge is 70.38% and calcinations’ temperature is 1140 ℃,water absorption of 1H of lightweight aggregate is less than 3.20%,and the particle strength is 13.8 MPa,the apparent density is 1251 kg/m3,which reaches the requirement of light weight and high strength.

Key words：sludge;water content;lightweight aggregate;expansion ratio;particle strength

收稿日期：2015-11-25

基金項目：河北省科技廳重點基礎研究項目，項目編號14963807D

作者簡介：薛斌(1959-)男，高級實驗師，主要從事無機非金屬材料和建筑材料教學與研究.

中圖分類號:TU 528.041

文獻標識碼：A