王嘉雯 ，楊鼎宜 ，2，鄭吉 ，張弛 ，許晴瑩 ，金雪

（1.揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.揚(yáng)州大學(xué) 綠色建筑材料研究所，江蘇 揚(yáng)州 225127）

1 研究背景

1.1 概況

為了保護(hù)壞境和提高資源利用率，20世紀(jì)50年代，我國(guó)開(kāi)始了對(duì)輕骨料混凝土的研究，并在90年代進(jìn)入了陶粒輕骨料混凝土的新時(shí)代。工業(yè)廢棄物中的粉煤灰陶粒、粘土陶粒和膨脹礦渣珠都具有降低成本和提高資源利用率的作用。將這些輕質(zhì)骨料摻入透水混凝土中，可減少透水混凝土的重量和成本，對(duì)原料使用和生態(tài)平衡的維護(hù)有很大影響。

與粉煤灰陶粒和粘土陶粒相比，污泥陶粒的研究在東西方各國(guó)開(kāi)始的時(shí)間較晚。污泥存在于生活、工業(yè)等各個(gè)方面，含有大量重金屬、病原體、有毒有機(jī)物和過(guò)量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，逐漸成為污染水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境的重要因素。因此，將污泥作為燒制陶粒的原材料，既可以實(shí)現(xiàn)無(wú)害化處理污泥的目的，同時(shí)能獲得很大的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

在20世紀(jì)90年代，日本和西方的一些國(guó)家，相關(guān)科學(xué)研究人員對(duì)污泥中陶瓷顆粒的生產(chǎn)進(jìn)行了探索。日本研究人員使用燃燒后的污泥粉作為主要原料，并根據(jù)所需的熱值將其與干燥污泥粉末或粉煤灰等易燃粉末混合，再加水造粒，最后通過(guò)鏈條燒結(jié)機(jī)燒制成輕質(zhì)骨料。這樣制造出的輕質(zhì)骨料的燒結(jié)溫度為1 000~1 100℃，燒結(jié)時(shí)間為25~30 min，其缸體抗壓強(qiáng)度為3~4 MPa，吸水率在16~18%范圍內(nèi)。在美國(guó)，NakouziS等人經(jīng)過(guò)一系列研究，將污泥回收或再利用，制成陶瓷的制陶成分的方法，取代了先前填埋垃圾的方法，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和壞境效益。

1.3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

中國(guó)從20世紀(jì)50年代開(kāi)始研究陶粒。1966年，天津一家硅酸鹽制品廠建成了我國(guó)第一座工業(yè)化陶粒生產(chǎn)線，并使用燒結(jié)機(jī)進(jìn)行粉煤灰陶粒的大規(guī)模生產(chǎn)。20世紀(jì)80年代，中國(guó)開(kāi)始重點(diǎn)研制回轉(zhuǎn)窯陶粒，但黏土和頁(yè)巖仍是主要原料，不符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

20世紀(jì)90年代，中國(guó)研究人員對(duì)污泥制輕質(zhì)陶瓷進(jìn)行了廣泛的探索，取得了許多成果。廣州華輕量陶瓷制品廠采用市政污泥代替河流淤泥或部分粘土燒輕量陶瓷，成果已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。1995年，遲長(zhǎng)江等人以污泥為主要原料，用少量固體燃料混合粘土，成功開(kāi)發(fā)了污泥陶粒。1999年，同濟(jì)大學(xué)的王中平利用上海蘇州河開(kāi)發(fā)并試制了700級(jí)和800級(jí)普通陶粒，使污泥變成了寶藏，改善了環(huán)境污染狀況。

2000年，昆明理工大學(xué)的黃德智等人研制出一種新型的輕質(zhì)陶粒，是將脫水的污泥作為主要原材料，外加其它工業(yè)固體廢物和外加劑，通過(guò)控制脫碳、燒結(jié)等工藝制造而成。2005年，朱斌和王海亮等從閔行水廠抽取脫水污泥，并添加了輔料，經(jīng)過(guò)精煉、造粒、干燥、燒結(jié)等一系列程序，生產(chǎn)出了堅(jiān)硬而穩(wěn)定的陶粒，其堆積密度等級(jí)范圍，普通輕骨料筒壓強(qiáng)度和顆粒級(jí)配符合GB/T17431.1-1998中關(guān)于陶粒產(chǎn)品性能的要求。

2002年，廣州華穗輕量陶粒制品廠利用廣州東江泥漿，采用窗內(nèi)造粒法成功生產(chǎn)超輕陶粒。2007年，臺(tái)州成功建成年產(chǎn)5萬(wàn) m3的陶粒生產(chǎn)線，日處理污泥能力 170 t，1 厚泥漿（干）120 t。

2 免燒污泥陶粒的特性

（1）具有很高的強(qiáng)度。通過(guò)改變膠結(jié)料、廢渣混合物的量，合理配方和養(yǎng)護(hù)等方法，可以獲得陶粒所需的強(qiáng)度。

（2）擁有良好的耐久性能，其強(qiáng)度在后期及長(zhǎng)期的不斷增長(zhǎng)是它最為突出的優(yōu)點(diǎn)。成型后，傳統(tǒng)燒制的陶粒強(qiáng)度不再生長(zhǎng)，并會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低；相反，免燒陶粒在養(yǎng)護(hù)達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度后，內(nèi)部水化反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，強(qiáng)度繼續(xù)增加。由于需要多年才能完成全部的水化反應(yīng)，在出廠后的2～3 y內(nèi)，其強(qiáng)度都能夠不斷增長(zhǎng)。因此，免燒陶粒富有極好的耐久性能，經(jīng)歷的時(shí)間愈長(zhǎng)，強(qiáng)度也就愈高。

（3）較高的吸水率、堆積密度以及軟化系數(shù)都是免燒污泥陶粒的特性，同時(shí)它耐酸堿腐蝕，即使在惡劣環(huán)境下也可以使用。

3 陶粒的制備原理及方法

3.1 粉煤灰免燒陶粒

（1）已有的幾種不同添加劑

陶粒的制備分為燒結(jié)法和免燒法。其中免燒結(jié)法制備投資少，工藝更為簡(jiǎn)單，且節(jié)能環(huán)保，符合科學(xué)發(fā)展觀的理念，因此更受科研工作者青睞。

鄒志祥、張瑜等人通過(guò)采取正交實(shí)驗(yàn)的方法,加以單因素分析,對(duì)激發(fā)劑、外加劑以及水固比等不同因素和工藝條件對(duì)免燒陶粒力學(xué)性能的影響做出探究。

劉子述、黃旭等人利用污泥作為外加劑刺激粉煤灰的潛在活性來(lái)制備免燒陶粒，把強(qiáng)度、密度、比表面積和其它性質(zhì)作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定組成成分、最佳添加量和所需溫度條件，得到了一種適合污水處理的粉煤灰免燒陶粒。

朱萬(wàn)旭、酆磊等人則把粉煤灰、P·O42.5級(jí)水泥及其他添加劑作為粉料，加入膨脹珍珠巖，通過(guò)特定的工藝條件，成功研制出一種新型免燒粉煤灰陶粒。

粉煤灰免燒陶粒存在堆積密度較高、應(yīng)用率低的問(wèn)題，為了解決這些缺陷，邱珊、黃旭等人通過(guò)對(duì)刺激粉煤灰活性的原理、添加材料的作用以及陶粒構(gòu)成成分分別做出研究，并選取秸稈灰為添加劑在一定條件下制備得到具有優(yōu)良污水處理功能的粉煤灰免燒陶粒。

（2）免燒粉煤灰陶粒制備中不同添加劑的特點(diǎn)

粉煤灰是一種人工火山灰質(zhì)混合材料，其主要氧化物成分為：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。粉煤灰自身基本沒(méi)有水硬膠凝性能，但以粉末狀態(tài)接觸到水時(shí)，會(huì)在一定溫度下與氫氧化鈣或其他堿土金屬氫氧化物產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成一種具備水硬膠凝性能的化合物，從而提升陶粒強(qiáng)度和耐久性。粉煤灰顆粒比表面積大，吸附能力強(qiáng)，且珠壁結(jié)構(gòu)孔隙較多，因此有很強(qiáng)的吸水性?？蒲泄ぷ髡邆兺ǔＭㄟ^(guò)添加合適的外加劑來(lái)使粉煤灰內(nèi)具有潛在活性的氫氧化物在堿性環(huán)境中產(chǎn)生水化反應(yīng)，獲得水硬膠凝性能，進(jìn)而增加陶粒的強(qiáng)度。因此以氧化鈣為激發(fā)劑,二水石膏為外加劑,通過(guò)精細(xì)研磨和蒸汽養(yǎng)護(hù)，可以有效改善陶粒的強(qiáng)度，制備出高粉煤灰摻量的免燒陶粒。

水泥是粉末狀的水硬性無(wú)機(jī)膠凝材料，且水泥的高堿度為粉煤灰的活化提供了良好的堿性環(huán)境，這種堿性環(huán)境使粉煤灰的玻璃體表面變粗糙，提高了粉煤灰的活性，使得陶粒的硬化加速，強(qiáng)度提升。同時(shí)，水泥自身的水硬性也促進(jìn)了體系水化反應(yīng)的進(jìn)行，硅酸鹽水泥4種熟料礦物水化和凝結(jié)硬化形成膠體，晶體作為主要的骨架承力，膠體起膠結(jié)作用，二者相互交錯(cuò)成網(wǎng)狀，使陶粒強(qiáng)度增加。

由于秸稈灰有大量的孔隙結(jié)構(gòu)，尤其是大量由凝膠粒子非緊密粘聚而形成的納米尺度孔隙的存在，使制得的陶粒比表面積顯著增加，增強(qiáng)了陶粒的吸附性，有助于污水處理。其含有大量非晶態(tài)SiO2，可對(duì)混凝土材料起到增強(qiáng)改性的作用。

3.2 污泥陶粒

為了探索污泥制備陶粒的新方法，翁煥新、章金駿等人通過(guò)分析和測(cè)量污泥化學(xué)成分、礦物成分、粒度分布和熱重變化等物理和化學(xué)特性，將污泥的無(wú)機(jī)成分與可用于陶粒燒制的化學(xué)成分進(jìn)行比較，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了干化后污泥燒制陶粒的過(guò)程實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明，污泥中各氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本在可燒成陶粒的化學(xué)組成允許限值內(nèi)或接近下限值，污泥具有燒結(jié)成陶粒的基本條件。污泥陶粒的孔隙率與陶粒的化學(xué)組成、原料的物理性質(zhì)和燒制工藝有關(guān)。在陶粒孔隙結(jié)構(gòu)中，隨著污泥干重比的增加，陶粒總孔隙率減小，平均孔徑增加，串聯(lián)孔隙比增加，陶粒比表面積減小，氣孔頻率減小，而隨著燒成溫度的升高，陶粒的總孔數(shù)、平均孔徑和串孔數(shù)量均無(wú)明顯變化規(guī)律。燒結(jié)溫度對(duì)污泥陶粒的抗壓強(qiáng)度和表觀密度則影響較大，污泥陶粒的抗壓強(qiáng)度和表觀密度呈正相關(guān)，而污泥陶粒的吸水率和燒制溫度呈負(fù)相關(guān)。

為了減少城市水處理污泥資源化利用產(chǎn)生的污染，現(xiàn)在污泥陶粒的制備多采用污泥為主料，粉煤灰、粘土為輔料的制備。粉煤灰對(duì)污泥脫水性能的改善作用顯著，其原理是粉煤灰具有較大的比表面積，顆粒結(jié)構(gòu)疏松多孔，均勻分散于污泥絮體結(jié)構(gòu)中且分散性好、機(jī)械強(qiáng)度高。它為污泥提供了疏松多孔的骨架支撐，使污泥具有較高的抗壓縮性，同時(shí)具有大量的孔隙作為排水通道，污泥的滲透性大大提高。

4 存在的問(wèn)題

（1）污泥中的可利用污泥含量少且不穩(wěn)定。大量數(shù)據(jù)表明，生活用水排出的污泥中的水分含量很高，雖采取措施降低含水量，但仍達(dá)不到污泥陶粒制備的具體要求。

（2）污泥中有害物質(zhì)含量較高，包括病原體、重金屬等影響人體健康的物質(zhì)。如果污泥處理過(guò)程不夠完善，將會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生很大影響。

（3）生產(chǎn)裝備不夠先進(jìn)，無(wú)法大幅提高污泥陶?；炷恋纳a(chǎn)效率。在中國(guó)陶?；炷涟l(fā)展50年的過(guò)程中，裝備技術(shù)取得了一些進(jìn)展，主要體現(xiàn)在窯爐的研發(fā)和制造上。但總體而言，工業(yè)設(shè)備水平不高，且大部分陶?；炷辽a(chǎn)企業(yè)設(shè)備粗放，性能質(zhì)量不高，無(wú)法進(jìn)行流水線作業(yè)，增加了生產(chǎn)成本。除窯爐、冷卻器和造粒機(jī)外，生產(chǎn)所需的其它大部分設(shè)備都從磚和水泥工業(yè)中借用。這種簡(jiǎn)單的借用導(dǎo)致設(shè)備的性能參數(shù)與陶粒生產(chǎn)過(guò)程不匹配，且陶粒需要先進(jìn)行高溫烘烤，使陶粒的能耗和成本增加。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)陶粒各種制備方法的研究與探討，可更加深入地了解免燒污泥陶粒與建材的契合程度及對(duì)建材的影響。通過(guò)對(duì)污泥陶粒添加外加劑等方法，從而改善污泥陶粒的性能，擴(kuò)大陶粒的適用范圍。目前制得的陶粒，在耗能方面仍有缺陷。免燒污泥陶粒相對(duì)于免燒粉煤灰陶粒來(lái)說(shuō)更加綠色環(huán)保，但是對(duì)污泥的利用也不完全，易造成大量浪費(fèi)。

污泥陶?？梢詰?yīng)用在建筑材料中。楊飛等人成功研制出的污泥陶粒綠色自保溫混凝土，不僅解決了城市污水處理廠的污泥處置問(wèn)題，變廢為寶，還能更好地利用陶?；炷恋淖员匦阅?，有效解決建筑結(jié)構(gòu)體系的熱性能問(wèn)題，使其墻材系統(tǒng)的熱工指標(biāo)滿足建筑節(jié)能的65%的標(biāo)準(zhǔn)，更好地保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源。