城市污水厂污泥制作蒸压加气混凝土砌块的试验研究

第26卷第1期2012年3月南华大学学报(自然科学版)JournalofUniversityofSouthChina(ScienceandTechnology)Vol郾26No郾1Mar郾2012文章编号:1673-0062(2012)01-0098-05城市污水厂污泥制作蒸压加气混凝土砌块的试验研究侯保林,任伯帜*,陈文文,王政华(湖南科技大学土木工程学院,湖南湘潭411201)摘摇要:以城市污水污泥为研究对象,将二沉池脱水污泥用生石灰调理至含水率为35%后,进行调理污泥直接制作蒸压加气混凝土砌块可行性的试验研究.将污泥混合粉煤灰、水泥、生石灰等建材后制作砌块成品,同时对砌块的力学性能进行检测.结果表明:调理污泥制作蒸压混凝土砌块具有可行性;在试验砌块中加入5%的城市污泥,制成品符合国家标准(GB11968—2006)要求.该污泥混凝土砌块可以固定污泥中的重金属,制作过程对环境无污染,且节约能源.关键词:城市污泥;蒸压加气混凝土砌块;抗压强度;冻融性能中图分类号:X705摇摇摇文献标识码:BAPrimaryStudyonAutoclavedAeratedConcreteUsingMunicipalSludgeHOUBao鄄lin,RENBo鄄zhi*,CHENWen鄄wen,WANGZheng鄄hua(SchoolofCivilEngineering,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan,Hunan411201,China)Abstract:Possibleutilizationofurbansewagesludge,intheprocessofproductionofauto鄄clavedaeratedconcretewhichwasmadebysludge鄄flyash鄄cement鄄burntlimewasinvestiga鄄ted.Themoisturecontentofsludgeis35%.Basedontheresearchobjective,thisstudydetectedthemechanicalpropertyoffinishedproducts.Theresultsshowthat:thiswaymightbefeasibleandenergysaving.Whenautoclavedwith5%sewagesludge,itconformstotherequirementofthenationalspecifications(GB11968—2006).Heavymetalscontainedinthesludgearewellsealedupintheblockanddonotleachout,anditisuninjurioustoenvironment.keywords:municipalsludge;autoclavedaeratedconcrete;compressivestrength;freeze鄄thawperformance摇摇城市污水处理后产生的污泥含有大量的水分、难降解的有机物、重金属和少量的致病微生物收稿日期:2011-12-09基金项目:湖南省自然科学基金计划项目(2008SK4029);湖南省教育厅重点资助科研基金资助项目(08A019);湖南科技大学研究生创新基金资助项目(S100104);湖南省高校创新平台开放基金资助项目(10K027);湖南省自然科学基金资助项目(10JJ6085)作者简介:侯保林(1986-),男,河南安阳人,湖南科技大学土木工程学院硕士研究生.主要研究方向:城市污水深度处理及资源化技术.*通信作者.第26卷第1期侯保林等:城市污水厂污泥制作蒸压加气混凝土砌块的试验研究(致病细菌、病原体、寄生虫和有害昆虫卵)等,如果处置不当,会对环境造成严重的二次污染.因此,妥善、经济地处理城市污泥是亟待解决的环境问题[1鄄2].考虑到城市污泥含有一定量的SiO2、Al2O3、CaO等无机成分,这些无机成分与粉煤灰的相接近,因而将污泥作为原材料制作污泥—粉煤灰蒸压加气混凝土砌块.在以往的研究中,污泥通常是经过干燥或焚烧后以粉状物的形式加入水泥中制作砌块,制作烧结砖或陶粒等建筑材料[3鄄6].污泥干燥和焚烧过程中产生二噁英、飞灰等有毒有害气体,投资和操作费用高,生产应用困难.同时,二沉池污泥质地均匀细腻,将其调理后直接作为原材料制作建筑材料具有极高的研究价值和应用前景[7鄄10].本试验以城市污水厂二沉池脱水污泥为研究对象,采用生石灰调理使之含水率为稳定为35%,参照一般粉煤灰蒸压加气混凝土砌块生产模式,通过混合加气成型、低温养护、高温蒸压养护制作蒸压加气混凝土砌块,探索非干化污泥制作粉煤灰蒸压加气混凝土砌块的可行性.1摇材料与方法1.1摇试验材料摇摇试验中所用污泥取自湘潭市河西污水处理厂二沉池脱水污泥,含水率82.23%.经过生石灰的调节处理,含水率降为35%.粉煤灰取自吕强混凝土公司生产所用的工业粉煤灰,0.045mm方孔筛余量臆25.6%,烧失量臆4.3%.生石灰取自当地石灰厂,0.080mm方孔筛余量臆7.5%,有效氧化钙含量为8.6%,消化速度22min,消化温度64益.试验用其他原料包括铝粉、石膏、硅藻土等.污泥主要无机成分见表1,污泥重金属含量见表2.表1摇污泥和粉煤灰的无机组分摇%Table1摇Theinorganiccompositionofsewagesludgeandflyash摇%项目SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgO湘潭市城市污泥28.584.398.362.571.06粉煤灰[11]33.9~59.71.5~15.416.5~35.40.8~0.40.7~1.9表2摇污泥重金属检测结果Table2摇Heavymetalcontentinsewagesludge项目检测项目及检查结果(10-6mg·kg-1)CdHgPbAsCrBCuZnNi湘潭市城市污泥19.43.7818228.924580.045097960.7污泥制砖泥质205300751000-1500400200摇摇由表2可知,本试验所用污泥重金属含量除锌外均满足《城镇污水处理厂污泥处理制砖用泥质》(CJ/T289—2008)中重金属含量的规定,该污泥可以为建筑填料.1.2摇试验方法1.2.1摇正交试验设计以城市污泥、粉煤灰、生石灰和水泥为主要原料,掺入少量发泡剂铝粉、初凝剂石膏,加水搅拌、低温养护、切割、高温蒸压养护等工艺制成制品,测试其平均干密度、抗压强度和抗冻性能,并测试其重金属浸出量.为研究主要原料配比对蒸压混凝土砌块性能的影响,寻求合理的原材料及配比,采用L9(34)正交试验对各因素进行分析.每个试验号做5组平行试验,取测得的力学性能试验的平均值作为计算值.正交试验因素水平见表3,正交试验设计见表4.表3摇因素水平设计表Table3摇Factorsanddesignedlevels水平因素/%污泥生石灰水泥粉煤灰玉2.5201065域5257.560芋7.53055599南华大学学报(自然科学版)2012年3月表4摇正交试验设计表Table4摇Orthogonaltestdesigns试验号污泥/g石灰/g水泥/g粉煤灰/g1#11112#12223#13334#21235#22316#23127#31328#32139#33211.2.2摇工艺流程蒸压加气混凝土砌块的试验工艺流程如图1所示.按照正交试验确定的配合比,根据图1所示的试验流程,将污泥和粉煤灰、水泥、生石灰按不同配比混合,30r/min搅拌3min,使原料搅拌混合均匀,浇筑成100mm伊100mm伊100mm的砌块,成型后低温养护数小时后制成半成品,并对半成品的表观质量进行观测;最后放入蒸压釜中蒸压养护,形成成品砌块,按照国家《蒸压加气混凝土砌块》(GB11968—2006)标准对成品的密度、抗压强度、冻融性能进行检测.图1摇污泥制蒸压加气混凝土砌块试验流程图Fig.1摇Thetestflowchartofautoclavedaeratedconcreteblockmakingwithsewagesludge2摇结果与讨论2.1摇污泥掺量对半成品和成品砌块外观质量的影响砌块成型后,对试验过程中砌块的表观质量进行了对比观察,不同污泥掺量与半成品、成品外观质量关系见表5.由表5以及试验过程可知,半成品的早期强度和污泥掺入量无关,与其他原材料配比以及石膏掺入量有关.半成品的发泡情况和污泥的掺入量联系紧密,当污泥掺量小于等于5%时,半成品发泡均匀,成品砌块的稳定性好,掺量大于5%时,半成品发泡较少且不均匀,同时成品的体积稳定性差,出现不彤程度的裂纹.2.2摇污泥掺量对力学性能的影响试验中蒸压过程采用阶梯式蒸压方式,在升压过程中0.5MPa、0.8MPa各分别蒸压1h,1.1MPa蒸压5h,降压时在0.4MPa静停0.5h,然后降为常压.对蒸压养护后的砌块进行干密度、抗压强度和冻融性能的测定,结果见表6.表5摇不同配比下半成品和成品的外观质量Table5摇Theappearancequalityofsemifinishedandfinishedproductsundervariousmixtureratio编号半成品外观质量成品外观质量1#早强一般,发泡均匀,易脱模,易切割.底部无变化,无纵向开裂,无横向小裂纹.2#早强好,发泡均匀,易脱模,易切割.体积无变化,无纵向开裂,无横向小裂纹.3#早强较好,发泡均匀,易脱模,较难切割.体积无变化,无纵向开裂,无横向小裂纹.4#早强一般,发泡均匀,较易脱模,易切割.底部稍微膨胀,无纵向开裂,有横向小裂纹.5#早强好,发泡均匀,易脱模,易切割.体积无变化,无纵向开裂,无小裂纹.6#早强一般,发泡均匀,较易脱模,易切割.体积无变化,无纵向开裂象,无裂纹.7#早强差,发泡较少,脱模较难,难切割.体积稳定性较差,有纵向裂痕,有较大裂纹.8#早强一般,发泡较少,较易脱模,易切割.底部稍微膨胀,无大裂痕,有纵向小裂纹.9#早强好,发泡较少,较易脱模,较易切割.底部膨胀,有纵向裂痕,有横向裂纹.001第26卷第1期侯保林等:城市污水厂污泥制作蒸压加气混凝土砌块的试验研究表6摇检测结果Table6摇Testresults试验号(样品编号)1#2#3#4#5#6#7#8#9#密度/(kg·m-3)715734700784749806874850939抗压强度/MPa6.16.46.25.56.05.63.94.74.4冻后强度/MPa5.05.35.24.65.14.72.43.13.3质量损失/%2.32.12.52.92.52.73.02.93.1砌块判断[12]合格合格合格不合格合格不合格不合格不合格不合格摇摇对正交试验进行极差分析,确定影响砌块抗压强度的主次因素,分析结果表明:污泥是最主要的影响因素,其次为生石灰、水泥、粉煤灰;对冻融试验进行极差可得到同样的结果.随着污泥含量的增加,掺入量从2.5%增加到5%时,抗压强度和抗冻性能变化不大,当污泥含量从2.5%增加到7.5%,成品抗压强度和抗冻性能降低,成型较难.这一规律与以往污泥制砌块的报道相一致[13].试验中还发现,加入污泥的砌块气孔相比未加污泥的空白试验明显不规则程度增加,相应的抗压强度也明显偏低.污泥中含有较多的有机杂质,高温蒸压养护时产生大量不规则的孔洞,导致颗粒间结合力降低,因此随着污泥所占比例增加,抗压强度降低更多.由表5和表6可知,1#、2#、3#和5#号试验砌块合格,其中5#号试验污泥掺量5%,1#~3#号试验污泥掺入量为2.5%,同时力学性能相差较小,符合《城镇污水处理厂污泥处理制砖用泥质》(CJ/T289—2008)中污泥掺量低于10%的规定,因而确定5#号为最优配方,各种原料配比见表7.表7摇最优配方5#Table7摇Theoptimalformula5#名称污泥粉煤灰生石灰水泥百分比/%565255摇摇经测定该