城市污泥陶砂的制备及其在外墙干混保温砂浆中的应用

郑红勇（太原学院 建筑工程系，山西 太原　030032）



城市污泥陶砂的制备及其在外墙干混保温砂浆中的应用

郑红勇
（太原学院 建筑工程系，山西 太原030032）

将阴干的城市污泥在1100℃下焙烧30 min，制备成陶砂，通过SEM对陶砂进行微观分析，表明其为密闭多孔膨胀性微粒，经测试，该陶砂的密度为410 kg/m3，导热系数为0.029 W/（m·K），说明其可以作为保温材料应用于建筑外墙保温体系中。按照m（水泥）∶m（陶砂）∶m（减水剂）∶m（聚丙烯纤维）=100∶70∶0.6∶0.5混合均匀，在水灰比为0.3条件下制备成干混保温砂浆，成型养护28 d后，试块的抗压强度为13.0 MPa，导热系数为0.81 W/（m·K），吸水率为0.80%，干缩率为0.91%，密度为1950 kg/m3。

城市污泥；陶砂；聚丙烯纤维；保温砂浆

为了达到建筑节能的目的，在建筑外墙体系中，保温砂浆的使用越来越多，不过由于高分子材料潜在的不安全性，因此使用无机材料配制保温砂浆是当前建筑保温的一个重要的研究方向［1］。目前对于无机保温砂浆的研究主要是利用一种或多种具有低导热系数的多孔性骨料与水泥基体复配［2］。在城镇化建设过程中，产生了大量的污水，经过处理后存在巨量的城市污泥，虽然富含有机质，但是由于其重金属含量高，且存在病原体，还散发恶臭［3］，因此不但无法作为农作物肥料使用，而且即使简单填埋处理也易造成土壤或者水体污染，因此对于城市污泥的资源化利用，特别是将之应用于建筑工程材料的利用问题一直是城市污泥处理的主要开发方向［4］。通过高温煅烧将城市污泥中的病原菌杀死，同时将城市污泥内富含的有机物燃烧，制备多孔性烧膨陶粒是城市污泥资源化利用的一个途径，不过在制备过程中需要掺入大量黏土，且受到陶粒在建筑中加入量的影响，因此污泥利用量有限［5］。而如果将城市污泥烧制成轻砂，则可以替代水泥砂浆中的细砂，并且由于制备的轻砂多孔、质轻，保温性能较普通砂好，当将其与水泥基材复配，制备成外墙保温砂浆时，由于外墙保温砂浆仅对建筑物起围护密闭的作用，对其力学性能要求不高，则可以减少建筑物对砂的消耗量，还可以充分资源化利用城市污泥，同时建筑物的保温性能也得到提高。本研究基于以上目的，通过高温对城市污泥进行处理，制备多孔性陶砂，替代水泥砂浆中的细砂，制备外墙保温砂浆，以为城市污泥资源化利用及建筑节能研究提供一条可行性途径。

1　试验

1.1原材料及主要仪器设备

水泥：P·O32.5水泥，山西太原狮头水泥厂；污泥：山西太原城南污水厂；聚羧酸高性能减水剂：FL-HPC，减水率大于20%，天津市北辰区辰和建材厂；水：自来水；聚丙烯纤维：长度6 mm，山东滨州鲁峰网业有限公司。

KYKY-100B型扫描电子显微镜，中国科学院仪器中心；DRM-Ⅰ平板式导热系数测定仪，天津建筑仪器试验机公司；WEW-300电子万能试验机，济南试金仪器有限公司；UJZ-15水泥砂浆搅拌机，上海雷韵试验仪器制造有限公司。

1.2试验过程

将阴干的污泥置于马弗炉中，于1100℃下焙烧30 min，过筛取直径2 mm以下陶砂，按照m（水泥）∶m（陶砂）∶m（减水剂）∶m（聚丙烯纤维）=100∶70∶0.6∶0.5充分搅拌均匀，制备成为干混水泥砂浆，在水灰比为0.3条件下制备成标准试块进行测试。

1.3测试方法

利用SEM对污泥陶砂的微观结构进行了观察。陶砂基本性能依据GB/T 17431.2—2010《轻集料及其试验方法 第2部分：轻集料试验方法》进行，砂浆基本性能依据GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》及JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行测试。

2　结果与讨论

2.1焙烧条件对城市污泥陶砂性能的影响

对于外墙无机保温材料而言，主要是依靠向水泥砂浆中掺入隔热性能良好的中空填料以降低水泥砂浆的导热系数，并最终实现保温性能的提高，而利用城市污泥制备而成的陶砂在本研究中即为此类填料，因此城市污泥陶砂的制备条件对干混砂浆的性能有较大影响［6］，本研究在城市污泥中有机物质可以发生充分分解的温度下，考察不同烧结时间对陶砂烧失量、密度、导热系数等性能的影响，结果如表1所示。

表1　焙烧条件对陶砂性能的影响

从表1可以看出，在本研究的试验温度范围内，烧结温度对城市污泥的烧失量影响不大，可见大部分有机物都可在此温度范围内分解；随着烧结时间的延长，陶砂的密度不断降低，随着烧结温度的提高，陶砂的密度小幅度变化，不过导热系数变化不大，这可能的原因是由于烧结温度高，陶砂外表面釉质强度大，有机物挥发不易引起陶砂膨胀，而陶砂膨胀系数低，也自然造成孔隙率低，因此造成密度发生小幅度变化，不过由于类似釉质层的生成，因此虽然陶砂内部孔隙率增加，但是陶砂外壁也同时强化了热的传导，二者共同作用下，提高温度对降低陶砂导热系数意义不大，1100℃条件下焙烧仅是在初期对降低陶砂导热系数起到一定积极意义，而且在此温度下，经过30 min焙烧后，陶砂的密度较低，导热系数达到0.029 W/（m·K），满足砂浆的保温性能要求，因此确定适宜的焙烧温度为1100℃，焙烧时间为30 min，在此条件下的城市污泥陶砂的外观照片及经扫面电子显微镜放大后的照片如图1所示。

图1　城市污泥陶粒的外观和SEM照片

2.2陶砂用量对保温砂浆性能的影响

在无机保温砂浆体系中，无机保温填料添加量越多，水泥用量越少，保温效果越好［7］，而作为外保温砂浆而言，对其力学性能要求不高，因此考虑在砂浆体系中增大陶砂用量，同时为了降低砂浆的导热系数和密度，弃用细砂。固定m（水泥）∶m（减水剂）∶m（聚丙烯纤维）=100∶0.6∶0.5，陶砂用量（按占水泥质量计）对保温砂浆性能的影响如表2所示。

表2　陶砂用量对保温砂浆性能的影响

从表2可以看出，砂浆的密度随着陶砂用量增加而不断下降；由于外墙保温砂浆的抗压强度要求低（不小于0.2MPa），因此即使陶砂用量达到80%的情况下，仍能满足外墙砂浆的抗压强度要求；由于陶砂为多孔中空材料，随着陶砂用量的增加，形成一层滞气层，因此砂浆的导热系数不断下降，也就是砂浆的保温性能不断提高；不过砂浆的吸水率也随之增大，对于外墙干混砂浆而言，国家标准要求其吸水率小于1%，因此虽然高掺量陶砂的保温性能得以提高，不过在没有有效阻水表面的情况下，砂浆中陶砂的用量不应高于70%。从表2还可以看出，随着陶砂用量的增加，成型后混凝土的干缩率也不断增大，当陶砂掺加量超过70%时，砂浆的干缩率过大，制备成型后的砂浆容易发生干缩开裂的问题。综上所述，确定适宜的陶砂掺入量为70%。

2.3减水剂掺量对保温砂浆性能的影响

在水泥砂浆中掺入疏水性高分子，可以有效抑制水分向多孔性填料的渗透，降低砂浆的吸水性，还可以防止砂浆成型过程中由于水灰比大而出现的泌水现象［8］，本研究中由于使用大量的多孔性城市污泥陶砂，因此必须掺入减水剂，以提高干混砂浆的和易性，不过减水剂的加入固然抑制了陶砂对水分的早期吸附问题，但也同时降低了砂浆的水灰比。固定m（水泥）∶m（陶砂）∶m（聚丙烯纤维）=100∶70∶0.5，考察减水剂掺量（按占水泥质量计）对干混砂浆性能的影响，结果如表3所示。

表3　减水剂掺量对保温砂浆性能的影响

从表3可以看出，掺入减水剂后，在满足和易性的前提下，由于水灰比降低，砂浆的密度有一定程度的增大，同时抗压强度也得到提高；但是砂浆的导热系数变化不大；不过由于掺入了憎水性的高分子掺料，以及砂浆密度增加的双重作用下，砂浆的吸水率降低了。但是砂浆的干缩率却出现先降低再增大的趋势，这可能是由于少量添加减水剂的情况下，由于减水剂抑制多孔陶砂对水分的吸附，因此有效防止早起初凝时失水过快，进而降低了干缩率，而当减水剂掺量过高时，由于水灰比降低，水泥发生自主收缩，而陶砂骨料无法起到足够的膨胀变形对抗作用，导致干缩率又缓慢提高［9］。通过以上分析，确定适宜的减水剂掺量为0.6%。

2.4聚丙烯纤维掺量对保温砂浆性能的影响

外墙干混砂浆没有粗骨料，水灰比低，而且由于无法有效保湿，经常出现开裂现象。本研究中在干混砂浆中混入聚丙烯纤维，抑制墙体由于干缩而产生的开裂现象并降低吸水率。固定m（水泥）∶m（陶砂）∶m（减水剂）=100∶70∶0.6，聚丙烯纤维掺量（按占水泥质量计）对保温砂浆性能的影响如表4所示。

表4　聚丙烯纤维掺量对砂浆性能的影响

从表4可以看出，掺入聚丙烯纤维以后，砂浆的导热系数和密度基本不变；由于聚丙烯纤维的交联作用，砂浆的韧性增大、干缩率降低［10-11］，抗压强度也小幅度提高；而由于纤维的憎水作用，砂浆的吸水率降低了。当聚丙烯纤维掺量为0.5%时，砂浆的吸水率为0.80%，干缩率为0.91%，继续增加纤维掺量，对砂浆性能影响不大，因此确定适宜的聚丙烯纤维掺量为0.5%。

3　结语

利用高温将城市污泥焙烧成陶砂，并与水泥、减水剂、聚丙烯纤维复配，制备成干混砂浆，当m（水泥）∶m（陶砂）∶m（减水剂）∶m（聚丙烯纤维）=100∶70∶0.6∶0.5，水灰比为0.3时，砂浆的抗压强度为13.0 MPa，导热系数为0.81 W/（m·K），吸水率为0.80%，干缩率为0.91%，密度为1950 kg/m3。

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Preparation of sludge ceramic sands and its application in exterior insulation dry mixing mortar

ZHENG Hongyong
（Department of Architectural Engineering，Taiyuan University，Taiyuan 030032，China）

Dry sludge had been roasted at 1100℃ for 30 min to prepare ceramic sands，the sample had been characterized by SEM，proved it had expanded and hermetic bore，the volume weight and heat conductivity of ceramic sands was 410 kg/m3and 0.029 W/（m2·K）respectively，showed it could be used on heat insulating system of outside wall as insulation material.Cement，ceramic sands，water reducing agent and polypropylene fiber was mixed 100∶70∶0.6∶0.5 by mass，obtained dry mixed cement mortar. After curing for 28 days，its compressive strength was 13 MPa，heat conductivity was 0.80 W/（m·K），water absorption was 0.80%，drying shrinkage was 0.91%，volume weight was 1950 kg/m3，proved it had good thermal insulation properties.

urban sludge，ceramic sands，polypropylene fiber，thermal mortar

TU528.2

A

1001-702X（2016）06-0082-03

2015-12-01

郑红勇，男，1976年生，山西榆次人，硕士，讲师，主要研究方向为建筑材料、建筑结构设计。地址：太原市太原经济技术开发区大昌南路18号，E-mail：zhenghongyong76@sina.com。