市政污泥制备烧结砖的试验研究

赵思源，刘卫东，陆美荣

（1.上海理工大学，上海 200093；2.上海市建筑科学研究院，上海 200032）

0 前言

随着污水处理能力的不断提高，污泥产量也在逐年增加，2020 年我国污泥年产量已突破6000 万t[1]。相较于成熟的污水处理技术，与其配套的污泥处理技术在我国仍有欠缺[2]，污泥的无害化处置已成为各个城市面临的难题之一。市政污泥主要来源于城市污水处理厂，是在处理生活污水过程中产生的固体与液体混合的絮状物[3-4]，通常含有病原微生物、寄生虫卵[1]、重金属砷和锌[4]等有害物质。与此同时，市政污泥中也含有有用成分，利用其较多的硅铝含量，能够用于烧结砖产品的制备。已有研究表明，污泥可以替代部分黏土及页岩制备烧结砖，节省黏土使用的同时还能够固化污泥中的重金属[5]。李国旺等[6]以城市污泥、粉煤灰和黏土为原料制备烧结砖，在污泥掺量为10%、烧结温度为1050 ℃的条件下制得抗压强度为14.7 MPa 的烧结砖。刘峰等[7]以城市污泥和河道淤泥为原料，利用干法成型工艺制备烧结砖，在污泥掺量小于20%、烧结温度为1000 ℃的条件下制得强度等级大于MU20 的烧结砖。胡名卫等[8]以印染污泥、原煤和页岩为原料制备烧结砖，在污泥掺量为15%、烧结温度为800 ℃条件下制得抗压强度达到15 MPa、饱和吸水率小于23%的烧结砖。金彪等[9]以污泥、煤矸石和页岩为原料，在污泥掺量为10%、烧结温度为1050 ℃焙烧6 h 的条件下制得强度等级达到MU15 的烧结砖。夏阳等[10]以江河污泥、黏土和砂制备环保烧结砖，在污泥掺量为20%、烧结温度为900 ℃的条件下制得抗压强度为31.6 MPa 的烧结砖。已有研究大多注重对于烧结条件与宏观性能的研究，对烧结过程中的矿物组成与微观结构的研究相对较少。

本研究对页岩、渣土、炉渣和市政污泥的化学成分进行分析，利用上述材料制备烧结砖，以不同成型压力、不同原料配合比、不同烧结温度下烧结砖的技术性能、物相组成及微观形貌作为市政污泥用于制备烧结砖的可行性依据，并尽可能得出一个较为适宜的市政污泥掺量和烧结温度范围。

1 实 验

1.1 原材料

页岩、炉渣、渣土、市政污泥：均来自上海市某建材厂，利用X 射线荧光分析仪对各原料主要化学成分进行分析，结果见表1。市政污泥的液限为36.3%、塑限为18.6%、塑性指数为17.7，满足制砖原料的要求[11]。市政污泥的燃烧热值为7.874 kJ/kg。

表1 原材料的主要化学成分 %

1.2 试样制备方法

将所有原料烘干、破碎、筛分、再烘干后按照预先拟定好的配比，加入13%的水搅拌均匀，陈化7 d 后，分别以5、10、15、20 MPa 的压力压制成型。试块为直径5 cm，高5 cm 的圆柱体。成型后的生坯在室内自然条件下干燥2 d，然后以5 ℃/min的速率升温至100 ℃，保温60 min，再以5 ℃/min 的速率升温至设定温度（700、800、900、1000 ℃），保温120 min 之后停止加热，待温度自然冷却至室温后取出试块，得到市政污泥烧结砖。实验条件及原料配合比见表2。

表2 实验条件及原料配比

1.3 测试与表征

市政污泥烧结砖的体积密度、吸水率和抗压强度按照GB/T 2542—2012《砌墙砖试验方法》进行测试。试验仪器采用浙江竞远机械设备有限公司生产的TYE-300 型水泥压力试验机。抗压强度试验的加载速度为1 kN/s。使用日本理学公司生产的Ultima IV 型X-射线衍射仪对市政污泥烧结砖样品进行物相分析，使用日本日立公司生产的SU 8220 场发射扫描电子显微镜观察市政污泥烧结砖样品的微观形貌。

2 结果与讨论

2.1 成型压力对市政污泥烧结砖物理性能的影响

图1 是烧结温度为1000 ℃、污泥掺量为10%、成型压力为5～20 MPa 时烧结砖的抗压强度和吸水率。

由图1 可知：（1）成型压力在5～20 MPa 时，随着成型压力的增大，烧结砖的吸水率逐渐降低，其中以成型压力由5 MPa 增加至7.5 MPa 时的降幅最大，为6.5%。这是由于随着成型压力的增大，混料之间的结合逐渐变得密实，烧结后的吸水率随之下降，在成型压力达到7.5 MPa 后，混合料颗粒很难再被压缩，因而吸水率降低的幅度变得平缓[13]。（2）成型压力在5～20 MPa 时，随着成型压力的增大，烧结砖的抗压强度先提高后降低。成型压力从5 MPa 增加至15 MPa，抗压强度提高了36.0%，在成型压力为15 MPa 时达到最大值20.24 MPa。这是由于成型压力增大使得砖坯混料间更加致密，烧结后的物理性能相应提高；当成型压力超过15 MPa 时，随着混合料颗粒间的拱桥效应增强，砖坯的密实度开始下降[14]，且砖坯与模具间的粘结力增大，脱模时表面出现缺陷，导致烧结后砖体抗压强度降低[15]。

2.2 污泥掺量对市政污泥烧结砖物理性能及物相组成的影响

图2 是烧结温度为1000 ℃、成型压力为10 MPa、污泥掺量在0～20%之间的烧结砖的体积密度、质量损失率、抗压强度和吸水率。

由图2（a）可知，污泥掺量为0～20%时，随着污泥掺量的增加，烧结砖的体积密度逐渐减小，质量损失率逐渐增大。这是由于污泥中有机质在高温焙烧下发生分解，导致砖体内气孔增多[16]，且污泥掺量越多，其带入的有机质越多，质量损失率越大[17]。由图2（b）可知，污泥掺量为0～20%时，随着污泥掺量的增加，烧结砖的吸水率逐渐增大，抗压强度逐渐降低。当污泥掺量由0 增加至20%时，烧结砖的抗压强度降至14.01 MPa，下降了32.5%。这是由于随着污泥掺量的增加，污泥中含有较多的有机质在烧制过程中发生分解，导致砖体孔隙率增大[16]，施加外力时孔隙周围更容易出现应力集中，孔隙的增加导致烧结砖强度大幅下降[18]。

图3 是不同污泥掺量下烧结砖的XRD 图谱。

由图3 可知，烧结砖试样的矿物组成包含石英相、钠长石相和斜方钙沸石相，随着污泥掺量的增加，试样中斜方钙沸石相和钠长石相逐渐减少。斜方钙沸石相含量越多，试样颗粒间相互熔融结合越紧密，孔隙越小[6]。这与图2 中烧结砖物理性能的变化一致。

2.3 烧结温度对市政污泥烧结砖物理性能及微观形貌的影响

图4 是成型压力为10 MPa、污泥掺量为10%、烧结温度在700～1000 ℃之间的烧结砖的体积密度、质量损失率、抗压强度和吸水率。

由图4（a）可知，烧结温度在700～1000 ℃时，随着烧结温度的升高，烧结砖的体积密度、质量损失率逐渐增大。这是由于砖体内部产生的液相量随着温度升高而增加，液相不断填充到砖体孔隙中，并且包裹固体颗粒，使固体颗粒移动和重排，烧结砖整体体积收缩[19]。由图4（b）可知，烧结温度在700～1000 ℃时，随着烧结温度的升高，烧结砖的吸水率逐渐减小，抗压强度逐渐提高。烧结温度从700 ℃升高到1000 ℃，抗压强度达到最大值17.36 MPa，提高了32.8%。这是由于随着烧结温度的升高，烧结砖内部产生的孔隙被高温下材料生成的液相填充，使试样内部密实，所能承受的抗压强度也随之提高[20]。试样中孔隙结构的变化可以通过SEM 来观察。

图5 是不同烧结温度下烧结砖的微观形貌。

由图5（a）可以看出，烧结温度为700 ℃时，烧结砖内部非常疏松。这说明此时物料间还未发生反应，颗粒间的孔隙较大[21]。由图5（b）、（c）可以看出，随着烧结温度的升高，离散的颗粒不断减少。当温度为800 ℃时，开始出现大量液相，包裹固体颗粒形成固溶相，开始形成封闭的孔结构，温度升高到900 ℃时，熔融液相填充到固体颗粒间，使砖体内部变得更为致密[19]，抗压强度得到提高。这与图4（b）中物理性能的变化保持一致。

3 结论

（1）随着市政污泥掺量的增加，烧结砖的抗压强度明显下降。当污泥掺量小于20%时，一定范围内成型压力和烧结温度的升高能够提高烧结砖的抗压强度；当成型压力大于15 MPa 时，烧结砖的抗压强度会开始下降。

（2）从烧结砖的物相组成及微观形貌分析可以看出，熔融液相填充到固体颗粒间使得烧结砖的强度提高，试样的孔隙和致密度是影响烧结砖性能的主要原因。

（3）考虑到消耗市政污泥为本研究的主要目的，最优原料配比为：市政污泥20%、页岩32%、渣土32%、炉渣16%；最佳工艺条件为：成型水分13%，成型压力15 MPa，烧结温度1000℃，保温时间30 min。最优条件下所制备的试样的抗压强度为17.90 MPa，吸水率为17.6%，符合GB/T 5101—2017《烧结普通砖》中抗压强度MU15 的要求，体积密度和吸水率符合标准。