工业污泥替代胶凝材料利用初探

刘淑瑜，马法珍，师现营，王卫凯，刘红丽

（1.河南省豫东水利工程管理局，河南 开封 475000；2.华北水利水电大学，河南 郑州 450046；3.新蔡县班台分洪闸工程维护中心，河南 新蔡 463500）

1 材料和试验

1.1 试验材料

水泥为天瑞P·O 42.5 普通硅酸盐水泥。采用河南铂润铸造材料有限公司生产的优质微硅灰，SiO2含量达92%以上，比表面积19.10 m2/g。工业污泥来源于河南省某工业处理尾泥，经现场无害化处理，其含水率以及重金属浸出量均满足应用要求。在室内进一步通过晾晒干化处理以进行试验，为满足替代胶凝材料粒径要求，利用球磨机将工业污泥颗粒磨细至0.08 mm以下。工业污泥的化学成分中含有钙、铝、硅等主要元素，因此从化学组分来讲替代胶凝材料具有可行性。

1.2 试验设计

设计水泥-硅灰-工业污泥三元胶凝体系，硅灰占比参考已有研究成果定为胶凝材料总量的10%，进行胶砂试验设计，同时为研究工业污泥粒径的活性效应，将工业污泥颗粒分为0.045～0.080 mm和0.045 mm以下两种粒级分别替代水泥，共设计11组试验，具体配合比设计见表1所示。参照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》利用胶砂搅拌机进行机械搅拌，胶砂制备后立即进行成型，选用40 mm×40 mm×160 mm的水泥胶砂模具，将试模放入标准恒温恒湿养护箱的水平架子上养护24 h后脱模。脱模后，将标记的试件立即竖直放在20℃的水中养护，直至到达龄期。

表1 试验配合比设计表 单位：kg/m3

1.3 试验方法

按照GB/T 17671-1999试验规范，分别进行抗折强度和抗压强度测试，并记录试验数据。

2 试验结果

2.1 养护龄期对胶砂抗压强度的影响

图1 为污泥占比对胶砂抗压强度的影响，从图中均可发现，相对于D 组试样，在各个龄期下，随着污泥占比的增加，C2～C10 组试样的抗压强度均有不同程度的损失，呈台阶式下降趋势。同时在7d龄期时，C2～C10组与D组试样强度差距最为明显，养护至28 d 龄期，D 组试样强度增长12.10%，0.045 ～0.080 mm 污泥试样中，C2～C10 组试样强度增长均保持在19%以上，在＜0.045 mm 污泥试验组中，除C10 组以外，也表现出相似的变化规律。说明，在掺入污泥细粒以后，其三元胶凝体系相对水泥-硅灰二元胶凝体系的水化速率变慢，导致早龄期强度过低，超过7 d龄期后含污泥细粒的三元胶凝体系水化反应才逐渐加快，使得C2～C10组胶砂试样表现出较高的强度增长率，同时也反应出污泥颗粒的活性不强，再不进行任何干扰的情况下难以等比替代水泥。

图1 污泥占比对胶砂抗压强度的影响图

2.2 养护龄期对胶砂抗折强度的影响

图2 为污泥占比对胶砂抗折强度的影响。从图中可以发现，0.045～0.080 mm试验组试样的抗压强度呈先增后减的变化趋势，在C2组时出现峰值，随即下降，相对于抗压强度的龄期增长率规律而言，C2～C10组相对于D组试样的抗折强度增长率差距不明显，在28 d龄期时C4组试样的抗折强度相对于D组仍较为理想。对于小于0.045 mm污泥试样，各试验组的抗折强度呈线性下降规律，随龄期的变化规律同0.045 ～0.080 mm污泥试样基本相同。

图2 污泥占比对胶砂抗折强度的影响图

2.3 污泥粒径对胶砂抗压和抗折强度的影响

选取28 d 龄期的胶砂试样抗压和抗折强度进行对比分析。图3为不同污泥粒径对胶砂抗压和抗折强度的影响曲线。

图3 不同污泥粒径对胶砂抗压/抗折强度的影响图

从图3中可发现，对于两种不同的粒径污泥，随着其占比的增加，呈现出交替波动的变化规律。在C2 组，含0.045～0.080 mm粒径的污泥试样抗压强度高于0.045 mm以下粒径的污泥试样组，在C4～C8组时，0.045 mm以下粒径的污泥试样组反增，随后在C10组又降低。相比之下，0.045 mm以下粒径的污泥占比增加时对胶砂抗压强度的有益作用优于0.045～0.080 mm粒径的污泥试样，说明在同样的条件下，污泥占比小于2%时，0.045～0.080 mm的污泥颗粒较好，而当污泥占比超过2%时，0.045 mm以下粒径的污泥能更好的减少强度损失。在占比为10%时，是因为对于相同的质量下，颗粒越小其比表面积越大，将占用更多的水量，干扰正常的水化反应，故使得试样的强度骤降，同时反应出当污泥细粒掺量超过8%时，就应该考虑补充额外水。

同样从图3中可得，0.045～0.080 mm粒径的污泥试样抗折强度均高于同污泥占比下0.045 mm 以下粒径的污泥试样，说明较大的污泥粒径更容易维持试样的抗折强度，这是因为抗折强度表示试样的弯拉破坏状态，可能在此状态下较粗的污泥颗粒物理作用更为明显一点。

3 结论

①随着污泥占比增加，胶砂试样的抗压和抗折强度整体呈下降的变化趋势，污泥颗粒占比在2%以下时，胶砂试样的抗压强度损失较少且抗折强度稍有增强。②从不同养护龄期的试验结果发现，水泥-硅灰-工业污泥三元胶凝体系水化速率较慢，超过7 d龄期后其水化反应才逐渐加快。并且不同粒径的污泥颗粒均表现出较低的化学活性，其物理作用更为明显。③应该考虑附以激发剂激发的方式增强污泥颗粒的化学活性，同时当污泥颗粒占比较高时应考虑添加附加水，以保证正常的水化反应。