污泥气化渣制备蒸压加气混凝土研究

杨俊杰，郭春霞，谢 静，刘德杰，袁志辉，赵 威

（河南省固体废物和化学品技术管理中心，河南 郑州 450003）

蒸压加气混凝土以其优良的保温隔热和环保特性越来越受到人们的关注，由于处置废物严格的环境要求，使用工业副产物制备蒸压加气混凝土已经获得了广泛的关注。有研究报道，一些废物可作为硅质材料，如粉煤灰、废玻璃、污泥、焚烧底灰和金属尾矿[9−12]。其中粉煤灰作为蒸压加气混凝土最常见的硅质材料之一[13，14]，近几年随着“双碳”战略的推行，其产量受到了限制，一定程度上制约了蒸压加气混凝土的发展。高温气化后的污泥渣中含有一定量的SiO2、Al2O3等，这些化学成分与粉煤灰接近，但含量较低。在以往的研究中，污泥主要以部分原材料的形式制备建筑材料[5,15−16]，尚未见到利用污泥气化渣制备加气混凝土的相关研究报道。因此，结合污泥气化渣成分及含量情况，可进行污泥气化渣部分替代粉煤灰制备蒸压加气混凝土实验研究，探究其性能及影响参数，为污泥气化渣再利用和蒸压加气混凝土的制备提供参考，以期解决污泥气化渣规模化处置问题，同时实现废物的综合利用。

1 材料与方法

1.1 材料

（1）水泥 水泥采用P.O 42.5 普通硅酸盐水泥，初凝时间190 min，终凝时间300 min，筛余量为1.25%（0.075 mm 筛）。

（2）石灰 石灰为市售中速生石灰，将其粉碎研磨，测得筛余量为12.0%（0.075 mm 筛），消解时间为17 min，消解温度为82 ℃，有效钙含量为78.20%，符合国家标准《硅酸盐建筑制品用生石灰：JC/T 621—2009》的规定要求。

（3）石膏 石膏为电厂脱硫石膏，含水率为11.2%，有效成分CaSO4含量为92%。

（4）铝粉膏 铝粉膏为市售产品，固体含量为66%，细度为4.5%，发气时间为16 min。

（5）粉煤灰 烧失量2.61%，筛余量为15.0%（0.075 mm 筛），主要化学组成，见表1。

表1 粉煤灰、污泥气化渣的化学组成 %

（6）污泥气化渣 本实验采用的污泥气化渣来自某公司，自然干燥后经球磨机球磨，并通过0.075 mm负压筛分测试，筛余量为15.5%，具体成分，见表1，处理后的污泥气化渣表面形态，见图1。

图1 粉状污泥气化渣SEM 分析

1.2 实验方法

1.2.1 材料合成方法 将污泥气化渣进行自然晾晒、敲碎、球磨和过筛处理。原料配合过程中分别对水泥、石灰、石膏、铝粉膏、污泥气化渣粉、粉煤灰和水进行称量；先将称量好的水倒入搅拌器中，再将各原材料加入到水中，并进行搅拌；随后，加入铝粉膏，快速搅拌90 s 后浇筑在模具中，坯体养护至一定强度后进行脱模，然后进行蒸压养护，1.15 MPa饱和水蒸汽蒸养6 h，冷却降温，形成成品砌块，原料配合比，见表2。

1.调查总括。采用自编问卷《戒毒人员回归社会生活状况调查》对“多进宫”男性戒毒人员后续照管情况进行了解，将操守期作为此次调查的重要变量。（操守期指前一次强制隔离戒毒结束与本次强制隔离戒毒开始的时间间隔）。问卷内容包括个人基本情况、入所前生活情况及解戒后生活情况三部分，除个人基本情况外有33道客观题。收集数据后，采用SPSS17.0统计软件对数据进行分析。同时对48名戒毒人员后续照管情况进行了访谈。

表2 原料配合比 %

1.2.2 测试方法 （1）干密度和抗压强度测试方法依据《蒸压加气混凝土性能试验方法：GB/T 11969—2020》进行测试。

（2）干燥收缩值和抗冻性实验方法 依据《蒸压加气混凝土性能试验方法: GB/T 11969—2020》进行测试。其中，经过干燥、浸水、冷冻和融化等过程完成1 次冻融试验，通过15 次冻融循环后检查试样的强度和质量损失率。

（3）SEM 测试 利用德国蔡司公司Sigma300场发射扫描电子显微镜对试块微观结构进行检测。取混凝土试块进行破碎，将小块样品进行干燥处理，随后置于载物台上，用洗耳球将残余的废渣进行清除，最后对样品进行喷金处理后进行测试。

（4）重金属浸出实验 参照《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法：HJ 557—2010》中的方法进行测试，具体步骤为将试块进行破碎、研磨，再通过筛网（孔径为9.5 mm）；称取20 g 样品，置于1 000 mL 的锥形瓶中，以醋酸溶液和纯水作为浸提剂，固液比为10:1，向1 000 mL 锥形瓶中加入浸提剂；用保鲜膜进行封口，固定放置在水平振荡器中，设定温度为25 ℃，振荡频率为（110±10）次/min，振荡（18±2）h，经过孔径为0.45 μm 的滤膜过进行滤取样，最后通过电感耦合等离子体发射光谱仪测定Pb、Zn 和Cr 的质量浓度。

2 结果与讨论

2.1 不同掺量对产品绝干密度和抗压强度的影响

不同掺量的污泥气化渣对蒸压加气混凝土干密度和抗压强度的影响，见图2。随着污泥气化渣掺量的增加，混凝土的绝干密度先减少后增加，当污泥气化渣的掺量为65%时，此时混凝土制品的绝干密度为569 kg/m3，抗压强度为3.72 MPa，符合《蒸压加气混凝土砌块：GB/T 11968—2020》标准规定的A3.5、B06 的合格产品。污泥气化渣掺量在35%～65%时，蒸压加气混凝土砌块的抗压强度略有降低，但随着污泥气化渣掺量的进一步增加，试块的抗压强度快速降低。结果表明污泥气化渣的高掺量不利于抗压强度的提升。RUDCHENKO et al[17]利用高炉矿渣制备蒸压加气混凝土，随着高炉渣掺量增加，抗压强度也出现了快速的下降。

图2 污泥气化渣掺量对绝干密度和抗压强度的影响

2.2 不同掺量对产品干燥收缩值的影响

不同掺量的污泥气化渣对蒸压加气混凝土干燥收缩值的影响，见表3。

表3 污泥气化渣掺量对试样干燥收缩值的影响

表3 可知，制备的所有蒸压加气混凝土干燥收缩值均满足国标《蒸压加气混凝土砌块：GB/T 11968—2020》要求。当污泥气化渣掺量为65%时，试样的干燥收缩值较小。干燥收缩是由材料中结晶水的损失引起的，由于污泥气化渣的高掺量影响了结晶水的形成，从而导致了高掺量下干燥收缩值升高。此外，养护的时间和方法、压力、二氧化硅的细度、样品尺寸和形状、储存时间和气候都会影响试样的干燥收缩。

2.3 不同掺量对产品冻融循环后强度和质量损失率的影响

不同掺量的污泥气化渣经过15 次冻融循环后强度和质量损失率，见表4。

表4 试样冻融循环后强度和质量损失率的变化

污泥气化渣的加入，蒸压加气混凝土的质量损失率不超过3%。低掺量的污泥气化渣经15 次冻融后的抗压强度仍满足国标《蒸压加气混凝土砌块：GB/T 11968—2020》要求。但当污泥气化渣掺量为75% 和85% 时，冻后的抗压强度性能较差。试样抗冻融性在很大程度上受凝胶结构、干密度和湿度的控制，文献[18] 报道如果初始水分含量＜16%，干密度在500～600 kg/m3范围内，就会表现出良好的抗冻融能力。而对于毛细水饱和的情况下，经50 次冻融循环质量损失和抗压强度损失分别增加至1.5%和16.6%[19]。高掺量的污泥气化渣影响了蒸汽加压混凝土的湿度，从而导致了质量损失和抗压强度损失的增加。

2.4 SEM 扫描电镜图分析

样品4#和6#的扫描电镜图，见图3。

图3 样品4#和6#的扫描电镜图

体系中有结晶度差的C-S-H 凝胶和大量结晶度较好的针棒状、叶片状托贝莫来石。片状托贝莫来石通过在C-S-H 凝胶上相互交叉和重叠而形成，C-S-H 凝胶单元通过托贝莫来石晶体形成的骨架结合，形成了良好的网络状框架，这是试样具有良好强度的关键[20]。同时，相互连通和空腔的微观结构使得蒸压加气混凝土砌块具有更高的抗压强度和良好的隔热保温性能。样品6 出现了较多不规则疏松的孔结构。程娟等[21]研究可知，主要是由于污泥气化渣含有一定的有机杂质，在蒸压过程中产生了大量不规则的孔洞，这也解释了污泥气化渣大掺量下强度较低、15 次冻融循环后稳定性差的原因。

2.5 重金属浸出实验

以污泥气化渣为原料的蒸压加气混凝土Pb、Zn 和Cr 浸出质量浓度，见表5。Pb 浸出浓度为0.25 mg/L，Zn 浸出浓度为0.22 mg/L，Cr 浸出量较少，低于检出限，3 个浓度均低于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别: GB 5085.3—2007》中的限值。这与之前利用污水处理厂污泥制备蒸压加气混凝土中重金属的浸出结果一致[10]。这主要是因为试验中所用的污泥为生活污水处理厂污泥，重金属含量较低。另外，在混凝土养护过程中，水泥的水化凝固作用对污泥中的重金属也有一定的固化作用，有效的防止了污泥中有害元素浸出而对环境不利。

表5 以污泥气化渣为原料的蒸压加气混凝土重金属浸出质量浓度 mg·L−1

3 结论

（1）污泥气化渣经过处理后制备蒸压加气混凝土具有可行性，掺量为65%时，制品的绝干密度为569 kg/m3，抗压强度为3.72 MPa，符合《蒸压加气混凝土砌块：GB/T 11968—2020》规定的A3.5、B06的合格产品标准。

（2）污泥气化渣的加入，蒸压加气混凝土干燥收缩值、冻融和重金属浸出等数据均满足相关标准。

（3）SEM 可知体系中有大量的针棒状和少量的片状托贝莫来石晶体，保证了蒸压加气混凝土具有良好强度。在掺量为85%时，制品内部产生了大量不规则的孔洞，这也解释了该条件下制品强度较低、冻融循环稳定性差的原因。