污泥制作污泥灰為摻合料的混凝土立方體試塊抗壓強度試驗研究

張金輪,孫俊偉,李濟源(安徽工程大學建筑工程學院,安徽蕪湖 241000)

污泥制作污泥灰為摻合料的混凝土立方體試塊抗壓強度試驗研究

張金輪,孫俊偉,李濟源
(安徽工程大學建筑工程學院,安徽蕪湖 241000)

簡要概括污泥中重金屬在混凝土凝結硬化過程中的反應,并對用污泥制作混凝土摻和料進行可行性分析.以脫水污泥為原料制作污泥灰,按照不同污泥灰-水泥質量比制成混凝土立方體標準試塊,進行其不同配比下單軸抗壓試驗,研究了以污泥灰為摻合料的混凝土基本力學性能.試驗結果表明:當污泥灰-水泥質量比小于6%時,混凝土立方體抗壓強度降低幅度較小,滿足混凝土強度等級要求;摻入污泥灰使得混凝土受壓變形能力下降,但對混凝土的強度發展影響不明顯.

脫水污泥;摻合料;混凝土;抗壓強度;變形能力

生產、生活帶來了大量的污水,污水處理廠運行過程中產生了大量剩余活性污泥.目前,我國污水處理廠每年排放的污泥量(干重)大約為140萬噸,且保持10%以上的年增長速率,至2011年底,脫水污泥年產量已超過2 000萬噸[1].污泥中除含有泥砂懸浮物、各種金屬元素、纖維物質外,主要成分為含有大量微生物殘體的剩余污泥[2-3],其處置方式有焚燒、填埋、農用、建材利用、濕式氧化、熱解、高溫熔化等.我國污泥處置的現狀[4]70%以上是棄置,20%是填埋,不到10%的是通過堆肥等技術處理后回用.隨意放置的污泥容易腐爛,并產生惡臭;在土壤與植物中存集,進入飲食系統危害人類健康;滲濾液進入地下水、地表水產生污染;污泥焚燒處置過程中存在產生二惡英的風險等[5].污泥的安全處置、資源化利用已是緊迫的環境工程問題.

隨著城市化進程的加快,水泥和混凝土的社會需求量越來越大,污泥在混凝土工業中應用不僅有利于污泥的處理,同時可以節約國家土地資源.污泥的建材利用業已被看作是一種可持續發展的污泥處理方式,在一些發達國家發展起來[6].剩余活性污泥中含有大量的和水泥相似的成分,可以一定程度上起著水泥的作用,一般情況下污泥摻入量不超過水泥質量的10%可替代普通水泥進行試塊制作[7].簡述污泥中重金屬在混凝土凝結硬化過程中的反應,以及用污泥制作摻和料的可行性分析.以安徽省蕪湖市某污水處理廠脫水污泥為原料,在進一步脫水、烘干、破碎、剔除大顆粒雜質、細磨等預處理后制成污泥灰,分別按照3%∶1.6%∶1.9%∶1污泥灰-水泥質量比,制作150 mm×150 mm×150 mm混凝土立方體標準試塊.檢測不同配比下試塊的抗壓強度,研究了以污泥灰為摻合料的混凝土基本力學性能.

1 污泥中重金屬在混凝土凝結硬化過程的反應

污泥含有大量的有害物質,其中對污泥利用影響最大的是重金屬離子.水泥中的高堿度氫氧基可以使重金屬轉化為氫氧化物等低溶解性物質,將重金屬截留,其原理可分為凝結硬化反應與水化反應兩種.預處理后污泥灰中的Al2O3和SiO2與水泥中Ca(OH)2發生凝結硬化反應,生成晶體狀的鈣-鋁鹽類與鈣硅膠體,以填充水泥凝固時出現的微小孔隙,因而提高了固結體的強度和耐久性,還可以降低固結體的透水性.上述反應中形成的硅酸鈣、鋁酸鈣等水合物膠體,隨時間的發展逐漸硬化,最終達到結晶狀態.該過程將污泥的重金屬離子包裹于結晶相內,形成較為穩定的結構,同時達到固結體的后期強度.盡管污泥中含有重金屬等有害物質,水泥的這種固結過程,可使固結體重金屬浸出量滿足國家標準要求,并且隨著時間的推移,其浸出趨勢將變小[8].

2 污泥制作污泥灰為摻和料的可行性分析

污泥中有較高的SiO2＋Al2O3含量,可以考慮用以燒制混凝土摻合料[9].比較常溫污泥和900℃焙燒污泥,進行化學成分以及對火山灰化學成分分析如表1所示,分析其是否含有火山灰活性材料所必備的化學成分.相關研究表明:經900℃焙燒后,污泥中的主要無機物總量從52.8%增長到89.2%,尤其是(SiO2＋Al2O3＋Fe2O3)總量高達76.2%,非常接近火山灰(SiO2＋Al2O3＋Fe2O3)含量[10].由上述分析可知, (SiO2＋Al2O3＋Fe2O3)含量較高的污泥,通過高溫焙燒后進行快速冷卻,就能形成足夠量的活性SiO2和活性Al2O3,從而使污泥具備較高的火山灰活性.Hamernik等研究了不同類別的污泥灰,分析得出污泥灰活性相似于ASTM標準的C等級火山灰活性.Tay-J.H研究得出污泥灰替代一部分水泥對混凝土的強度影響不大[11].上述研究成果表明,用污泥制作污泥灰為混凝土摻合料的實施方案具有可行性.

表1 [12] 常溫和焙燒后的污泥以及火山灰化學成分(%)

3 試驗材料與試驗方法

3.1 試驗材料

水泥:海螺牌P·O32.5普通硅酸鹽水泥,相關技術參數如表2所示.粗骨料:粒徑5～40 mm礫石及小碎石,級配良好;細骨料:粒徑0.16～4.5 mm中砂,級配良好;水:普通自來水;污泥取自蕪湖市某污水處理廠,含水率80%左右,含泥量14%左右.

表2 水泥技術參數

3.2 試驗方法

污泥灰制作:①在厭氧桶內堆放7 d,進一步降解污泥中的有機質與脫水;②置于烘箱內烘干,48 h,溫度200℃;③烘干后的污泥塊在粉碎機內粉碎,然后過篩(孔徑1.0 mm);④去除篩余料中較大顆粒及雜質;⑤在小型球磨機中反復細磨.污泥灰制作過程如圖1所示.

試塊制作:水泥漿體凝結時間及需水量測定按國家有關標準進行;混凝土強度試驗按照GB/T 50081～2002《普通混凝土力學性能試驗方法》進行.先根據C20強度等級驗算混凝土基本材料配合比,然后用污泥灰替代部分水泥進行不同配比試塊制作,具體用料比例如表3所示.根據各組配合比進行稱量,然后在攪拌機內進行攪拌,攪拌均勻后的拌合料裝入150 mm×150 mm×150 mm的模具內振實成型,在25℃下靜置2晝夜后拆模,拆模后的試塊進行編號,并放入養護箱內進行養護.養護條件:溫度20℃,相對濕度為95%.每組6件試塊,分別在萬能試驗機上以0.4 MPa/s加載率分別測試其養護14 d、28 d的抗壓強度.

表3 試塊各原材料制備參數

4 試驗結果與分析

4.1 污泥灰-水泥質量比對混凝土立方體抗壓強度的影響

分別計算每組試塊實測值的平均值,按照經驗公式[13]換算混凝土彈性模量如表4、圖2所示.由表4及圖2可知,污泥灰-水泥質量比在6%內時,混凝土立方體抗壓強度有所降低,降低幅度在5%以內,混凝土立方體抗壓強度滿足C20強度等級要求;當質量比達到9%時,強度降低明顯,已不能滿足C20強度等級要求;按經驗公式換算的混凝土彈性模量均有較小幅度的降低.上述變化的主要原因是由于未采用高溫焙燒制作污泥灰,使其中火山灰活性材料未能充分發揮.

表4 不同污泥灰-質量比14 d與28 d混凝土立方體抗壓強度平均值及其彈性模量

4.2 齡期對污泥灰為摻合料混凝土強度的影響

由表4可知,摻加污泥灰與不摻加污泥灰的混凝土試塊14d齡期強度均能達到28d齡期強度80%左右,表明摻加污泥灰對混凝土強度隨養護時間增加的變化趨勢影響不大.其主要原因是由于污泥灰中含有與水泥材料成分相同的活性材料,在水泥凝結硬化反應過程中的影響并不明顯.

4.3 污泥灰摻入量對混凝土立方體試塊平均峰值應變的影響

按照各組試驗14 d齡期荷載-位移曲線峰值點對應試塊軸向變形計算其平均峰值應變,不同配比下立方體試塊的平均峰值應變變化曲線如圖3所示.由圖3可知,隨著污泥灰摻入量的增加,混凝土立方體標準試塊的峰值應變呈下降趨勢,表現其變形能力逐漸降低.

5 結論

為避免在高溫焙燒污泥過程中產生二惡英等氣體對環境造成污染,采用脫水、烘干、細磨處理制作污泥灰為摻合料的混凝土立方體標準試塊,并對其進行抗壓強度試驗,初步探討了污泥灰為摻合料對混凝土基本力學性能的影響.污泥灰-水泥質量比在6%內時,混凝土立方體抗壓強度降低幅度較小,能滿足混凝土強度等級要求.當質量比達到9%時,強度降低明顯,已不滿足要求.摻加污泥灰與不摻加污泥灰的混凝土試塊14 d齡期強度均能達到28 d齡期強度80%左右,摻加污泥灰對混凝土強度的發展影響不大.污泥灰摻入量的增加,會使混凝土的變形能力逐漸降低.采用烘干方法對污水廠污泥進一步脫水,制作污泥灰為摻合料用于低等級混凝土的方案基本可行,但是摻入量受到一定限制.

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The experimental study on compressive strength of cubed concrete added with sludge ash

ZHANG Jin-lun,SUN Jun-wei,LI Ji-yuan
(College of Civil and Architectural Engineering,Anhui Polytechnic University,Wuhu 241000,China)

A brief summary for the reaction of heavy metal of sludge in setting and hardening of concrete, and a feasibility analysis for using sludge ash to make concrete admixture have been conducted in the paper.Making the standard concrete test cube is the production of sewage sludge ash with dehydrated sludge as raw material,according to the different sludge ash cement mass ratio.Axial compressive tests under the different ratio were done,studying the basic mechanical properties of concrete taking sludge ash as admixture.The test results show that:when the mass ratio of sludge ash and cement is less than 6%,the compressive strength of cube concrete decreased less,meeting the requirements of strength grade of concrete;Incorporation of sludge ash to concrete can decrease the deformation ability of compression,but its impaction on the strength development of concrete is not obvious.

dewatered sludge;admixture;concrete;compressive strength;the capacity of deformation

X703;TU 528.01

A

1672-2477(2015)04-0091-04

2014-12-31

安徽省自然科學基金資助項目(TSKJ2014B13,TSKJ2014B15)

張金輪(1984-),男,安徽合肥人,講師,博士研究生.