工業污泥替代膠凝材料利用初探

劉淑瑜，馬法珍，師現營，王衛凱，劉紅麗

（1.河南省豫東水利工程管理局，河南 開封 475000；2.華北水利水電大學，河南 鄭州 450046；3.新蔡縣班臺分洪閘工程維護中心，河南 新蔡 463500）

1 材料和試驗

1.1 試驗材料

水泥為天瑞P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥。采用河南鉑潤鑄造材料有限公司生產的優質微硅灰，SiO2含量達92%以上，比表面積19.10 m2/g。工業污泥來源于河南省某工業處理尾泥，經現場無害化處理，其含水率以及重金屬浸出量均滿足應用要求。在室內進一步通過晾曬干化處理以進行試驗，為滿足替代膠凝材料粒徑要求，利用球磨機將工業污泥顆粒磨細至0.08 mm以下。工業污泥的化學成分中含有鈣、鋁、硅等主要元素，因此從化學組分來講替代膠凝材料具有可行性。

1.2 試驗設計

設計水泥-硅灰-工業污泥三元膠凝體系，硅灰占比參考已有研究成果定為膠凝材料總量的10%，進行膠砂試驗設計，同時為研究工業污泥粒徑的活性效應，將工業污泥顆粒分為0.045～0.080 mm和0.045 mm以下兩種粒級分別替代水泥，共設計11組試驗，具體配合比設計見表1所示。參照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》利用膠砂攪拌機進行機械攪拌，膠砂制備后立即進行成型，選用40 mm×40 mm×160 mm的水泥膠砂模具，將試模放入標準恒溫恒濕養護箱的水平架子上養護24 h后脫模。脫模后，將標記的試件立即豎直放在20℃的水中養護，直至到達齡期。

表1 試驗配合比設計表 單位：kg/m3

1.3 試驗方法

按照GB/T 17671-1999試驗規范，分別進行抗折強度和抗壓強度測試，并記錄試驗數據。

2 試驗結果

2.1 養護齡期對膠砂抗壓強度的影響

圖1 為污泥占比對膠砂抗壓強度的影響，從圖中均可發現，相對于D 組試樣，在各個齡期下，隨著污泥占比的增加，C2～C10 組試樣的抗壓強度均有不同程度的損失，呈臺階式下降趨勢。同時在7d齡期時，C2～C10組與D組試樣強度差距最為明顯，養護至28 d 齡期，D 組試樣強度增長12.10%，0.045 ～0.080 mm 污泥試樣中，C2～C10 組試樣強度增長均保持在19%以上，在＜0.045 mm 污泥試驗組中，除C10 組以外，也表現出相似的變化規律。說明，在摻入污泥細粒以后，其三元膠凝體系相對水泥-硅灰二元膠凝體系的水化速率變慢，導致早齡期強度過低，超過7 d齡期后含污泥細粒的三元膠凝體系水化反應才逐漸加快，使得C2～C10組膠砂試樣表現出較高的強度增長率，同時也反應出污泥顆粒的活性不強，再不進行任何干擾的情況下難以等比替代水泥。

圖1 污泥占比對膠砂抗壓強度的影響圖

2.2 養護齡期對膠砂抗折強度的影響

圖2 為污泥占比對膠砂抗折強度的影響。從圖中可以發現，0.045～0.080 mm試驗組試樣的抗壓強度呈先增后減的變化趨勢，在C2組時出現峰值，隨即下降，相對于抗壓強度的齡期增長率規律而言，C2～C10組相對于D組試樣的抗折強度增長率差距不明顯，在28 d齡期時C4組試樣的抗折強度相對于D組仍較為理想。對于小于0.045 mm污泥試樣，各試驗組的抗折強度呈線性下降規律，隨齡期的變化規律同0.045 ～0.080 mm污泥試樣基本相同。

圖2 污泥占比對膠砂抗折強度的影響圖

2.3 污泥粒徑對膠砂抗壓和抗折強度的影響

選取28 d 齡期的膠砂試樣抗壓和抗折強度進行對比分析。圖3為不同污泥粒徑對膠砂抗壓和抗折強度的影響曲線。

圖3 不同污泥粒徑對膠砂抗壓/抗折強度的影響圖

從圖3中可發現，對于兩種不同的粒徑污泥，隨著其占比的增加，呈現出交替波動的變化規律。在C2 組，含0.045～0.080 mm粒徑的污泥試樣抗壓強度高于0.045 mm以下粒徑的污泥試樣組，在C4～C8組時，0.045 mm以下粒徑的污泥試樣組反增，隨后在C10組又降低。相比之下，0.045 mm以下粒徑的污泥占比增加時對膠砂抗壓強度的有益作用優于0.045～0.080 mm粒徑的污泥試樣，說明在同樣的條件下，污泥占比小于2%時，0.045～0.080 mm的污泥顆粒較好，而當污泥占比超過2%時，0.045 mm以下粒徑的污泥能更好的減少強度損失。在占比為10%時，是因為對于相同的質量下，顆粒越小其比表面積越大，將占用更多的水量，干擾正常的水化反應，故使得試樣的強度驟降，同時反應出當污泥細粒摻量超過8%時，就應該考慮補充額外水。

同樣從圖3中可得，0.045～0.080 mm粒徑的污泥試樣抗折強度均高于同污泥占比下0.045 mm 以下粒徑的污泥試樣，說明較大的污泥粒徑更容易維持試樣的抗折強度，這是因為抗折強度表示試樣的彎拉破壞狀態，可能在此狀態下較粗的污泥顆粒物理作用更為明顯一點。

3 結論

①隨著污泥占比增加，膠砂試樣的抗壓和抗折強度整體呈下降的變化趨勢，污泥顆粒占比在2%以下時，膠砂試樣的抗壓強度損失較少且抗折強度稍有增強。②從不同養護齡期的試驗結果發現，水泥-硅灰-工業污泥三元膠凝體系水化速率較慢，超過7 d齡期后其水化反應才逐漸加快。并且不同粒徑的污泥顆粒均表現出較低的化學活性，其物理作用更為明顯。③應該考慮附以激發劑激發的方式增強污泥顆粒的化學活性，同時當污泥顆粒占比較高時應考慮添加附加水，以保證正常的水化反應。