改性污泥制備泡沫混凝土的可行性研究

馬小莉，相玉琳

（榆林學院建筑工程系，陜西 榆林 719000）

應用技術

改性污泥制備泡沫混凝土的可行性研究

馬小莉，相玉琳

（榆林學院建筑工程系，陜西 榆林 719000）

由于污泥在建材利用安全性方面存在較多質疑，致使污泥的建材利用一直得不到廣泛推廣。鑒于此，本實驗對剩余污泥進行了改性處理，對改性后獲得的泥渣與污泥蛋白液的特性進行了分析，同時對不同泥渣與泡沫摻量下的泡沫混凝土強度和耐火特性進行了研究。結果表明，改性污泥制備泡沫混凝土不存在安全隱患，獲得的污泥蛋白發泡劑具有良好的發泡性能。制備的泡沫混凝土具有良好抗壓強度、抗折強度，滿足行業標準；同時泡沫混凝土的干密度、抗壓強度及抗折強度都隨著泡沫量的增加而降低；隨著污泥渣的增加，泡沫混凝土的干密度和抗折強度下降，抗壓強度則呈現先增加而后降低的趨勢，在污泥渣質量分數為4%時，抗壓強度最佳。耐火試驗顯示泡沫混凝土具有良好的耐火性能。因此，應用改性污泥制備泡沫混凝土具有較強的可行性。

改性污泥；蛋白質；泡沫；混凝土；強度；耐火

隨著城鎮化及現代化工業的迅猛發展，作為污水處理廠難以避免的副產物——污泥的產量在急劇上升。污泥的處理與處置已成為困擾污水處理廠的重大難題與挑戰。如何對污泥進行合理有效地處理處置已成為現今亟待解決的問題。目前，污泥處理處置技術主要有填埋、焚燒、農業利用和建材利用等［1］。污泥的建材利用主要是利用污泥或其處理后產物制造板材、砌塊、玻璃及水泥等［2-5］。污泥的建材利用較其農業利用、土地填埋、資源回收利用等具有經濟效益社會效益明顯、無二次污染等優勢，是污泥處理處置的一個有潛力的發展方向。然而，由于我國在污泥建材利用方面的發展較晚，在污泥建材利用安全性方面存在較多質疑，致使污泥的建材利用一直得不到廣泛推廣［6］。

鑒于此，本研究在前期課題組［7］工作的基礎上，針對污泥有機質含量高、脫水難等特點，對污泥進行改性處理后制備泡沫混凝土，探討了以污泥渣為摻合料、污泥蛋白為發泡劑制備泡沫混凝土的可行性，以期為污泥的建材利用提供一定理論依據與技術支持。

1　實驗部分

1.1 裝置與材料

輻照實驗采用天津金鵬源輻照技術有限公司60Co γ輻照源，源強1.6×104居里，劑量率70Gy/min，輻照溫度23℃±2℃。污泥采自榆林市榆陽區污水處理廠的剩余污泥，主要化學成分見表1；粉煤灰來自榆林大保當，質量等級為Ⅰ級，見表2；水泥為榆林市蒙西產強度等級52.5級復合硅酸鹽水泥。試驗用水為民用自來水。試驗所涉及化學試劑均為分析純級。

1.2 實驗過程

1.2.1 污泥改性

首先，粉煤灰用硝酸改性，硝酸濃度為4mol/L，粉煤灰與酸的配比為1∶4（g/mL），浸沉時間4h，過濾，將粉煤灰置于烘箱100℃±5℃干燥4h，然后碾碎過篩（100目），改性粉煤灰即可獲得。然后改性粉煤灰與剩余污泥溶液按照0.2g/mL進行配比并充分混合，置于300mL玻璃瓶密封，10kGy計量下輻照［7］。輻照后，3000r/min離心分離出污泥上清液。污泥上清液濃縮至30%作為發泡劑；泥渣置于烘箱內烘干（200℃），烘干后的改性污泥渣粉碎過1mm篩，備用。

表1　污泥主要化學成分質量分數 單位：%

表2　粉煤灰的質量等級 單位：%

1.2.2 試塊制備

通常情況下污泥加入量不可超過水泥量的10%［8-9］。因此，試驗以改性污泥渣替代部分水泥進行混凝土的制作，研究改性污泥渣占混凝土量分別為0、2%、4%、6%和 8%（質量分數）的情況下混凝土的抗壓性能。根據表3取樣，先將水泥、改性污泥渣和水預混均勻，再加入污泥蛋白泡沫進行攪拌至均勻，然后將料漿澆注成100mm×100mm×100mm的試塊，每個配合比成型6塊試件。試塊在2天后拆模、編號、放入養護箱內養護（溫度20℃±3℃，相對濕度95%）。14天后進行抗壓性能測試。

1.2.3 分析方法

采用CHT-4106微機液壓萬能試驗機進行抗壓、抗折性能測試（抗壓試件的尺寸為 100mm× 100mm×100mm，抗折試件的尺寸為 100mm× 100mm×400mm），樣品的微觀形貌采用JSM-6480LV型掃描電鏡觀察，樣品宏觀形貌采用XTL-2600低倍顯微鏡觀察并用尼康D3300數碼相機照相，污泥中重金屬量采用混酸消解法提取［10］，污泥蛋白液的泡沫性能采用 Ross-Miles法測定（GB/T 7462—1994）。

2　結果與討論

表3　試塊摻料配合比

2.1 理化性質分析

重金屬與微生物污染是限制污泥建材利用的主要因素。表4為剩余污泥經改性處理后所得泥渣與污泥蛋白液重金屬及微生物檢測結果。由表4可知，污泥蛋白液中未發現任何微生物，經過平板培養細菌總數仍然為零，不存在微生物污染；原始污泥含有大量細菌，經過平板培養細菌總數為 1.96× 107CFU/g，處理后泥渣中未發現菌膠團及原生動物，經過平板培養只有細菌生長出，培養后細菌總數為 5.8×104CFU/g，因此泥渣在混凝土的制作中也不會存在微生物污染。對于重金屬的安全性，供試污泥中所含的重金屬及其含量遠低于國家標準《室內裝飾裝修材料 內墻涂料中有毒有害物質限量》（GB18582－2008）。因此，本研究所得泥渣與污泥蛋白液作為建材利用不存在安全隱患。

表4　檢測結果

圖1為剩余污泥改性處理前后掃描電鏡圖，由圖可知，處理前后污泥細胞形貌明顯不同，未處理污泥細胞形貌完整流暢，而改性處理后的污泥細胞遭到破壞，絲狀細菌消失。

圖2為污泥蛋白液泡沫形貌，由污泥蛋白液形成的泡沫多為多面體結構，氣泡尺寸相對均勻，且泡沫具有良好的穩定性。泡沫主要分為多面體泡沫和球形泡沫。當氣體量不足74%時，氣泡間被液體分開較遠，彼此不連接，主要形成球形泡沫。當氣體量超過74%時，氣泡量增多，當超過最致密球形分布時，就形成了多面體泡沫。多面體泡沫實則是氣泡聚集體，氣泡不再具有獨立性，這樣所形成的群體則大大地強化了泡沫的穩定性，延長了泡沫的壽命［11］。本研究所得蛋白泡沫液發泡性平均高度為19.1cm，穩泡性平均高度為16.6cm，而市售發泡劑的泡沫高度一般在15～18cm［12］。

2.2 泡沫混凝土強度的變化

2.2.1 泡沫摻量對混凝土強度的影響

固定污泥渣質量分數為 4%，對不同泡沫摻量的混凝土進行干密度和7天與28天強度分析，結果如圖3所示。從圖3可知，采用添加1350～1750mL污泥蛋白泡沫所研制的密度等級不小于400kg級的泡沫混凝土，抗壓強度≥3.8MPa，滿足建筑工業行業標準《泡沫混凝土》（JG/T 266—2011）。由圖 3可知，泡沫混凝土的干密度、7天與28天抗壓及抗折強度都隨著泡沫量的增加而降低，這表明泡沫量的增加不利于混凝土強度的發展。由于泡沫混凝土的強度不僅取決于硬化水泥漿體的強度，在很大程度上還受氣孔體積分數的影響，氣孔體積分數越大，混凝土的強度越低［14］。當泡沫量增加，氣孔體積分數必然也增加，因此導致了泡沫混凝土強度的降低。

2.2.2 污泥渣質量分數對混凝土強度的影響

固定泡沫量為 1450mL，對不同污泥渣質量分數的混凝土進行干密度和7天與28天強度分析，結果如圖4所示。

圖1　剩余污泥改性處理前后形貌

圖2　污泥蛋白液泡沫形貌

圖3　泡沫量對泡沫混凝土強度的影響

圖4　污泥渣質量分數對泡沫混凝土強度的影響

由圖4（a）可知，隨著污泥渣質量分數的增加，泡沫混凝土的干密度呈現下降的趨勢，這主要是由于污泥渣的密度小于硅酸鹽水泥的密度。對于抗壓強度，隨著污泥渣質量分數的增加，混凝土的抗壓強度先增加而后降低。泡沫混凝土的抗壓強度與膠凝物質量（即硬化水泥漿體的強度）成正比，與氣孔體積分數成反比。由于污泥渣的密度小于水泥，當用污泥渣等質量取代水泥時，隨著污泥渣質量分數的增加，泡沫混凝土的固體與氣泡體積比增加，相當于降低了泡沫混凝土的氣孔體積分數，因此混凝土的抗壓強度增加。當氣孔體積分數降到一定程度時，膠凝物質的影響占優勢［13］，由于污泥渣質量分數的增加降低了膠凝物質的含量，盡管污泥渣中含有一定量的膠凝物質，但該膠凝物質活性低，在一定程度上影響了整個體系的水化反應，導致混凝土強度下降。

對于抗折強度，主要取決于膠凝物質，因此隨著污泥渣質量分數的增加，膠凝物質活性降低，致使泡沫混凝土抗折強度降低。

2.3 耐火試驗

配置650kg/m3的泡沫混凝土。圖5為耐火試驗（火焰溫度1000℃）前后直接用數碼相機拍攝的泡沫混凝土表面形貌及內部結構圖。泡沫混凝土溫度達到220℃所需時間為40min，實體混凝土達到該溫度需要 30min。灼燒后表面不再平滑，但未發現明顯裂紋，內部結構變化不明顯。耐火材料抗張拉強度小，當對表面進行加熱時，表面擴張較內部快，致使表面受到擠壓力，內部受到張力；冷卻過程與上述情況相反［14］，在兩種力的交替變換下，致使表面變得凸凹不平，當這些力過大時，則會產生裂紋，由于泡沫混凝土氣孔的存在起到了一定的緩沖作用，因此，灼燒后未發現明顯裂紋，而實體泡沫灼燒后則出現了較大的裂紋。由此可見，本研究所得泡沫混凝土耐火性較好。

圖5　泡沫混凝土灼燒前后形貌

3　結　論

本文作者課題組在前期研究的基礎上，對改性污泥制備泡沫混凝土制品的可行性進行了研究。通過對改性后的污泥渣及污泥蛋白液進行理化性質分析，發現污泥渣及污泥蛋白液不存在重金屬及細菌微生物污染風險，可放心應用于建材生產。獲得的污泥蛋白發泡劑具有良好的發泡性能。應用污泥渣及污泥蛋白發泡劑配合復合硅酸鹽水泥制備的泡沫混凝土滿足行業標準，耐火性能良好。因此應用改性污泥制備泡沫混凝土具有較強的經濟效益和環境效益，可行性強，值得推廣。

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Feasibility study on foam concrete prepared by modification sludge

MA Xiaoli，XIANG Yulin
（Department of Architectural Engineering，Yulin University，Yulin 719000，Shaanxi，China）

The utilization of sludge in building materials have not been widely used because of safety dispute.In this paper，modification treatment of excess sludge was carried out，and characteristics of dislodged sludge and sludge protein solution after modification treatment，and the influence of dislodged sludge and sludge protein solution with different contents on strength and fire-resistant performance of foam concrete were investigated.The results showed that foam concrete prepared by modification sludge has no potential safety risks，and the sludge protein solution had excellent foaming property.The prepared foam concrete had good compressive strength and breaking strength，which met the requirement of the industrial standard.Dry density，compressive strength and breaking strength decreased with the increase of foam quantity.As sludge mud increased，dry density and breaking strength decreased.Compressive strength first increased and then decreased.When the ratio of sludge mud was 4%（wt），compressive strength was optimum.Fire test showed that foam concrete has good fire-resistant performance.Therefore，foam concrete prepared by modification sludge had comparatively more feasible and reasonable.

modification sludge；protein；foam；concrete；strength；fire-resistant

TU 992.3

A

1000-6613（2016）09-2997-05

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.09.049

2016-01-13；修改稿日期：2016-03-13。

榆林市科技局項目（2014cxy-09）、榆林學院高層次人才科研基金（12GK04）及陜西省科技廳基礎研究計劃重點項目（2012JZ2003）。

及聯系人：馬小莉（1967—），女，碩士，副教授，主要從事土木工程專業教學與科研工作。E-mail maxiaoli719000@126.com。