粉煤灰和污水處理廠污泥單組分地聚物混合物設計研究

李 波，周旭盛，陳芝海

（1.杭州達康環境工程有限公司，浙江 杭州 310052；2.溫州金源海拓環境技術有限公司，浙江 溫州 325000；3.浙江偉明環保股份有限公司，浙江 溫州 325000）

人類進入21 世紀，經濟社會可持續性發展指引著科學技術研究的前進方向[1]。伴隨著工業化進行的不斷深化，資源與能源消耗加速，以及隨之產生大量的工業廢物，這些廢物的循環利用和合理處理處置已成為重要研究課題[2]。因此，在建筑領域，尋找環保綠色替代品是現代建筑材料研究和開發的方向。據相關學者測算，建筑業能耗占全球能源消耗40%以上，CO2排放量顯著高于交通運輸業等其它行業[3]。盡管如此，我國建筑業對資源和能源的需求仍在持續高速增長[4]。因此，尋求可持續循環環保建筑材料來取代目前使用的非生態環境友好型材料，減少CO2生態足跡顯得尤為必要且迫切。

地質聚合物是一種無機粘合劑，由固體Al2O3和含硅材料（通常來源于工業廢料）的堿性活化形成[5]。目前，地質聚合物已成為一種潛在的混凝土粘合劑-普通硅酸鹽水泥（OPC）的環保替代品。據相關報道[6,7]，地質聚合物生產可將傳統水泥熟料的CO2排放量控制在60%～80%。此外，由于獨特的耐熱性和耐火性，地質聚合物在其他領域得到了越來越多的應用[8]。以往的研究表明，泡沫混凝土的脆性不適合彎曲和擠壓載荷。纖維加固通常通過允許荷載傳遞和裂縫橋接來提高機械強度[9]。膠凝材料中常用的增強纖維包括鋼纖維和聚合物纖維[10]。天然纖維以其固有的力學性能、低密度、低成本、豐富性和生物可降解性，近年來得到了廣泛的應用[11]。

粉煤灰（FA）是燃煤火力發電廠的副產品[12]。它含有大比例的反應性硅酸鹽和鋁酸鹽，可用作地質聚合物前體，與堿活化劑溶液反應形成無機聚合物網絡。已發現基于FA 的地質聚合物具有優越的建筑應用強度[13]。水處理污泥（WTS）是來自城鎮污水處理廠的殘留物。在環境監管范疇劃為非危險廢物，通常被棄置于垃圾填埋場或者焚燒無害化、減量化處理[14]。然而，WTS 可能適用于巖土材料的制造。例如，WTS 在基于FA 的地質聚合物中用作輕質骨料。

本文設計了一種由粉煤灰和水處理污泥組成的單組分地質聚合物材料，逐步回歸分析評估每種組分之間的相互作用。運用最高壓縮強度和最小容重的響應面分析，尋找最佳配比。為粉煤灰和水處理污泥地質聚合物在建筑行業的應用提供了參考。

1 實驗部分

1.1 材料和設備

粉煤灰取自浙江某發電廠，無需任何預處理即可使用；水處理污泥取自浙江溫州某污水處理廠，將濕污泥在105℃下干燥過夜，使用研磨機研磨10,000 次；優級純的無水NaOH（99%）和無水鋁酸鈉（NaAlO2）用作活化劑，購自國藥集團化學試劑有限公司；美國密理博公司Milli-Q Academic 制備實驗室超純水。

SU3500 型掃描電子顯微鏡（TEM）（日立高科技有限公司）。

1.2 地質聚物的合成方法

FA 和 WTS 混合物被固體 NaOH 和 NaAlO2活化。使用固體活化劑創建單組分地質聚合物系統，可以解決在兩部分地質聚合物系統中使用腐蝕性和粘性堿活化劑溶液的缺點[15]。地質聚合物通常由兩部分制成，即通常來自工業副產物的硅鋁酸鹽固體和堿活化劑。

在機械攪拌器中將FA 與WTS 混合。將固體NaOH 和NaAlO2加入到原料中并連續混合1min。之后，將水倒入固體混合物中，使用機械混合器進行混合 10～30min。將糊狀物倒入 50×50×50mm 的模具中。鋼模預先涂上潤滑脂，以便更容易脫模。為了防止堿活化樣品表面碳化，所有立方塊都保存在塑料袋中。在室溫下固化21d，測試抗壓強度和容重測定。

表1 兩種地聚物的混合成份Tab.1 Mixed components of two geopolymers

1.3 混料設計和響應面分析

混合物設計是實驗的優化設計，其中所有因素都是混合物的組分。每種組分的比例在表1 所示的范圍內變化。基于初步實驗，NaAlO2和NaOH 的百分比之和不應超過15%。運用Design-Expert V8.06軟件混料設計，選擇了30 種不同的組合，以適應完整的立方體模型。無側限抗壓強度試驗按照ASTM C109 標準執行[16]。測量樣本的尺寸，使用壓縮和彎曲試驗機測試50mm 立方體。暴露于該力的兩個表面都被拋光以避免在測試過程中的高偏差。加載速度固定在0.35kPa·s-1，記錄結果。計算每次運行的3次重復的平均值。

以最高抗壓強度和最低容重作為最佳混料配比目標，應用期望函數進行多響應面分析。期望函數di是響應變量到0 到1 比例的變換。響應0 表示完全不合需要的響應，1 表示最理想的響應。如果對所有響應進行同等評估，則總體滿意度函數計算如下：

2 結果與討論

2.1 粉煤灰與污泥地質聚合物性質

圖1、2 顯示了抗壓強度和單位重量隨粉煤灰比例變化的趨勢。

圖1 FA 含量與材料抗壓強度的關系Fig.1 Relationship between FA content and compressive strength

圖2 FA 含量與材料容重的關系Fig.2 Relationship between FA content and material bulk density

總的來說，較高的FA 導致部分強鏈聚合物的體積密度較大。由于FA 是燃煤過程的副產品，已經在高溫下熱激活，因此，較高的FA 用量增加了反應相比例，從而提高了地聚反應速率，增強了地聚物基體。但隨著前驅體濃度的增加，FA 膠凝材料的密度增大。另一方面，WTS 對混合物的影響是降低地聚合物產品的體積密度。

圖3 WTS 含量與材料抗壓強度的關系Fig.3 Relationship between WTS content and compressive strength of materials

圖4 WTS 含量與材料容重的關系Fig.4 Relationship between WTS content and material bulk density

如圖3、4 所示，WTS 比例的增加導致地聚合物單位重量的降低。然而，較高的WTS 百分比降低了產品的抗壓強度。若無添加WTS，粘合劑的抗壓強度可以達到20 MPa 以上。同時，添加30%的污泥導致低強度樣品（<5MPa）。正如之前相關學者文獻報道所觀察到的，在粉煤灰地質聚合物中充當輕集料的WTS 似乎是相對不活躍的[17]。

2.2 響應面法混料設計優化配比

使用Design-Expert V8.06 軟件進行混料設計。根據實驗條件，將FA、WTS、NaOH 三者所占質量分數設置見表2。

表2 三組分混料設計各組分占比設置Tab.2 Proportion setting of each component in three component mixture design

經過13 組實驗，分別獲得每組樣品的抗壓強度和容重，結果見表3。

表3 混料設計實驗結果表Tab.3 Experimental results of mixture design

經過擬合獲得抗壓強度和容重的回歸方程，式（2）、式（3）：

根據式（3）、式（4）設置最高抗壓強度，最小容重進行尋優；尋優結果見圖3。綜合響應分析得出混料設計地質聚物的最佳組成為72.3%FA、21.7%WTS、6% NaOH。根據ASTM C129 標準，最佳成分的抗壓強度值為1.09 MPa，產品容重1877.7kg·m-3在中等磚重范圍內。

2.3 粉煤灰水處理污泥地質聚合物SEM 圖

通過2.2 混料設計，在最佳配比條件下，制得混合材料的掃描電鏡見圖5。

圖5 地質聚合物平行樣SEM 圖Fig.5 SEM of geopolymer parallel sample

由圖5 發現，顯示混合地質聚合物較其單一組分有較大變化。兩個平行樣品中，FA 的微球形狀已很難找到。同時，SEM 圖像顯示了混料地質聚合物經過研磨后的細小顆粒。究其原因，NaOH 加入混料中可能削弱了FA 的球體結構。

3 結論

研究表明，粉煤灰（CFA）和水處理污泥（WTS）可作為一種單組分的地質聚合物建筑用粘結劑。實驗的混合料設計表明，隨著FA 含量的增加，抗壓強度提高，FA 是一種良好的地質聚合物基材料。向混合物中添加WTS 可降低粘合劑的單位重量，但也會降低產品的抗壓強度。在抗壓強度最大、單位重量最小的混料設計分析中，給出了FA 72.3%、WTS 21.7%、NaOH 6%的最佳組成。最佳組合的抗壓強度和容重分別為 1.09MPa 和 1877.7kg·m-3。