城市污水處理污泥燒結料制備建筑細骨料的可行性研究

張曉燕，張冰心，梁娜，譚云飛，趙順波

（1.華北水利水電大學 土木與交通學院，河南 鄭州 450045；2.河南省生態建材工程國際聯合實驗室，河南 鄭州 450045；3.鄭州市污水凈化有限公司，河南 鄭州 450044）

隨著砂石料自然資源保護力度的加強，天然砂的市場供應日益匱乏，建筑垃圾、城市污水處理廠污泥等固廢的建材資源化利用成為必然選擇。污泥中含有Si、Ca、Mg、Fe 等元素，具備進行建材化利用的可能性[1-2]。焚燒后的污泥灰渣可作為路基材料和制磚摻合料[3-5]，也可以作為水泥基混合材、混凝土摻合料或細骨料[6-7]。

Wang 等[8]研究發現，污泥燒結料具有多孔、顆粒不規則、質輕等特點，有利于增強保溫、隔熱與隔聲效果，且可以減輕結構自重。但是，污泥燒結料吸水率較大、強度較低，這將對水泥漿體的結構和水化反應產生較大影響，進而對混凝土的物理力學性能起到決定性作用[9]。當然，通過添加其他活性摻合料、改變水膠比、混合不同種類的骨料，仍能得到合適的砂漿或混凝土，改善密實性[10-11]。

本研究對城市污水處理污泥經過高溫焚燒后形成的燒結料進行二次破碎、篩分，加工成細骨料，對細骨料的化學成分、物理指標、放射性和孔結構等進行了測試。對照建筑用輕集料的性能指標要求，驗證污泥燒結料制備成細骨料用于建筑工程的可行性。

1 污泥燒結料制備細骨料的性能測試

1.1 污泥燒結料的二次加工處理

原狀污泥燒結料為大小不等的燒結塊體或散裝顆粒，大部分為細顆粒[見圖1（a）]。由于焚燒過程中污泥的受溫程度不同，燒結料含有少量未焚燒的干燥污泥細粉，采用75 μm 篩篩除。將75 μm 篩上部分再過5 mm 篩，得到粒徑為75 μm～5 mm 的初篩料。將粒徑大于5 mm 的污泥燒結料進行破碎與顆粒整形打磨處理，使其粒徑減小至5 mm 以下，再與初篩料混合。經過再次篩分后，制成符合GB/T 17431.1—2010《輕集料及其試驗方法第1 部分：輕集料》要求的級配細骨料[見圖1（b）]。

圖1 原狀污泥燒結料與加工后的細骨料

1.2 細骨料的級配與物理性能

細骨料篩分試驗結果見圖2，細度模數為2.6。根據GB/T 14684—2011《建筑用砂》和GB/T 17431.1—2010 的規定，該細骨料屬于中砂，骨料的顆粒級配符合Ⅱ區要求。按照GB/T 17431.2—2010《輕集料及其試驗方法 第2 部分：試驗方法》的規定進行細骨料主要物理性能試驗，結果見表1。該細骨料屬于密度等級900 級的輕細骨料。

圖2 細骨料的級配曲線

表1 細骨料的物理性能

1.3 細骨料的孔結構與吸水性能

本試驗采用PoreMaster 33GT 型全自動壓汞儀測試了細骨料內部孔結構組成，實測細骨料孔徑分布曲線見圖3。細骨料的孔徑范圍為3.57 nm～204.4 μm。最大峰孔徑范圍為1～10 nm，第二、三峰孔徑范圍均在10～20 nm 之間，為無害孔，孔隙率為28.46%。微害孔徑的孔隙率為6.7%左右，其余為有害孔徑。由此可見，骨料內部有害孔徑占比較大，且多分布于骨料表面，導致其具有快速吸水飽和的特點（見圖4）。細骨料的15 min 和1 h 吸水率分別為17.1%和17.4%，達到24 h 吸水率（19.5%）的87.7%和89.2%。

圖3 細骨料的孔徑分布微分曲線

圖4 細骨料的吸水率變化曲線

1.4 細骨料中有害物質含量

根據GB/T 17431.2—2010 對細骨料中的有害物質含量進行了測試，結果見表2。可見，細骨料中各種有害物質含量均符合GB/T 17431.1—2010 要求。

表2 細骨料中有害物質含量

2 細骨料的化學分析

2.1 礦物成分含量

采用EDS 能量色散X 射線能譜儀、XRD 射線衍射儀、電感耦合等離子體質譜儀等儀器對細骨料的礦物成分進行測試，結果見表3?？梢?，細骨料礦物成分以硅、鈣含量為主，用于建材骨料是合適的。

表3 污泥燒結料中主要礦物成分含量

2.2 重金屬含量

污泥成分較為復雜，含有的重金屬等物質受時間、地域、季節等外部環境的影響。本試驗采用隨機抽檢方法，抽取污水處理廠堆積的污泥燒結料樣本，按照CJ/T 221—2005《城市污水處理廠污泥檢驗方法》、HJ 702—2014《固體廢物汞、砷、硒、鉍、銻的測定微波消解/原子熒光法》和HJ 491—2009《土壤總鉻的測定火焰原子吸收分光光度法》進行測試，結果見表4。

表4 污泥燒結料中重金屬含量測試結果

由表4 可見，污泥燒結料中含有的砷、汞、鎘等重金屬及其他危害物含量均在CJ/T 289—2008《城鎮污水處理廠污泥處置制磚專用泥質》規定的限值范圍內。

同時，按照1 m3砂漿的細骨料用量1000 kg，計算砂漿的重金屬含量上限值，計算結果見表5。對比GB 5085.3—2007《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》規定的危險廢物中重金屬浸出量限值，可以說明將細骨料用于制備建筑砂漿時，砂漿的重金屬含量遠小于危險廢棄物中重金屬的浸出量限值，用于建筑材料時重金屬含量是安全的。

表5 污泥燒結料中重金屬含量 mg/L

3 放射性檢測

引起建筑材料放射性的元素主要有鐳、氡、釷、鉀。本試驗采用全自動建材放射性檢測儀對污泥燒結料的天然放射性核素鐳、釷、鉀的放射性進行測試，結果顯示，污泥燒結料的IRa、Ir分別為0.3425、0.5731，符合GB/T 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》的要求（IRa≤1.0、Ir≤1.0），材料制備及使用過程中不存在放射性問題。

4 結論

（1）采用二次破碎與篩分加工處理方法，可將污泥燒結料制備成滿足顆粒級配要求的輕細骨料。細骨料規格屬于中砂，密度等級為900 級，有害物質含量在允許范圍內。符合建筑用輕細骨料的技術性能要求。

（2）污泥燒結料的主要礦物成分為硅、鈣，細骨料內部孔隙很小、表面孔隙較大，吸水可達到快速飽和狀態。

（3）細骨料中重金屬含量和放射性指標均符合國家現行標準要求，不存在危險物浸出和放射性問題。用于建筑細骨料是安全無害的。