楊俊杰，郭春霞，謝 靜，劉德杰，袁志輝，趙 威

（河南省固體廢物和化學(xué)品技術(shù)管理中心，河南 鄭州 450003）

蒸壓加氣混凝土以其優(yōu)良的保溫隔熱和環(huán)保特性越來(lái)越受到人們的關(guān)注，由于處置廢物嚴(yán)格的環(huán)境要求，使用工業(yè)副產(chǎn)物制備蒸壓加氣混凝土已經(jīng)獲得了廣泛的關(guān)注。有研究報(bào)道，一些廢物可作為硅質(zhì)材料，如粉煤灰、廢玻璃、污泥、焚燒底灰和金屬尾礦[9?12]。其中粉煤灰作為蒸壓加氣混凝土最常見(jiàn)的硅質(zhì)材料之一[13，14]，近幾年隨著“雙碳”戰(zhàn)略的推行，其產(chǎn)量受到了限制，一定程度上制約了蒸壓加氣混凝土的發(fā)展。高溫氣化后的污泥渣中含有一定量的SiO2、Al2O3等，這些化學(xué)成分與粉煤灰接近，但含量較低。在以往的研究中，污泥主要以部分原材料的形式制備建筑材料[5,15?16]，尚未見(jiàn)到利用污泥氣化渣制備加氣混凝土的相關(guān)研究報(bào)道。因此，結(jié)合污泥氣化渣成分及含量情況，可進(jìn)行污泥氣化渣部分替代粉煤灰制備蒸壓加氣混凝土實(shí)驗(yàn)研究，探究其性能及影響參數(shù)，為污泥氣化渣再利用和蒸壓加氣混凝土的制備提供參考，以期解決污泥氣化渣規(guī)?；幹脝?wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)廢物的綜合利用。

1 材料與方法

1.1 材料

（1）水泥 水泥采用P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，初凝時(shí)間190 min，終凝時(shí)間300 min，篩余量為1.25%（0.075 mm 篩）。

（2）石灰 石灰為市售中速生石灰，將其粉碎研磨，測(cè)得篩余量為12.0%（0.075 mm 篩），消解時(shí)間為17 min，消解溫度為82 ℃，有效鈣含量為78.20%，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《硅酸鹽建筑制品用生石灰：JC/T 621—2009》的規(guī)定要求。

（3）石膏 石膏為電廠脫硫石膏，含水率為11.2%，有效成分CaSO4含量為92%。

（4）鋁粉膏 鋁粉膏為市售產(chǎn)品，固體含量為66%，細(xì)度為4.5%，發(fā)氣時(shí)間為16 min。

（5）粉煤灰 燒失量2.61%，篩余量為15.0%（0.075 mm 篩），主要化學(xué)組成，見(jiàn)表1。

表1 粉煤灰、污泥氣化渣的化學(xué)組成 %

（6）污泥氣化渣 本實(shí)驗(yàn)采用的污泥氣化渣來(lái)自某公司，自然干燥后經(jīng)球磨機(jī)球磨，并通過(guò)0.075 mm負(fù)壓篩分測(cè)試，篩余量為15.5%，具體成分，見(jiàn)表1，處理后的污泥氣化渣表面形態(tài)，見(jiàn)圖1。

圖1 粉狀污泥氣化渣SEM 分析

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 材料合成方法 將污泥氣化渣進(jìn)行自然晾曬、敲碎、球磨和過(guò)篩處理。原料配合過(guò)程中分別對(duì)水泥、石灰、石膏、鋁粉膏、污泥氣化渣粉、粉煤灰和水進(jìn)行稱量；先將稱量好的水倒入攪拌器中，再將各原材料加入到水中，并進(jìn)行攪拌；隨后，加入鋁粉膏，快速攪拌90 s 后澆筑在模具中，坯體養(yǎng)護(hù)至一定強(qiáng)度后進(jìn)行脫模，然后進(jìn)行蒸壓養(yǎng)護(hù)，1.15 MPa飽和水蒸汽蒸養(yǎng)6 h，冷卻降溫，形成成品砌塊，原料配合比，見(jiàn)表2。

1.調(diào)查總括。采用自編問(wèn)卷《戒毒人員回歸社會(huì)生活狀況調(diào)查》對(duì)“多進(jìn)宮”男性戒毒人員后續(xù)照管情況進(jìn)行了解，將操守期作為此次調(diào)查的重要變量。（操守期指前一次強(qiáng)制隔離戒毒結(jié)束與本次強(qiáng)制隔離戒毒開(kāi)始的時(shí)間間隔）。問(wèn)卷內(nèi)容包括個(gè)人基本情況、入所前生活情況及解戒后生活情況三部分，除個(gè)人基本情況外有33道客觀題。收集數(shù)據(jù)后，采用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。同時(shí)對(duì)48名戒毒人員后續(xù)照管情況進(jìn)行了訪談。

表2 原料配合比 %

1.2.2 測(cè)試方法 （1）干密度和抗壓強(qiáng)度測(cè)試方法依據(jù)《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法：GB/T 11969—2020》進(jìn)行測(cè)試。

（2）干燥收縮值和抗凍性實(shí)驗(yàn)方法 依據(jù)《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法: GB/T 11969—2020》進(jìn)行測(cè)試。其中，經(jīng)過(guò)干燥、浸水、冷凍和融化等過(guò)程完成1 次凍融試驗(yàn)，通過(guò)15 次凍融循環(huán)后檢查試樣的強(qiáng)度和質(zhì)量損失率。

（3）SEM 測(cè)試 利用德國(guó)蔡司公司Sigma300場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)試塊微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。取混凝土試塊進(jìn)行破碎，將小塊樣品進(jìn)行干燥處理，隨后置于載物臺(tái)上，用洗耳球?qū)堄嗟膹U渣進(jìn)行清除，最后對(duì)樣品進(jìn)行噴金處理后進(jìn)行測(cè)試。

（4）重金屬浸出實(shí)驗(yàn) 參照《固體廢物浸出毒性浸出方法水平振蕩法：HJ 557—2010》中的方法進(jìn)行測(cè)試，具體步驟為將試塊進(jìn)行破碎、研磨，再通過(guò)篩網(wǎng)（孔徑為9.5 mm）；稱取20 g 樣品，置于1 000 mL 的錐形瓶中，以醋酸溶液和純水作為浸提劑，固液比為10:1，向1 000 mL 錐形瓶中加入浸提劑；用保鮮膜進(jìn)行封口，固定放置在水平振蕩器中，設(shè)定溫度為25 ℃，振蕩頻率為（110±10）次/min，振蕩（18±2）h，經(jīng)過(guò)孔徑為0.45 μm 的濾膜過(guò)進(jìn)行濾取樣，最后通過(guò)電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定Pb、Zn 和Cr 的質(zhì)量濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同摻量對(duì)產(chǎn)品絕干密度和抗壓強(qiáng)度的影響

不同摻量的污泥氣化渣對(duì)蒸壓加氣混凝土干密度和抗壓強(qiáng)度的影響，見(jiàn)圖2。隨著污泥氣化渣摻量的增加，混凝土的絕干密度先減少后增加，當(dāng)污泥氣化渣的摻量為65%時(shí)，此時(shí)混凝土制品的絕干密度為569 kg/m3，抗壓強(qiáng)度為3.72 MPa，符合《蒸壓加氣混凝土砌塊：GB/T 11968—2020》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的A3.5、B06 的合格產(chǎn)品。污泥氣化渣摻量在35%～65%時(shí)，蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓強(qiáng)度略有降低，但隨著污泥氣化渣摻量的進(jìn)一步增加，試塊的抗壓強(qiáng)度快速降低。結(jié)果表明污泥氣化渣的高摻量不利于抗壓強(qiáng)度的提升。RUDCHENKO et al[17]利用高爐礦渣制備蒸壓加氣混凝土，隨著高爐渣摻量增加，抗壓強(qiáng)度也出現(xiàn)了快速的下降。

圖2 污泥氣化渣摻量對(duì)絕干密度和抗壓強(qiáng)度的影響

2.2 不同摻量對(duì)產(chǎn)品干燥收縮值的影響

不同摻量的污泥氣化渣對(duì)蒸壓加氣混凝土干燥收縮值的影響，見(jiàn)表3。

表3 污泥氣化渣摻量對(duì)試樣干燥收縮值的影響

表3 可知，制備的所有蒸壓加氣混凝土干燥收縮值均滿足國(guó)標(biāo)《蒸壓加氣混凝土砌塊：GB/T 11968—2020》要求。當(dāng)污泥氣化渣摻量為65%時(shí)，試樣的干燥收縮值較小。干燥收縮是由材料中結(jié)晶水的損失引起的，由于污泥氣化渣的高摻量影響了結(jié)晶水的形成，從而導(dǎo)致了高摻量下干燥收縮值升高。此外，養(yǎng)護(hù)的時(shí)間和方法、壓力、二氧化硅的細(xì)度、樣品尺寸和形狀、儲(chǔ)存時(shí)間和氣候都會(huì)影響試樣的干燥收縮。

2.3 不同摻量對(duì)產(chǎn)品凍融循環(huán)后強(qiáng)度和質(zhì)量損失率的影響

不同摻量的污泥氣化渣經(jīng)過(guò)15 次凍融循環(huán)后強(qiáng)度和質(zhì)量損失率，見(jiàn)表4。

表4 試樣凍融循環(huán)后強(qiáng)度和質(zhì)量損失率的變化

污泥氣化渣的加入，蒸壓加氣混凝土的質(zhì)量損失率不超過(guò)3%。低摻量的污泥氣化渣經(jīng)15 次凍融后的抗壓強(qiáng)度仍滿足國(guó)標(biāo)《蒸壓加氣混凝土砌塊：GB/T 11968—2020》要求。但當(dāng)污泥氣化渣摻量為75% 和85% 時(shí)，凍后的抗壓強(qiáng)度性能較差。試樣抗凍融性在很大程度上受凝膠結(jié)構(gòu)、干密度和濕度的控制，文獻(xiàn)[18] 報(bào)道如果初始水分含量＜16%，干密度在500～600 kg/m3范圍內(nèi)，就會(huì)表現(xiàn)出良好的抗凍融能力。而對(duì)于毛細(xì)水飽和的情況下，經(jīng)50 次凍融循環(huán)質(zhì)量損失和抗壓強(qiáng)度損失分別增加至1.5%和16.6%[19]。高摻量的污泥氣化渣影響了蒸汽加壓混凝土的濕度，從而導(dǎo)致了質(zhì)量損失和抗壓強(qiáng)度損失的增加。

2.4 SEM 掃描電鏡圖分析

樣品4#和6#的掃描電鏡圖，見(jiàn)圖3。

圖3 樣品4#和6#的掃描電鏡圖

體系中有結(jié)晶度差的C-S-H 凝膠和大量結(jié)晶度較好的針棒狀、葉片狀托貝莫來(lái)石。片狀托貝莫來(lái)石通過(guò)在C-S-H 凝膠上相互交叉和重疊而形成，C-S-H 凝膠單元通過(guò)托貝莫來(lái)石晶體形成的骨架結(jié)合，形成了良好的網(wǎng)絡(luò)狀框架，這是試樣具有良好強(qiáng)度的關(guān)鍵[20]。同時(shí)，相互連通和空腔的微觀結(jié)構(gòu)使得蒸壓加氣混凝土砌塊具有更高的抗壓強(qiáng)度和良好的隔熱保溫性能。樣品6 出現(xiàn)了較多不規(guī)則疏松的孔結(jié)構(gòu)。程娟等[21]研究可知，主要是由于污泥氣化渣含有一定的有機(jī)雜質(zhì)，在蒸壓過(guò)程中產(chǎn)生了大量不規(guī)則的孔洞，這也解釋了污泥氣化渣大摻量下強(qiáng)度較低、15 次凍融循環(huán)后穩(wěn)定性差的原因。

2.5 重金屬浸出實(shí)驗(yàn)

以污泥氣化渣為原料的蒸壓加氣混凝土Pb、Zn 和Cr 浸出質(zhì)量濃度，見(jiàn)表5。Pb 浸出濃度為0.25 mg/L，Zn 浸出濃度為0.22 mg/L，Cr 浸出量較少，低于檢出限，3 個(gè)濃度均低于《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別: GB 5085.3—2007》中的限值。這與之前利用污水處理廠污泥制備蒸壓加氣混凝土中重金屬的浸出結(jié)果一致[10]。這主要是因?yàn)樵囼?yàn)中所用的污泥為生活污水處理廠污泥，重金屬含量較低。另外，在混凝土養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，水泥的水化凝固作用對(duì)污泥中的重金屬也有一定的固化作用，有效的防止了污泥中有害元素浸出而對(duì)環(huán)境不利。

表5 以污泥氣化渣為原料的蒸壓加氣混凝土重金屬浸出質(zhì)量濃度 mg·L?1

3 結(jié)論

（1）污泥氣化渣經(jīng)過(guò)處理后制備蒸壓加氣混凝土具有可行性，摻量為65%時(shí)，制品的絕干密度為569 kg/m3，抗壓強(qiáng)度為3.72 MPa，符合《蒸壓加氣混凝土砌塊：GB/T 11968—2020》規(guī)定的A3.5、B06的合格產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

（2）污泥氣化渣的加入，蒸壓加氣混凝土干燥收縮值、凍融和重金屬浸出等數(shù)據(jù)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）SEM 可知體系中有大量的針棒狀和少量的片狀托貝莫來(lái)石晶體，保證了蒸壓加氣混凝土具有良好強(qiáng)度。在摻量為85%時(shí)，制品內(nèi)部產(chǎn)生了大量不規(guī)則的孔洞，這也解釋了該條件下制品強(qiáng)度較低、凍融循環(huán)穩(wěn)定性差的原因。