摻管溝污泥水泥混凝土的物理力學性能研究

2009-11-16 00:00

　　摘要：研究了以管溝污泥等量替代天然細集料制備水泥混凝土的技術(shù)。結(jié)果表明，在混凝土中摻加一定量的管溝污泥可以配制出強度為40MPa以上的混凝土，同時其28d強度可高于同配合比的基準混凝土。此外，隨污泥摻量的增加，混凝土坍落度會降低，凝結(jié)時間會延長。測試摻污泥的水泥混凝土固結(jié)體中重金屬溶出量表明其可滿足國家標準的要求，無二次污染。

　　0 前言

　　管溝污泥是污水從用戶流人污水廠的排水管道中的淤積物，它含有大量的砂石，也含有大量的微生物、有機質(zhì)及氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)，同時又具有含水量高、易腐爛、有惡臭等特點，還有超標的重金屬、病原微生物等。目前上海9個中心城區(qū)全年產(chǎn)生的管溝污泥約1萬t(干基)。過去，管溝污泥是利用蘇州河、黃浦江通過船舶外運，由于蘇州河綜合治理的要求和世博會即將召開，沿河污泥碼頭將逐步拆除，這將直接影響到管溝污泥的出路問題。如果任意排放不加處理，不僅將對環(huán)境造成污染，危害人類健康，同時又是對資源的嚴重浪費。因此如何對其安全利用已成為關(guān)注的重點課題1)。

　　城市污泥的最佳出路是無害化處理、資源化利用、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。本文以上海市管溝污泥為處置對象，在進行脫水、烘干、破碎、去除大顆粒雜質(zhì)等預(yù)處理后，作為細集料用于水泥混凝土中，通過測試其抗壓、抗折強度來考察其物理力學性能。此外，采用國家標準GB5085．3-1996《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》及美國EPA毒性浸出實驗(TCLP)，評價了重金屬在水泥固化體中的浸出特性，從而考察污泥中的重金屬離子是否得到有效的束縛和穩(wěn)定固化。

　　1 實驗原材料及實驗方法

　　1.1 實驗原材料

　　水泥海螺牌P．042．5水泥，其化學成分及物理力學性能見表1。

表1 水泥的化學組成及物理力學性能

化學組成／％

凝結(jié)時間

／min

強度／MPa

SiO₂

Al₂O₃

Fe₂O₃

CaO

MgO

SO₂

Loss

初凝

終凝

抗壓

抗折

28d

21．4

5．8

2．5

61．8

1．6

3．8

1．62

145

39．1

52．2

7．2

8．7

　　活性摻合料磨細礦渣，比表面積450m²/kg；磨細鋼渣微粉，比表面積500m²/kg；沸石，細度為300目；Ⅱ級粉煤灰。各類活性摻合料的化學成分見表2和表3。

表2 礦渣、鋼渣和粉煤灰的化學成分％

摻合料品種	SiO₂	CaO	Al₂O₃	Fe₂O₃	TiO	MgO	SO₃	Loss
礦渣	32．3	39．0	14．3	0．2	0．5	7．7	1．0	1．89
鋼渣	14．7	45．0	3．47	21．0	1．0	9．0	0．4	1．65
粉煤灰	54．1	2．9	31．9	3．0	1．2	0．7	0．5	3．76

表3 沸石的化學成分％

SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃ CaO MgO KgO Na₂O TiO₂ P₂O₅ H₂O⁺ H₂O^- Loss

68.42 12.10 0.75 4.68 0.05 0.90 1.29 0.08 0.0l 11.33 4.53 11.68

　　集料細集料采用細度模數(shù)為2．4的中砂；粗集料采用粒徑為5~38mm的石灰石碎石。

管溝污泥來自上海市排水系統(tǒng)管溝污泥集中堆場。

　　1.2實驗方法

　　(1)凝結(jié)時間及需水量測定按國家有關(guān)標準進行。

　　(2)混凝土強度試驗按照GB／T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法》進行。

　　(3)混凝土坍落度試驗按照GB／T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法》進行。

　　(4)采用國家標準《固體廢物浸出毒性浸出方法：水平振蕩法》(GB 5086．2-1997)^[2]檢測水泥固結(jié)體的重金屬浸出毒性。[Page]

　　(5)參考美國EPASW-846(TCLP)[3]毒性浸出實驗方法測試水泥固結(jié)體重金屬最大浸出毒性。

　　(6)混凝土氯離子滲透試驗按照ASTMl202。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 管溝污泥對水泥凝結(jié)時間與需水量的影響

　　表4是管溝污泥對水泥凝結(jié)時間與需水量的影響情況。

　　由表中結(jié)果可見，在水泥中摻加污泥，隨著污泥摻量的增加漿體的需水量增加，凝結(jié)時間延長。污泥對水泥漿體的安定性無明顯影響。

表4 污泥對水泥凝結(jié)時間與需水量的影響

編號	污泥含量／%	稠度／mm	加水量／g	初凝／min	終凝／min	安定性
0 0 26．50 100 144 314 合格 1 10 27．25 103 193 348 合格 2 20 26．25 104 219 354 合格 3 30 26．00 105 240 383 合格 4 40 27．50 106 271 438 合格

　　污泥吸水率大是水泥漿體在摻加污泥后需水量大的主要原因，同時由于污泥基本沒有水硬活性，從而使?jié){體中的膠凝材料相對減少，所以漿體的凝結(jié)時間延長。

　　2.2 管溝污泥對水泥砂漿力學性能的影響

　　由前述結(jié)果可知，在水泥漿體中摻加一定量污泥后會影響其物理力學性能。為更合理利用管溝污泥，可在混凝土中加入一些活性摻合料，使得水泥混凝土性能滿足強度、耐久性、和易性等技術(shù)要求，并盡量節(jié)約水泥，以降低工程造價。影響摻污泥水泥砂漿性能的主要因素是各摻合料的用量、水灰比、污泥摻量等。試驗研究中選定摻合料種類和數(shù)量、污泥摻量為正交試驗設(shè)計的因素，各取3種水平，表5是因素水平表。初步設(shè)計粉煤灰、鋼渣、礦渣、沸石分別為水泥用量的10％～30％、5％～15％、20％、5％，污泥為集料用量20％～40％，由此得到正交表L9(3³)來觀察各因素影響情況。表6是摻污泥水泥砂漿的正交表及實驗結(jié)果，表7為極差計算值。

表5 因素水平表

水平	因素
	A：粉煤灰／%	B：鋼渣／%	C：污泥／%
1 10 5 20 2 20 10 30 3 30 15 40

表6 水泥砂漿正交試驗表及試驗結(jié)果

編號	因素			減水劑	7d抗折強度／MPa	7d抗壓強度／MPa	28d抗折強度／MPa	28d抗壓強度／MPa
	A	B	C
M1 1 1 1 2 5．8 29．4 8．5 47．5 M2 1 2 2 4 5．0 23．8 6．7 35．6 M3 1 3 3 6 3．8 18．1 6．4 34．4 M4 2 1 2 4 4．9 23．8 7．5 41．3 M5 2 2 3 6 4．3 23．8 6．7 35．6 M6 2 3 1 2 5．0 24．4 7．4 37．5 M7 3 1 3 6 4．4 21．9 6．8 31．9 M8 3 2 1 2 4．3 22．9 7．1 36．9 M9 3 3 2 4 3．2 17．5 5．9 29．1

表7 極差分析表

編號	7d抗壓／抗折強度			28d抗壓／抗折強度
編號	A	B	C	A	B	C
K1 71.3／14.6 75.1／15.1 76.7／15.1 117.5／21.6 120.7／22.8 121.9／23.0 K2 72.0／14.2 70.5／13.6 65.1／13.1 114.4／21. 6 108.1／20.5 106.0／20.1 K3 62.3／11.9 60.0／12.0 63.8／12.5 97.7／19.8 101.0／19.7 101.9／19.9 R 3.2／0.9 5.0／1.0 4.3／0.9 6.5／0.6 6.6／1.0 6.7／1.0

　　運用極差分析因素對結(jié)果的影響順序：7d抗折強度為B→A→C，7d抗壓強度為B→C→A，28d抗折強度為B→C→A，28d抗壓強度為B→C→A。初步確定能影響混凝土性能的關(guān)鍵因素為鋼渣及污泥摻量，為設(shè)計混凝土最佳配合比提供了基礎(chǔ)。

　　2.3 管溝污泥對水泥混凝土力學性能的影響

表8中列出了基準混凝土和各污泥摻量下水泥混凝土的抗壓強度實驗結(jié)果。表9是管溝污泥對摻活性摻合料混凝土強度的影響。

表8 管溝污泥對混凝土抗壓強度的影響

編號	混凝土材料用量/(kg/m³)						坍落度 /mm	抗壓強度/MPa
編號	水泥	砂	碎石	水	污泥	減水劑	坍落度 /mm	7d	28d
N20 300 819 1131 150 0 24 150 28．4 41．2 N21 300 737 1131 150 82 24 105 27．2 40．2 N22 300 655 1131 150 164 24 20 31．3 43．6 N23 300 573 1131 150 246 24 0 29．3 46．3

表9 管溝污泥對摻活性摻合料混凝土強度的影響

編

號

混凝土材料用量／(kg／m³)

坍落度／mm

抗壓強度／MPa

水泥

粉煤灰

礦渣

鋼渣

沸石

砂

污泥

碎石

水

28d

P1 135 45 90 15 15 737 82 1131 150 130 28．7 45．5

P2 120 45 90 30 15 737 82 1131 150 140 20．1 33．6

P3 105 45 90 45 15 737 82 1131 150 135 19．9 33．4

P4 135 45 90 15 15 655 164 1131 150 35 27．6 43．5

P5 120 45 90 30 15 655 164 1131 150 30 19．4 39．1

P6 105 45 90 45 15 655 164 1131 150 30 23．8 40．9

P7 135 45 90 15 15 573 246 1131 150 0 24．2 29．2

P8 120 45 90 30 15 573 246 1131 150 0 18．8 32．7

P9 105 45 90 45 15 573 246 1131 150 0 20．5 37．9

　　從表中結(jié)果可以看出，隨著污泥摻量增加混凝土坍落度有明顯的降低；不同摻量的污泥對混凝土抗壓強度影響各不相同，隨著污泥摻量的增加先降低后提高。這是由于污泥摻人有兩個作用，其一是污泥的吸水率比天然砂大，從而使實際水灰比減小，使混凝土強度提高；另一方面污泥中含泥量大于天然砂，從而使混凝土強度下降。當正效應(yīng)大于負效應(yīng)時，宏觀上表現(xiàn)出混凝土強度提高。[Page]

　　由實驗結(jié)果可知，水泥用量僅為105kg／m3，污泥用量為用砂量的20％，同時采用活性摻合料替代部分水泥時可以配制出抗壓強度為40Mh的混凝土；且當污泥用量為用砂量的20％時，鋼渣摻量對混凝土強度影響不大。此外在摻污泥水泥混凝土中摻一定量活性摻和料可以改善混凝土的工作性能。

　　2.4 摻污泥水泥混凝土固結(jié)體安全性研究

　　管溝污泥原始重金屬浸出毒性測定值見表10。由表可知，上海排水系統(tǒng)的污泥中Cd，Cr，Zn，Pb的浸出量均超過國家允許的最高值。根據(jù)我國《危險廢物鑒別標準滬，排水系統(tǒng)污泥屬于危險廢物。因此，管溝污泥的重金屬污染特性不容忽視，在固結(jié)處理時，不能單純用力學性能來衡量。

表10 原始管溝污泥重金屬浸出毒性

編號	試驗項目 (干燥狀態(tài))	試驗結(jié)果／(mg／kg)	國標允許值／(mg／kg)
1 Zn 1．611×l0³ 50 2 Cr 15．2 10 3 Cd 1．74 0．3 4 Pb 43．9 3

　　由實驗結(jié)果可以看出，養(yǎng)護7d和28d后的固結(jié)體在純水和酸性條件下重金屬浸出量均小于國家排放標準，因此摻污泥混凝土在工程中應(yīng)用是安全可靠的。

　　3 結(jié)論

　　(1)在混凝土中摻加一定量的管溝污泥可以配制出抗壓強度為40MPa的混凝土，這種混凝土隨污泥用量增加。其坍落度會降低，凝結(jié)時間會延長。

　　(2)在摻適量污泥的條件下，混凝土28d強度比同配合比基準混凝土略高。

　　(3)根據(jù)我國危險廢物浸出毒性鑒別標準，上海排水系統(tǒng)管溝污泥的重金屬Cd，Cr，Zn，Pb的浸出質(zhì)量濃度均超過最高允許值，屬于危險廢物。但用于混凝土中，由于水泥的固結(jié)作用，可使固結(jié)體重金屬浸出率小于國家標準，而且隨時間的延長，重金屬浸出趨勢變小。

原作者：孫家瑛喬燕鄭德康

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