李軍，高桂波

（1.齊魯工業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250353；2.建研建材有限公司，北京 100020）

隨著我國(guó)制漿造紙行業(yè)的迅速發(fā)展以及造紙廢水處理率和處理深度的進(jìn)一步提高，造紙污泥產(chǎn)量急劇增加，開展造紙污泥的無害化處理與資源化利用研究愈發(fā)重要[1-2]。利用污泥作為燒制陶粒的原料，不僅解決污泥處置問題，還可取得一定的經(jīng)濟(jì)效益[3]。榮輝等[4]通過適當(dāng)添加污泥代替黏土，經(jīng)過高溫焙燒制備出性能優(yōu)異的低密度等級(jí)陶粒。陳偉等[5]以造紙污泥作為主要原料，以粉煤灰與集料尾泥為輔料，燒制出能用于建筑輕集料的陶粒，筒壓強(qiáng)度可達(dá)6.32 MPa。陶粒質(zhì)輕、多孔而又具有一定的強(qiáng)度，作為輕集料制備輕質(zhì)陶?；炷帘绕胀ㄉ笆橇细袃?yōu)勢(shì)。已有報(bào)道采用頁(yè)巖[6]、粉煤灰[7]、煤矸石[8]、尾礦[9]等燒制陶粒骨料，并制得高性能的陶?；炷?。而陶粒性能、配合比、預(yù)濕、養(yǎng)護(hù)時(shí)間等因素影響混凝土力學(xué)性能和工作性能[10-12]。以造紙污泥陶粒制備輕質(zhì)陶?；炷猎谶@些方面的相關(guān)研究還不夠。

另一方面，建筑能耗不斷升高的背景下，在建筑領(lǐng)域推廣節(jié)能技術(shù)及發(fā)展綠色節(jié)能環(huán)保墻體材料是降低能耗的主要途徑[11]。而陶?；炷辆哂袕?qiáng)度高、干密度低、導(dǎo)熱系數(shù)低、耐久性好、易施工等優(yōu)點(diǎn)[13]。蔣志平等[14]利用商品陶粒作為骨料生產(chǎn)出MU5.0級(jí)240 mm厚的三排孔陶粒混凝土輕質(zhì)自保溫砌塊，其墻體傳熱系數(shù)能夠達(dá)到0.53 W/（m2·K）。白玲[15]以再生陶?；炷翞橹髟O(shè)計(jì)了自保溫砌塊，具有良好的力學(xué)、熱工、抗凍、耐水和耐火等性能。因此，陶粒混凝土在開發(fā)符合輕質(zhì)、保溫、節(jié)能、環(huán)保等多種功能的優(yōu)質(zhì)新型墻體材料中有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

以污泥為主要原料制備輕質(zhì)陶粒并用于保溫墻體材料，既具有有機(jī)保溫材料成本低廉、自重輕的優(yōu)點(diǎn)，又具有無機(jī)材料強(qiáng)度高、不易燃的好處，而且可以實(shí)現(xiàn)污泥的資源化利用。因此，本試驗(yàn)以造紙污泥為原料制備的輕質(zhì)陶粒作為輕集料，研究造紙污泥陶?；炷恋呐浜媳燃邦A(yù)濕對(duì)陶?；炷列阅艿挠绊?，進(jìn)而開發(fā)出適宜的造紙污泥輕質(zhì)陶?；炷林苽涔に嚥⒂糜谥苽湫滦途G色自保溫墻體材料，為造紙污泥綠色建筑墻體材料的工業(yè)化應(yīng)用提供借鑒。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

造紙污泥：山東省壽光市晨鳴集團(tuán)有限公司；黏土：山東濟(jì)南；粉煤灰：I級(jí)，聊城茌平信源，燒失量1.8%；水泥：P·O42.5水泥，淄博山鋁，技術(shù)性能符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求；減水劑：聚羧酸系高性能減水劑，減水率15%～25%，固含量98%，濟(jì)南世紀(jì)華新建材有限公司；水：自來水。

1.2 造紙污泥陶粒制備

將造紙污泥、黏土、粉煤灰在105℃下干燥4 h，粉碎，過100目篩。經(jīng)過預(yù)試驗(yàn)，優(yōu)化的造紙污泥陶粒配比為：m（造紙污泥）∶m（黏土）∶m（粉煤灰）=30∶49∶21?；旌暇鶆蚝?，在盤式成球機(jī)中加入少量的粘結(jié)劑水溶液輔助造粒制成一定粒徑的生料球，室溫下干燥24 h，采用程序升溫-三段式焙燒工藝（見表1）進(jìn)行燒結(jié)。制備陶粒篩選出不同的粒級(jí)，按照GB/T 17431.2—2010《輕集料及其試驗(yàn)方法第2部分：輕集料試驗(yàn)方法》測(cè)試相關(guān)性能。

表1 造紙污泥陶粒的焙燒工藝參數(shù)

1.3 陶粒混凝土制備優(yōu)化

將制備的陶粒篩分成細(xì)集料（＜5 mm）、粗集料（5～20 mm），配合水泥、粉煤灰、水、減水劑制備陶粒混凝土。參照J(rèn)GJ/T 12—2019《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，采用松散體積法進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，通過單因素試驗(yàn)考察不同原料配比[膠凝材料用量、砂率、粉煤灰摻量（等質(zhì)量替代水泥）]及預(yù)濕對(duì)陶?；炷列阅艿挠绊憽Ｌ樟；炷猎嚰?00 mm×100 mm×100 mm非標(biāo)準(zhǔn)件。干體積密度、抗壓強(qiáng)度參照GB/T 4111—2013《混凝土砌塊和磚試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

1.4 綠色自保溫墻體砌塊的保溫性能

制備自保溫墻體砌塊：先將造紙污泥陶粒干拌1 min，加入預(yù)濕水浸泡24 h，后瀝干水分，再加入水泥、粉煤灰混合拌和1 min，加入拌合水、減水劑充分?jǐn)嚢? min形成混合物，置于模具中振動(dòng)成型，終凝前進(jìn)行二次抹面，12 h后脫模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d。自保溫墻體砌塊尺寸390 mm×240 mm×190 mm，交錯(cuò)三排矩形孔塊型，見圖1。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d后參照GB/T 4111—2013對(duì)其主要物理性能進(jìn)行測(cè)試分析，參照蔣志平等[14]的方法將自保溫砌塊砌成墻體，按照GB/T 13475—2008《絕熱 穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測(cè)定 標(biāo)定和防護(hù)熱箱法》測(cè)試傳熱系數(shù)。

圖1 自保溫墻體砌塊示意

2 結(jié)果與分析

2.1 造紙污泥陶粒的性能（見表2）

表2 造紙污泥陶粒的性能

從表2可以看出：隨著粒徑增大，陶粒間空隙增大，密度和筒壓強(qiáng)度都呈減小趨勢(shì)。粒徑＜5 mm的陶?？蛇_(dá)到700密度等級(jí)要求，筒壓強(qiáng)度均＞3 MPa，而吸水率差異不大。粒徑5～10 mm、10～16 mm的陶粒達(dá)到600密度等級(jí)要求，粒徑16～20 mm的陶粒密度等級(jí)為500，筒壓強(qiáng)度均＞2 MPa。不同粒徑陶粒形成連續(xù)級(jí)配，有助于減小陶粒間空隙，一方面可降低混凝土體系的膠凝材料用量，另一方面可減少混凝土的收縮。按m（＜1 mm陶粒）∶m（1～3 mm陶粒）∶m（3～5 mm陶粒）=5∶4∶1混合作為細(xì)集料，按m（5～10 mm陶粒）∶m（10～16 mm陶粒）∶m（16～20 mm陶粒）=2∶5∶3混合作為粗集料。細(xì)集料和粗集料的性能見表3，堆積密度、筒壓強(qiáng)度、吸水率及細(xì)度模數(shù)均符合GB/T 17431.1—2010《輕集料及其試驗(yàn)方法 第1部分：輕集料》的要求。

表3 陶粒輕集料的性能

2.2 造紙污泥陶?；炷林苽鋬?yōu)化

2.2.1 膠凝材料用量

以P·O42.5水泥和粉煤灰為膠凝材料（粉煤灰摻量20%），保持體積砂率53%不變，膠凝材料用量對(duì)陶粒混凝土強(qiáng)度和密度的影響見表4。

表4 膠凝材料用量對(duì)陶粒混凝土性能的影響

從表4可以看出：當(dāng)膠凝材料用量＜300 kg/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度和干表觀密度均較小。隨著膠凝材料用量的增加，填充陶粒骨料的孔隙，因而混凝土的干表觀密度增大，抗壓強(qiáng)度也提高。作為輕質(zhì)墻體材料使用，應(yīng)具備低密度、高強(qiáng)度的要求。從膠凝材料用量這一因素，膠凝材料的總量較小時(shí)，混凝土的和易性差而使抗壓強(qiáng)度低；膠凝材料用量較大時(shí)，混凝土的干表觀密度增大，很難達(dá)到經(jīng)濟(jì)性。選擇膠凝材料用量為330 kg/m3時(shí)為最優(yōu)。

2.2.2 砂率

由污泥陶粒性能結(jié)果可知，細(xì)集料（＜5 mm）的堆積密度和筒壓強(qiáng)度均大于粗集料（＜5 mm），保持膠凝材料用量為330 kg/m3（粉煤灰摻量20%），砂率對(duì)陶?；炷翉?qiáng)度和密度的影響如表5所示。

表5 砂率對(duì)陶?；炷列阅艿挠绊?/p>

從表5可以看出：隨著砂率增大，強(qiáng)度相對(duì)低的粗集料占比減少，減弱了混凝土體系中的強(qiáng)度薄弱點(diǎn)。并且骨料級(jí)配的調(diào)整，促進(jìn)了膠凝材料與骨料的包裹，當(dāng)砂率為53%時(shí)，強(qiáng)度最高；當(dāng)砂率增大到56%時(shí)，由于細(xì)集料吸水率更大，容易從膠凝材料吸收水分而使其流動(dòng)性變差，引起強(qiáng)度降低。而陶?；炷恋母杀碛^密度隨砂率的增加而增大。從輕質(zhì)墻體材料角度，砂率小，密度低，但混凝土的和易性及強(qiáng)度較差，綜合考慮以砂率53%為最佳配比。

2.2.3 粉煤灰摻量

保持陶粒混凝土的膠凝材料用量為330 kg/m3和砂率為53%，粉煤灰摻量對(duì)陶?；炷翉?qiáng)度和密度的影響如表6所示。

表6 粉煤灰摻量對(duì)陶?；炷列阅艿挠绊?/p>

從表6可以看出：隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度先提高后降低，在摻量為15%時(shí)，7、28 d抗壓強(qiáng)度均最高。粉煤灰顆粒較水泥小，優(yōu)化膠凝材料級(jí)配，填補(bǔ)水泥間的空隙，并且其特有的“火山灰效應(yīng)”使得水化后的基體更加緊密。但粉煤灰摻量過大時(shí)，體系中水泥水化凝膠減少，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。而粉煤灰摻量的增加有助于減小陶?；炷恋谋碛^密度。將粉煤灰摻加到陶?；炷林?，調(diào)整了膠凝材料的級(jí)配，減小了混凝土的密度，同時(shí)又能部分取代水泥可以達(dá)到較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。綜合考慮，陶?；炷林蟹勖夯易顑?yōu)摻量為20%。

2.3 預(yù)濕對(duì)陶?；炷列阅艿挠绊?/h3>

陶粒作為多孔骨料，其吸水性影響陶粒與水泥漿體的結(jié)合，進(jìn)而影響混凝土性能。在膠凝材料用量為330 kg/m3、粉煤灰摻量為20%、砂率為53%條件下，考察陶粒預(yù)濕對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果如表7所示。

表7 預(yù)濕處理配合比及對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由表7可以看出：養(yǎng)護(hù)齡期為7 d，各處理對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響不大。但隨著養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)，陶粒浸泡24 h處理后制備的混凝土養(yǎng)護(hù)28、56 d的抗壓強(qiáng)度均明顯優(yōu)于其他2種處理方式。在實(shí)際施工中，干燥或未飽和陶粒的吸水效應(yīng)，從攪拌后到施工過程中從膠凝材料中大量“奪水”，導(dǎo)致混凝土坍落度損失快，無法滿足施工要求。而飽和陶粒雖然在短期內(nèi)增大了陶粒和膠凝材料連接面的局部水灰比，但根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來看，未降低陶粒與膠凝材料的粘結(jié)；而隨著養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)，預(yù)濕陶粒的返水作用有效的補(bǔ)償了混凝土后期內(nèi)部濕度，使得界面區(qū)域水化程度高，結(jié)構(gòu)密實(shí)，粘結(jié)力增大，因而28、56 d的抗壓強(qiáng)度明顯提高，有利于混凝土整體的耐久性。因此，預(yù)濕處理后的陶粒配制混凝土能更好滿足施工要求。

2.4 綠色自保溫墻體砌塊的性能

按m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（細(xì)集料）∶m（粗集料）∶m（預(yù)濕水）∶m（拌合水）∶m（減水劑）=264∶66∶493∶431∶107∶103∶8.25，造紙污泥陶粒預(yù)濕24 h飽水后制備輕質(zhì)陶粒混凝土，造紙污泥陶粒混凝土自保溫墻體砌塊的性能見表8。

表8 自保溫墻體砌塊性能

由表8可見，造紙污泥陶?；炷磷员貕w砌塊的抗壓強(qiáng)度平均值為5.8 MPa，干密度為1020 kg/m3，吸水率14.2%，符合GB/T 15229—2011《輕集料混凝土小型空心砌塊》的要求。砌塊的傳熱系數(shù)為0.39 W/（m2·K），滿足JGJ 26—2018《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求。因此，作為建筑的輕質(zhì)自保溫外墻材料使用具有較好的前景。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）按m（造紙污泥）∶m（黏土）∶m（粉煤灰）=30∶49∶21燒制陶粒，形成一定級(jí)配的細(xì)集料（0～5 mm）、粗集料（5～20 mm），其堆積密度、筒壓強(qiáng)度、吸水率及細(xì)度模數(shù)均符合GB/T 17431.1—2010的要求。

（2）造紙污泥陶粒作為骨料制備陶?；炷恋呐浔葹椋核?64 kg/m3，粉煤灰66 kg/m3，陶粒細(xì)集料493 kg/m3，陶粒粗集料431 kg/m3，預(yù)濕水107 kg/m3，拌合水103 kg/m3，減水劑8.25 kg/m3，造紙污泥陶粒預(yù)濕24 h飽水后制備的輕質(zhì)陶?；炷量箟簭?qiáng)度更優(yōu)。

（3）以造紙污泥陶?；炷林苽湟欢ǔ叽绲淖员貕w砌塊，抗壓強(qiáng)度平均值為5.8 MPa，干密度為1020 kg/m3，符合GB/T 15229—2011的要求。傳熱系數(shù)0.39 W/（m2·K），符合JGJ 26—2018的要求。具有作為建筑輕質(zhì)自保溫外墻材料使用前景。