李國旺，陳勝強，3，周祎，劉永川，李燦然，李文鋒

（1.河南建筑材料研究設計院有限責任公司，河南 鄭州450002；2.河南省科學院同位素研究所有限責任公司，河南 鄭州450015；3.河南省科學院質量檢驗與分析測試研究中心，河南 鄭州450002）

0 引言

近年來，城市污泥產量迅速增加，據估算2020年底我國城市污泥產量已達到6000萬～9000萬t[1]。污泥是污水處理后的產物，大多含有重金屬，對土壤污染問題越發(fā)突出，如何合理妥善地處置污泥成為社會和行業(yè)的焦點問題[2]。我國城市污泥處置方式主要為填埋、棄置、焚燒和資源化利用。其中變廢為寶，資源化利用是當今研究的熱點，但現階段資源化利用率不足10%[3－4]。已有研究表明，污泥替代部分黏土和頁巖制備燒結磚或者陶粒，不僅可以減少黏土的使用，而且可以有效地固定污泥中的重金屬，具有重要的應用價值[5－6]。俞泠智等[7]以城市污泥、黏土為原料制備燒結磚，發(fā)現燒結溫度控制在950～1000℃時強度最佳。黃秉章等[8]研究表明，城市污泥摻量為20%，燒結溫度為1050℃，保溫時間為11 h時，污泥頁巖燒結磚抗壓強度達到13.8 MPa，吸水率為6.9%。劉峰等[9]以污泥和建筑廢棄物為原料，得到污泥最佳摻量為9%，最佳沖頭壓強為16 MPa，最佳燒結溫度為1050℃左右時，制備的多孔燒結磚平均抗壓強度大于11.2 MPa。黃榜彪等[10]研究得出，污泥摻量不大于20%時，制備的污泥燒結頁巖多孔磚軟化系數可達0.85以上。Munir M J等[11]以大理石工業(yè)污泥和黏土為原料，通過對比不同摻量研究結果表明，隨著污泥摻量的增加燒結保溫磚抗壓強度、熱導率逐漸下降，吸水率逐漸上升，摻量為15%時，燒結保溫磚的抗壓強度滿足使用要求。羅立群等[12]利用鐵尾礦、煤矸石、污泥和頁巖按照配比為54∶30∶6∶10在1100℃燒結出滿足強度要求的MU15復合燒結磚。黃榜彪等[13]對污泥燒結頁巖多孔磚砌體的本構關系進行研究，提出了砌體本構關系表達式，可用于有限元軟件模擬，并得出污泥燒結頁巖多孔磚砌體結構符合國家標準要求，且安全系數較高。已有研究注重燒結條件與宏觀性能研究，對燒結過程中的礦物組成與微觀結構對宏觀性能的研究不足。

本文以干污泥、黏土、粉煤灰為主要原料，研究城市污泥摻量對燒結磚性能的影響規(guī)律，通過TG、XRD和SEM方法對污泥燒結磚（以下簡稱燒結磚）礦物組成和微觀結構進行表征，分析了污泥摻量對燒結磚強度、吸水率和體積密度的影響機理，以期為污泥制備燒結磚的系統(tǒng)研究提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

污泥：鄭州某污水處理廠，黑褐色黏稠狀，有腥臭味，在干燥箱中80℃烘干、磨細；粉煤灰：Ⅱ級；黏土：取自鄭州某工程。3種原材料的化學組成如表1所示。

表1 原材料的化學組成 %

由表1可以看出，污泥中SiO2和Al2O3含量少，而堿土金屬和堿金屬氧化物含量高，能夠提供助熔成分，而且含有大量有機質燒失物。研究表明[14]，燒結磚原料化學成分范圍要求SiO2：55%～70%，Al2O3：10%～20%，CaO＜10%，Fe3O4：3%～10%，本研究通過污泥、黏土和粉煤灰調配，使原材料的化學成分在合理范圍內。

1.2 燒結磚的制備

固定黏土與粉煤灰的質量比為6∶4，均勻混合成原料粉，在（105±5）℃的鼓風干燥箱中烘干，研磨5 min，過100目篩，磨細污泥分別以0、5%、10%、15%和20%等質量取代黏土與粉煤灰混合粉料，加入適量水制成泥料，控制拌合料的塑性指數在7～15[15－16]；泥料陳化3 d后，采用靜力壓制成型試樣，成型壓力為12 MPa，成型后將試塊自然干燥3 d，然后在鼓風干燥箱中105℃干燥24 h，制得生料磚坯；將生料磚坯放入快速升溫箱式電爐中進行焙燒，焙燒溫度設置分別為900、950、1000、1050、1100℃，為避免因升溫過快導致磚坯中的氣體來不及排出使磚體表面產生裂紋或者黑心等缺陷[17－19]，升溫分為3個階段，第1階段，升溫速率1.5℃/min，升溫至200℃恒溫1.0 h；第2階段，升溫速率2.0℃/min，升溫至600℃恒溫0.5 h；第3階段，升溫速率2.0℃/min，升溫至最高焙燒溫度恒溫1.0 h，然后隨爐自然冷卻。

1.3 測試方法

1.3.1 物理力學性能測試

燒結磚的物理力學性能（吸水率、收縮率、密度、抗壓強度）按GB/T 2542—2012《砌墻磚試驗方法》進行測試。

1.3.2 試樣微觀分析

將80℃烘干、磨細污泥原料進行TG－DTG熱分析測試，升溫速率為10℃/min，溫度范圍50～1000℃，測試儀器為美國PerkinElmer公司STA8000型熱分析儀。

將不同污泥摻量1050℃燒結磚試樣磨細到80 μm以下進行XRD分析，Cu靶，掃描范圍5°～70°，掃描速率5°/min，測試儀器為日本理學Smart－Lab型X射線衍射儀。

從不同污泥摻量1050℃燒結磚抗壓破壞試樣上取5 mm左右完整小塊，表面噴金，進行SEM表面形貌觀測，測試儀器為德國Carl Zeiss NTS GmbH公司Merlin Compact型掃描電子顯微鏡。

2 試驗結果及分析

2.1 不同燒結溫度下污泥摻量對燒結磚抗壓強度的影響（見圖1）

圖1 不同燒結溫度下污泥摻量對燒結磚抗壓強度的影響

由圖1可以看出，當污泥摻量一定時，隨著燒結溫度的升高，試樣的抗壓強度逐漸提高，但燒結溫度達到1050℃時，抗壓強度增加速率減小。與空白試樣（不摻污泥）相比，在不同燒結溫度下（900、950、1000、1050、1100℃），污泥摻量20%試樣的抗壓強度分別下降了81.9%、79.7%、77.4%、76.1%和73.8%。相同燒結溫度下，低污泥摻量（5%、10%、15%）試樣的抗壓強度快速降低，而摻量大于15%后，試樣抗壓強度降低速率減緩。污泥摻量10%，燒結溫度1050℃時，試樣抗壓強度為14.7 MPa。

2.2 不同燒結溫度下污泥摻量對燒結磚吸水率的影響（見圖2）

圖2 不同燒結溫度下污泥摻量對燒結磚吸水率的影響

由圖2可以看出，當燒結溫度一定時，隨著污泥摻量的增加，試樣吸水率逐漸增大，最大達到27.9%；當污泥摻量一定時，隨著燒結溫度的提高，試樣吸水率逐漸提高，燒結溫度超過1050℃，吸水率提高平緩。燒結溫度從1050℃升高到1100℃時，不同污泥摻量（0、5%、10%、15%、20%）試樣的吸水率分別提高3.4%、2.2%、0.5%、1.9%和1.6%。污泥摻量10%，燒結溫度1050℃時，試樣吸水率小于20%。

2.3 不同燒結溫度下污泥摻量對燒結磚密度的影響（見圖3）

由圖3可以看出，在同一燒結溫度下，隨著污泥摻量的增加，燒結磚的密度逐漸減??；污泥摻量一定時，燒結溫度越高，燒結磚密度越大。在不同燒結溫度下（900、950、1000、1050、1100℃），與空白試樣相比，污泥摻量20%試樣體積密度分別下降26.5%、25.3%、24.1%、24.3%、21.0%。

圖3 不同燒結溫度下污泥摻量對燒結磚體積密度的影響

2.4 不同燒結溫度下污泥摻量對燒結磚收縮率的影響（見圖4）

圖4 不同燒結溫度下污泥摻量對燒結磚收縮率的影響

由圖4可以看出，當燒結溫度一定時，污泥摻量越高燒結試樣的收縮率越大；當污泥摻量一定時，燒結溫度越高，試樣收縮率越大。

2.5 微觀分析

燒結磚的燒結過程如圖5所示。

圖5 燒結磚的燒結過程示意

隨著溫度升高，原料中的結合水失去、有機質燃燒、分解物分解，氣體揮發(fā)留下大量氣孔；當溫度達到礦物熔融溫度后，顆粒表面熔融，熔體在表面張力作用下相互熔接，體積收縮；在保溫階段，顆粒熔融反應進一步進行，顆粒間孔隙、顆粒內孔隙逐漸減小，部分孔隙消失，體積進一步收縮；冷卻后形成燒結體。

污泥中含有大量有機質燒失物和氧化鈣、氧化鈉、氧化鉀等堿土金屬和堿金屬助熔物（見表1），在燒結過程中，污泥原料的TG-DTG曲線如圖6所示。

圖6 污泥原料TG-DTG分析

污泥中結合水在100℃揮發(fā)，有機質在300℃燃燒揮發(fā)，碳酸鈣在700℃分解放出CO2，會在試樣中留下大量氣孔。不同污泥摻量燒結磚的XRD圖譜如圖7所示。

圖7 不同污泥摻量燒結磚的XRD圖譜

燒結試樣礦物相為石英相和斜方沸鈣石相，隨污泥摻量增加，碳酸鈣分解出的氧化鈣含量增多，試樣中斜方沸鈣石相增加，斜方鈣沸石相為原料顆粒表面熔融、反應形成的新礦物相，含量越多，試樣顆粒相互熔融結合越緊密，顆粒間孔隙越小，燒結過程中收縮率越大。不同污泥摻量試樣的SEM照片如圖8所示。

圖8 不同污泥摻量燒結磚的SEM照片

污泥的摻入同時具有增加試樣孔隙和減小試樣孔隙的2種作用，對于未摻污泥的空白試樣，試樣中礦物斜方沸鈣石相少[圖8（a）]，顆粒熔融粘結不足，顆粒熔融間孔隙為主要孔隙，隨污泥摻量增加，斜方鈣沸石相增加，顆粒熔接增加，顆粒間孔隙減小，但污泥顆粒自身氣孔增加[圖8（b）、（c）、（d）、（e）]。因此，隨污泥摻量增加，試樣吸水率提高，體積密度降低，從而造成強度降低；但低摻量（5%、10%）時，助熔減小孔隙作用有限，試樣強度快速降低，而高摻量（15%、20%）時，助熔減小孔隙作用增強，強度降低速率減?。ㄒ妶D1）。焙燒溫度1050℃，污泥摻量10%工藝條件下，污泥增加氣孔作用和減小氣孔作用達到平衡，繼續(xù)提高溫度對試樣的增強作用不再明顯，增加污泥摻量會大幅降低燒結磚的抗壓強度（見圖1）。

3 結論

（1）當燒結溫度一定時，隨著污泥摻量的增加，燒結磚的抗壓強度和密度逐漸減小，吸水率和收縮率逐漸增大；但當污泥摻量一定時，隨著燒結溫度的升高，燒結磚的抗壓強度、吸水率、密度、收縮率等均呈增大的趨勢。

（2）污泥有機質燃燒會排放大量氣體，增加燒結磚氣孔率，同時污泥中的助熔物可以促進顆粒熔融粘結而減小燒結磚的氣孔率，2種作用在污泥摻量10%、焙燒溫度為1050℃時達到平衡，此時燒結磚吸水率小于20%，抗壓強度為14.7 MPa，符合GB/T 5101—2017《燒結普通磚》的要求。