摘要 針對杭州水業(yè)集團(tuán)排放的污泥（WPS），結(jié)合浙江錢潮控股集團(tuán)有限公司的水泥生產(chǎn)工藝，研究了污泥對水泥熟料燒成和強(qiáng)度性能的影響。本文配置了相同率值、不同污泥摻量的生料，在1400℃下煅燒?；瘜W(xué)分析、XRD分析和強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明：摻入適量的污泥能降低熟料游離氧化鈣f-CaO的含量，促進(jìn)熟料的燒成，提高熟料強(qiáng)度，尤其是熟料的早期強(qiáng)度。污泥替代硅質(zhì)原料燒制水泥，不僅可實(shí)現(xiàn)污泥的無害化處置和資源化利用，也是提高水泥性能的重要技術(shù)措施。
關(guān)鍵詞 污泥；游離氧化鈣；強(qiáng)度
分類號： TQ172.623
0 引 言
杭州水業(yè)集團(tuán)污泥排放量約7.5萬噸/年，目前的處置方法是填埋。填埋不僅浪費(fèi)寶貴的土地資源，而且沒有根本解決污染環(huán)境的問題，尋找經(jīng)濟(jì)有效地處置污泥的技術(shù)已經(jīng)迫在眉睫。
浙江省錢潮建材控股有限公司是杭州市周邊地區(qū)的一家水泥企業(yè)，年產(chǎn)量100多萬噸，一直致力于提高水泥性能、降低資源和能源消耗、降低環(huán)境負(fù)荷的技術(shù)創(chuàng)新。
污泥的主要化學(xué)成分都是Al2O3,Fe2O3和SiO2，和硅質(zhì)原料相似，可以替代硅質(zhì)原料；污泥具有一定熱值，可以替代部分燃料[1~2]；污泥中豐富的重金屬元素不僅可以固溶在熟料的晶格中[3~5]，不存在二次污染，而且能促進(jìn)熟料燒成和提高熟料礦物水化活性。因此用污泥替代硅質(zhì)原料燒制水泥不僅提供了一種解決污泥問題的有效方法，而且還可以節(jié)約部分原料和燃料，同時也是實(shí)現(xiàn)水泥高性能化的技術(shù)措施之一，值得深入研究。
本文主要針對杭州水業(yè)集團(tuán)排放的污泥，結(jié)合浙江錢潮控股集團(tuán)有限公司的水泥生產(chǎn)工藝，在試驗(yàn)室對污泥影響水泥熟料燒成和性能的規(guī)律進(jìn)行研究，以期為浙江錢潮控股集團(tuán)有限公司進(jìn)行利用污泥燒制高性能水泥生產(chǎn)試驗(yàn)時提供參考。
1 實(shí) 驗(yàn)
1.1 實(shí)驗(yàn)原料
污泥取自杭州水業(yè)集團(tuán)祥符自來水廠，石灰石﹑頁巖﹑石英砂﹑銅渣都取自杭州錢潮集團(tuán)控服有限公司倉前水泥廠，氫氧化鋁為分析純化學(xué)試劑。先將污泥和其它原料烘干，然后用球磨機(jī)粉磨至0.08mm篩子篩余量﹤2%。各原料的化學(xué)成分見表1。污泥中的重金屬含量用等離子發(fā)射光譜分析，結(jié)果見表2。
1.2 實(shí)驗(yàn)過程
生料的率值參考倉前水泥廠實(shí)際數(shù)值，同時為了提高熟料中的C3S含量， KH適當(dāng)提高，實(shí)際取率值KH=0.913, SM=2.37, IM=1.30，配制6組樣品，污泥摻量依次為0%﹑4%、5.5%、7%、8.5%、10%，代號分別為OPC， PI, PII, PIII, PIV, PV表示，各樣品的配比及率值如表3所示。
表 3 各樣品的配比及其率值
混合好的生料加入適量的水，然后在20MPa的軸向壓力下壓成40mm×40mm的長方體試塊，將壓好的試塊在烘箱中放置24小時，烘箱溫度設(shè)置為110℃。將烘干的生料試塊放入煅燒爐內(nèi)，溫度設(shè)置如下：以10℃/min的速度升溫至1400℃，到達(dá)1400℃后保溫40分鐘。40分鐘后馬上將熟料取出在空氣中冷卻，然后用球磨機(jī)磨至0.08mm篩余量＜2%。對燒成的6組熟料進(jìn)行游離氧化鈣分析、堿含量分析、XRD分析和強(qiáng)度試驗(yàn)，游離氧化鈣分析用甘油-乙醇法，堿含量分析參照GB/T176-1996，強(qiáng)度試驗(yàn)參照GB/T17671-1999。
2 結(jié) 果
2.1 游離氧化鈣分析
圖1是各樣品在1400℃下煅燒的熟料的游離氧化鈣分析結(jié)果。由圖可知，隨著污泥摻量的增加，游離氧化鈣下降。當(dāng)污泥摻量小于5.5wt%時，游離氧化鈣下降迅速；而當(dāng)污泥摻量大于5.5wt.%時，隨著污泥摻量的增加，游離氧化鈣下降緩慢?？偟膩碚f，當(dāng)污泥摻量小于10wt.%時，游離氧化鈣含量都是降低的。
2.2 XRD分析
各組熟料的XRD圖譜如圖2所示。有圖可知，隨著污泥摻量從4wt.%升到10wt.%,熟料的主要礦相變化不明顯，主要礦相均為阿利特 (C3S), 貝利特 (C2S), 鋁酸三鈣 (C3A) 和才利特(C4AF)。圖中較明顯的區(qū)別是熟料PII的C3S峰較高。
2.3抗壓強(qiáng)度
2.3.1不同齡期的抗壓強(qiáng)度如圖3所示。
由圖可知，隨著齡期的增長，各試塊的抗壓強(qiáng)度不斷增長。污泥摻量在4wt.% - 10wt.%時，3天和7天的抗壓強(qiáng)度都比不摻污泥的高，其中5.5wt%是最佳污泥摻量。當(dāng)污泥摻量小于5.5wt%時，隨著污泥摻量的增加，3天和7天抗壓強(qiáng)度增長很快；當(dāng)污泥摻量大于5.5wt%時，隨著污泥摻量的增加，3天和7天抗壓強(qiáng)度增長緩慢；即使污泥全部取代頁巖，3天和7天的抗壓強(qiáng)度分別比不摻污泥的高13.0%和5.6%。28天抗壓強(qiáng)度則不同，當(dāng)污泥摻量小于7wt.%時，28天抗壓強(qiáng)度比不摻污泥的大，當(dāng)污泥摻量大于7wt.%時則比不摻污泥的小。
2.3.2 不同齡期的抗折強(qiáng)度
不同齡期的抗折強(qiáng)度如圖4所示。從圖中可得，摻污泥的水泥3天抗折強(qiáng)度比不摻的高，7天和28天則不同，少量的污泥摻量對抗折強(qiáng)度發(fā)展有利，當(dāng)摻量大于5.5wt.%時，抗折強(qiáng)度有所下降。由于抗折強(qiáng)度離散性較大，所以規(guī)律性不明顯。
3 討 論
3.1 污泥對熟料燒成的影響
污泥和頁巖的主要化學(xué)成分是相同的，都是Al2O3,Fe2O3和SiO2，不同的是污泥中含有一定量的堿和微量重金屬，見表1和表2。表4列出了熟料OPC, PI, PII, PIII, PIV, 和 PV中的堿含量（堿以氧化物R2O=Na2O+0.658K2O 形式表示）。
生料中適當(dāng)?shù)膲A含量對燒成是有利的，因?yàn)閴A的熔點(diǎn)比較低，可以降低熟料液相出現(xiàn)的溫度；生料中重金屬等微量元素基本全部固溶在熟料晶格中，也具有降低燒成溫度的作用。從圖1可以看出，當(dāng)污泥摻量小于5.5wt.%，隨著污泥摻量的增加，游離氧化鈣下降迅速。圖2顯示了5.5wt.%是最佳污泥摻量，因?yàn)檫@個摻量的熟料PII C3S峰最高?？赡苁且虍?dāng)污泥摻量較少時，隨著污泥摻量的增加，堿金屬含量隨之增加，有利于降低液相出現(xiàn)溫度；而當(dāng)污泥摻量增加到一定量，堿含量的繼續(xù)增加導(dǎo)致C3A/C4AF的比值提高，使得液相黏度的增加，這對液相中的擴(kuò)散是不利的，不利于熟料燒成。因此，少量的污泥摻量對污泥的燒成是有利的。
3.2 污泥對強(qiáng)度的影響
由圖3可知，污泥摻量在4wt.% - 7wt.% 時，試塊的3天和7天抗壓強(qiáng)度都明顯比不摻污泥的高，而28天抗壓強(qiáng)度基本和不摻污泥的差不多。因?yàn)槲勰嘀猩倭康膲A和微量重金屬元素對燒成是有利的，并且熟料中固溶的重金屬元素會提高熟料的水化活性。堿對水泥的早期強(qiáng)度發(fā)展有利[6]，因此所有摻污泥的水泥的早期抗壓強(qiáng)度都比不摻的高。但是堿對于水泥的后期強(qiáng)度則不利，所以當(dāng)污泥摻量超過7%時，28天抗壓強(qiáng)度相對于不摻污泥的水泥有所下降。其中摻量5.5wt.%時各個齡期的抗壓強(qiáng)度都比其它試塊高，因?yàn)檫@個摻量的熟料C3S峰最高?？拐蹚?qiáng)度由于影響因素多，所以離散性很大，很難反映出規(guī)律性，總的來說少量污泥摻量對抗折強(qiáng)度是有利的。
4 結(jié) 論
本次實(shí)驗(yàn)用自來水廠污泥替代頁巖來燒制水泥，采用同樣的率值，不同的污泥摻量（4wt.% - 10wt.%），得到以下結(jié)論：
1：摻入污泥對熟料主要礦物沒有影響，仍然是阿利特 (C3S),貝利特(C2S), 鋁酸三鈣(C3A)和才利特(C4AF)。
2：污泥的摻入可以降低游離氧化鈣含量，因?yàn)槲勰嗟膿饺虢档土耸炝弦合喑霈F(xiàn)溫度，因此污泥對熟料的燒成是有利的。
3：污泥的摻入對3天和7天的抗壓強(qiáng)度發(fā)展都是有利的，摻污泥的試塊不同齡期的抗壓強(qiáng)度都比不摻的大；28天強(qiáng)度則不同，當(dāng)污泥摻量小于7wt.%時，28天抗壓強(qiáng)度比不摻污泥的高，當(dāng)摻量大于7wt.%時則比不摻的低。
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