掺管沟污泥水泥混凝土的物理力学性能研究
2006-11-02 00:00
0 前言
管沟污泥是污水从用户流人污水厂的排水管道中的淤积物，它含有大量的砂石，也含有大量的微生物、有机质及氮、磷、钾等营养物质，同时又具有含水量高、易腐烂、有恶臭等特点，还有超标的重金属、病原微生物等。目前上海9个中心城区全年产生的管沟污泥约1万t(干基)。过去，管沟污泥是利用苏州河、黄浦江通过船舶外运，由于苏州河综合治理的要求和世博会即将召开，沿河污泥码头将逐步拆除，这将直接影响到管沟污泥的出路问题。 如果任意排放不加处理，不仅将对环境造成污染，危害人类健康，同时又是对资源的严重浪费。因此如何对其安全利用已成为关注的重点课题1)。
城市污泥的最佳出路是无害化处理、资源化利用、产业化发展。本文以上海市管沟污泥为处置对象，在进行脱水、烘干、破碎、去除大颗粒杂质等预处理后，作为细集料用于水泥混凝土中，通过测试其抗压、抗折强度来考察其物理力学性能。此外，采用国家标准GB5085．3-1996《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》及美国EPA毒性浸出实验(TCLP)，评价了重金属在水泥固化体中的浸出特性，从而考察污泥中的重金属离子是否得到有效的束缚和稳定固化。
1 实验原材料及实验方法
1．1 实验原材料
水泥 海螺牌P．042．5水泥，其化学成分及物理力学性能见表1。
表1 水泥的化学组成及物理力学性能
|
化学组成／％ |
凝结时间
／min |
强度／MPa | ||||||||||
|
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
SO2 |
Loss |
初凝 |
终凝 |
抗压 |
抗折 | ||
|
7d |
28d |
7d |
28d | |||||||||
|
21．4 |
5．8 |
2．5 |
61．8 |
1．6 |
3．8 |
1．62 |
70 |
145 |
39．1 |
52．2 |
7．2 |
8．7 |
活性掺合料 磨细矿渣，比表面积450m2/kg；磨细钢渣微粉，比表面积500m2/kg；沸石，细度为300目；Ⅱ级粉煤灰。各类活性掺合料的化学成分见表2和表3。
表2 矿渣、钢渣和粉煤灰的化学成分 ％
|
掺合料
品种 |
SiO2 |
CaO |
Al2O3 |
Fe2O3 |
TiO |
MgO |
SO3 |
Loss |
|
矿渣 |
32．3 |
39．0 |
14．3 |
0．2 |
0．5 |
7．7 |
1．0 |
1．89 |
|
钢渣 |
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 沸石的化学成分 ％
|
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 细集料采用细度模数为2．4的中砂；粗集料采用粒径为5~38mm的石灰石碎石。
管沟污泥 来自上海市排水系统管沟污泥集中堆场。
1．2实验方法
(1)凝结时间及需水量测定按国家有关标准进行。
(2)混凝土强度试验按照GB／T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行。
(3)混凝土坍落度试验按照GB／T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法》进行。
(4)采用国家标准《固体废物浸出毒性浸出方法：水平振荡法》(GB 5086．2-1997)[2]检测水泥固结体的重金属浸出毒性。
(5)参考美国EPASW-846(TCLP)[3]毒性浸出实验方法测试水泥固结体重金属最大浸出毒性。
(6)混凝土氯离子渗透试验按照ASTMl202。
2 结果与讨论
2．1 管沟污泥对水泥凝结时间与需水量的影响
表4是管沟污泥对水泥凝结时间与需水量的影响情况。
由表中结果可见，在水泥中掺加污泥，随着污泥掺量的增加浆体的需水量增加，凝结时间延长。污泥对水泥浆体的安定性无明显影响。
表4 污泥对水泥凝结时间与需水量的影响
|
编号 |
污泥含量
／% |
稠度
／mm |
加水量
／g |
初凝
／min |
终凝
／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浆体在掺加污泥后需水量大的主要原因，同时由于污泥基本没有水硬活性，从而使浆体中的胶凝材料相对减少，所以浆体的凝结时间延长。
2．2 管沟污泥对水泥砂浆力学性能的影响
由前述结果可知，在水泥浆体中掺加一定量污泥后会影响其物理力学性能。为更合理利用管沟污泥，可在混凝土中加入一些活性掺合料，使得水泥混凝土性能满足强度、耐久性、和易性等技术要求，并尽量节约水泥，以降低工程造价。影响掺污泥水泥砂浆性能的主要因素是各掺合料的用量、水灰比、污泥掺量等。试验研究中选定掺合料种类和数量、污泥掺量为正交试验设计的因素，各取3种水平，表5是因素水平表。初步设计粉煤灰、钢渣、矿渣、沸石分别为水泥用量的10％～30％、5％～15％、20％、5％，污泥为集料用量20％～40％，由此得到正交表L9(33)来观察各因素影响情况。表6是掺污泥水泥砂浆的正交表及实验结果，表7为极差计算值。
表5 因素水平表
|
水平 |
因素 | ||
|
A：粉煤灰／% |
B：钢渣／% |
C：污泥／% | |
|
1 10 5 20
2 20 10 30
3 30 15 40 | |||
表6 水泥砂浆正交试验表及试验结果
|
编号 |
因素 |
减水剂 |
7d抗折
强度／MPa |
7d抗压
强度／MPa |
28d抗折
强度／MPa |
28d抗压
强度／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 极差分析表
|
编
号 |
7d抗压／抗折强度 |
28d抗压／抗折强度 | ||||
|
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 | ||||||
运用极差分析因素对结果的影响顺序：7d抗折强度为B→A→C，7d抗压强度为B→C→A，28d抗折强度为B→C→A，28d抗压强度为B→C→A。初步确定能影响混凝土性能的关键因素为钢渣及污泥掺量，为设计混凝土最佳配合比提供了基础。
2．3 管沟污泥对水泥混凝土力学性能的影响
表8中列出了基准混凝土和各污泥掺量下水泥混凝土的抗压强度实验结果。表9是管沟污泥对掺活性掺合料混凝土强度的影响。
表8 管沟污泥对混凝土抗压强度的影响
|
编号 |
混凝土材料用量/(kg/m3) |
坍落度
/mm |
抗压强度/MPa | ||||||
|
水泥 |
砂 |
碎石 |
水 |
污泥 |
减水剂 |
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 管沟污泥对掺活性掺合料混凝土强度的影响
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编
号 |
混凝土材料用量／(kg／m3) |
坍落度／mm |
抗压强度／MPa | |||||||||
|
水泥 |
粉煤灰 |
矿渣 |
钢渣 |
沸石 |
砂 |
污泥 |
碎石 |
水 |
7d |
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 | ||||||||||||
从表中结果可以看出，随着污泥掺量增加混凝土坍落度有明显的降低；不同掺量的污泥对混凝土抗压强度影响各不相同，随着污泥掺量的增加先降低后提高。这是由于污泥掺人有两个作用，其一是污泥的吸水率比天然砂大，从而使实际水灰比减小，使混凝土强度提高；另一方面污泥中含泥量大于天然砂，从而使混凝土强度下降。当正效应大于负效应时，宏观上表现出混凝土强度提高。
由实验结果可知，水泥用量仅为105kg／m3，污泥用量为用砂量的20％，同时采用活性掺合料替代部分水泥时可以配制出抗压强度为40Mh的混凝土；且当污泥用量为用砂量的20％时，钢渣掺量对混凝土强度影响不大。此外在掺污泥水泥混凝土中掺一定量活性掺和料可以改善混凝土的工作性能。
2．4 掺污泥水泥混凝土固结体安全性研究
管沟污泥原始重金属浸出毒性测定值见表10。由表可知，上海排水系统的污泥中Cd，Cr，Zn，Pb的浸出量均超过国家允许的最高值。根据我国《危险废物鉴别标准沪，排水系统污泥属于危险废物。因此，管沟污泥的重金属污染特性不容忽视，在固结处理时，不能单纯用力学性能来衡量。
表10 原始管沟污泥重金属浸出毒性
|
编号 |
试验项目 (干燥状态) |
试验结果／(mg／kg) |
国标允许值／(mg／kg) |
|
1 Zn 1．611×l03 50
2 Cr 15．2 10
3 Cd 1．74 0．3
4 Pb 43．9 3 | |||
由实验结果可以看出，养护7d和28d后的固结体在纯水和酸性条件下重金属浸出量均小于国家排放标准，因此掺污泥混凝土在工程中应用是安全可靠的。
3 结论
(1)在混凝土中掺加一定量的管沟污泥可以配制出抗压强度为40MPa的混凝土，这种混凝土随污泥用量增加。其坍落度会降低，凝结时间会延长。
(2)在掺适量污泥的条件下，混凝土28d强度比同配合比基准混凝土略高。
(3)根据我国危险废物浸出毒性鉴别标准，上海排水系统管沟污泥的重金属Cd，Cr，Zn，Pb的浸出质量浓度均超过最高允许值，属于危险废物。但用于混凝土中，由于水泥的固结作用，可使固结体重金属浸出率小于国家标准，而且随时间的延长，重金属浸出趋势变小。
摘自:中国混凝土网
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