摘要 针对杭州水业集团排放的污泥（WPS），结合浙江钱潮控股集团有限公司的水泥生产工艺，研究了污泥对水泥熟料烧成和强度性能的影响。本文配置了相同率值、不同污泥掺量的生料，在1400℃下煅烧。化学分析、XRD分析和强度试验结果表明：掺入适量的污泥能降低熟料游离氧化钙f-CaO的含量，促进熟料的烧成，提高熟料强度，尤其是熟料的早期强度。污泥替代硅质原料烧制水泥，不仅可实现污泥的无害化处置和资源化利用，也是提高水泥性能的重要技术措施。
关键词 污泥；游离氧化钙；强度
分类号： TQ172.623
0 引 言
杭州水业集团污泥排放量约7.5万吨/年，目前的处置方法是填埋。填埋不仅浪费宝贵的土地资源，而且没有根本解决污染环境的问题，寻找经济有效地处置污泥的技术已经迫在眉睫。
浙江省钱潮建材控股有限公司是杭州市周边地区的一家水泥企业，年产量100多万吨，一直致力于提高水泥性能、降低资源和能源消耗、降低环境负荷的技术创新。
污泥的主要化学成分都是Al2O3,Fe2O3和SiO2，和硅质原料相似，可以替代硅质原料；污泥具有一定热值，可以替代部分燃料[1~2]；污泥中丰富的重金属元素不仅可以固溶在熟料的晶格中[3~5]，不存在二次污染，而且能促进熟料烧成和提高熟料矿物水化活性。因此用污泥替代硅质原料烧制水泥不仅提供了一种解决污泥问题的有效方法，而且还可以节约部分原料和燃料，同时也是实现水泥高性能化的技术措施之一，值得深入研究。
本文主要针对杭州水业集团排放的污泥，结合浙江钱潮控股集团有限公司的水泥生产工艺，在试验室对污泥影响水泥熟料烧成和性能的规律进行研究，以期为浙江钱潮控股集团有限公司进行利用污泥烧制高性能水泥生产试验时提供参考。
1 实 验
1.1 实验原料
污泥取自杭州水业集团祥符自来水厂，石灰石﹑页岩﹑石英砂﹑铜渣都取自杭州钱潮集团控服有限公司仓前水泥厂，氢氧化铝为分析纯化学试剂。先将污泥和其它原料烘干，然后用球磨机粉磨至0.08mm筛子筛余量﹤2%。各原料的化学成分见表1。污泥中的重金属含量用等离子发射光谱分析，结果见表2。
1.2 实验过程
生料的率值参考仓前水泥厂实际数值，同时为了提高熟料中的C3S含量， KH适当提高，实际取率值KH=0.913, SM=2.37, IM=1.30，配制6组样品，污泥掺量依次为0%﹑4%、5.5%、7%、8.5%、10%，代号分别为OPC， PI, PII, PIII, PIV, PV表示，各样品的配比及率值如表3所示。
表 3 各样品的配比及其率值
混合好的生料加入适量的水，然后在20MPa的轴向压力下压成40mm×40mm的长方体试块，将压好的试块在烘箱中放置24小时，烘箱温度设置为110℃。将烘干的生料试块放入煅烧炉内，温度设置如下：以10℃/min的速度升温至1400℃，到达1400℃后保温40分钟。40分钟后马上将熟料取出在空气中冷却，然后用球磨机磨至0.08mm筛余量＜2%。对烧成的6组熟料进行游离氧化钙分析、碱含量分析、XRD分析和强度试验，游离氧化钙分析用甘油-乙醇法，碱含量分析参照GB/T176-1996，强度试验参照GB/T17671-1999。
2 结 果
2.1 游离氧化钙分析
图1是各样品在1400℃下煅烧的熟料的游离氧化钙分析结果。由图可知，随着污泥掺量的增加，游离氧化钙下降。当污泥掺量小于5.5wt%时，游离氧化钙下降迅速；而当污泥掺量大于5.5wt.%时，随着污泥掺量的增加，游离氧化钙下降缓慢。总的来说，当污泥掺量小于10wt.%时，游离氧化钙含量都是降低的。
2.2 XRD分析
各组熟料的XRD图谱如图2所示。有图可知，随着污泥掺量从4wt.%升到10wt.%,熟料的主要矿相变化不明显，主要矿相均为阿利特 (C3S), 贝利特 (C2S), 铝酸三钙 (C3A) 和才利特(C4AF)。图中较明显的区别是熟料PII的C3S峰较高。
2.3抗压强度
2.3.1不同龄期的抗压强度如图3所示。
由图可知，随着龄期的增长，各试块的抗压强度不断增长。污泥掺量在4wt.% - 10wt.%时，3天和7天的抗压强度都比不掺污泥的高，其中5.5wt%是最佳污泥掺量。当污泥掺量小于5.5wt%时，随着污泥掺量的增加，3天和7天抗压强度增长很快；当污泥掺量大于5.5wt%时，随着污泥掺量的增加，3天和7天抗压强度增长缓慢；即使污泥全部取代页岩，3天和7天的抗压强度分别比不掺污泥的高13.0%和5.6%。28天抗压强度则不同，当污泥掺量小于7wt.%时，28天抗压强度比不掺污泥的大，当污泥掺量大于7wt.%时则比不掺污泥的小。
2.3.2 不同龄期的抗折强度
不同龄期的抗折强度如图4所示。从图中可得，掺污泥的水泥3天抗折强度比不掺的高，7天和28天则不同，少量的污泥掺量对抗折强度发展有利，当掺量大于5.5wt.%时，抗折强度有所下降。由于抗折强度离散性较大，所以规律性不明显。
3 讨 论
3.1 污泥对熟料烧成的影响
污泥和页岩的主要化学成分是相同的，都是Al2O3,Fe2O3和SiO2，不同的是污泥中含有一定量的碱和微量重金属，见表1和表2。表4列出了熟料OPC, PI, PII, PIII, PIV, 和 PV中的碱含量（碱以氧化物R2O=Na2O+0.658K2O 形式表示）。
生料中适当的碱含量对烧成是有利的，因为碱的熔点比较低，可以降低熟料液相出现的温度；生料中重金属等微量元素基本全部固溶在熟料晶格中，也具有降低烧成温度的作用。从图1可以看出，当污泥掺量小于5.5wt.%，随着污泥掺量的增加，游离氧化钙下降迅速。图2显示了5.5wt.%是最佳污泥掺量，因为这个掺量的熟料PII C3S峰最高。可能是因当污泥掺量较少时，随着污泥掺量的增加，碱金属含量随之增加，有利于降低液相出现温度；而当污泥掺量增加到一定量，碱含量的继续增加导致C3A/C4AF的比值提高，使得液相黏度的增加，这对液相中的扩散是不利的，不利于熟料烧成。因此，少量的污泥掺量对污泥的烧成是有利的。
3.2 污泥对强度的影响
由图3可知，污泥掺量在4wt.% - 7wt.% 时，试块的3天和7天抗压强度都明显比不掺污泥的高，而28天抗压强度基本和不掺污泥的差不多。因为污泥中少量的碱和微量重金属元素对烧成是有利的，并且熟料中固溶的重金属元素会提高熟料的水化活性。碱对水泥的早期强度发展有利[6]，因此所有掺污泥的水泥的早期抗压强度都比不掺的高。但是碱对于水泥的后期强度则不利，所以当污泥掺量超过7%时，28天抗压强度相对于不掺污泥的水泥有所下降。其中掺量5.5wt.%时各个龄期的抗压强度都比其它试块高，因为这个掺量的熟料C3S峰最高。抗折强度由于影响因素多，所以离散性很大，很难反映出规律性，总的来说少量污泥掺量对抗折强度是有利的。
4 结 论
本次实验用自来水厂污泥替代页岩来烧制水泥，采用同样的率值，不同的污泥掺量（4wt.% - 10wt.%），得到以下结论：
1：掺入污泥对熟料主要矿物没有影响，仍然是阿利特 (C3S),贝利特(C2S), 铝酸三钙(C3A)和才利特(C4AF)。
2：污泥的掺入可以降低游离氧化钙含量，因为污泥的掺入降低了熟料液相出现温度，因此污泥对熟料的烧成是有利的。
3：污泥的掺入对3天和7天的抗压强度发展都是有利的，掺污泥的试块不同龄期的抗压强度都比不掺的大；28天强度则不同，当污泥掺量小于7wt.%时，28天抗压强度比不掺污泥的高，当掺量大于7wt.%时则比不掺的低。
参考文献
1 Ribbing C. Enviromentally friendly use of non-coal ashes in Sweden. [J]. Waste Management (2007), doi:10.1016/j.wasman.2007.03.012.
2. Zabaniotou A, Theofilou C. Green energy at cement kiln in Cyprus-Use of sewage sludge as a conventional fuel substitute. [J]. Renew Sust Energ Rev (2006), doi:10.1016/j.rser.2006.07.017.
3. Andrade FRD, Maringolo V, Kihara Y. Incorporation of V, Zn and Pb into the crystalline phases of Portland clinker. Cem Concr Res 2002; 33:63.
4. Ract PG, Espinosa DCR, Tenório JAS. Determination of Cu and Ni incorporation ratios in Portland cement clinker. [J]. Waste Management 2003;23:281.
5. Haung Shih P, En Chang J, Cheng Lu H, Choung Chiang L. Reuse of heavy metal-containing sludges in cement production. [J]. Cem Concr Res 2005;35:2110.
6. Jawed I, Skalny JP. Alkalies in cement: A review II. Effects of alkalies on hydration and performance of Portland cement. [J]. Cem Concr Res1978;8:37.
