CN112321258A - 采用自来水厂污泥制备的绿色混凝土 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及建筑材料技术领域，具体公开了一种采用自来水厂污泥制备的绿色混凝土，按重量份计，包括以下组分，水泥300～320份，铝污泥粉50～80份，铝污泥175～195份，河砂530～575份，碎石1090～1150份，减水剂2.5～5份，水130～170份。本发明具有原料易得、水泥用量较少、制造成本较低和资源化利用较高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，特别涉及一种采用自来水厂污泥制备的绿色混凝土。
背景技术
近年来，随着城市化建设的不断发展和全球人口的增加，对自来水的需求量和质量均提出了更高的要求，自来水厂的数量也在不断增加，使得生活供水能力得到了极大地提高。自来水厂处理原水，在生产自来水的过程中，需经历的混凝、沉淀和过滤等基础工艺，期间会产生一定量的含泥废水，在含泥废水中主要包括有原水中的砂砾，混凝沉淀中的悬浮物和有机物，以及外加的混凝剂等杂质，这些含泥废水再经过管道废水池收集、浓缩、脱水和干燥等一系列处理，才得到自来水生产过程中的副产物——自来水厂污泥。可见，自来水厂污泥中的化学成分，主要与原水污染物性质、自来水生产工艺流程和混凝剂种类及用量等因素有关。其中常用的混凝剂主要为铝盐和铁盐，而随着技术的不断进步，低分子的硫酸铝和氯化铁，逐渐被以高分子的聚合氯化铝为代表的新型铝盐混凝剂取代，从而导致大部分自来水厂污泥中含有大量的铝元素，因此自来水厂污泥也常被称为铝污泥。
为应对越来越严格的水质标准，和每年不断增加的自来水用量需求的新形势，全球建设了越来越多的自来水厂，相应的铝污泥产量也在急剧增长。据不完全统计，全国每年产生的自来水厂污泥，早已超过了15亿立方米，这些污泥如不能得到合理妥善的处置，不仅会造成大量的资源浪费，也会对自然生态环境造成难以预计的污染，目前不断重视的环保要求，和越来越严格的自来水厂污泥处置标准，对自来水厂带来了巨大的挑战，急需自来水厂提出资源化利用自来水厂污泥的技术方法。
自来水厂污泥不同于污水污泥、管道污泥和混凝土搅拌站污泥等，其中的成分有着较大的区别，由于自来水厂污泥中，重金属以及不同的致病菌和病原菌等杂质很少，导致自来水厂污泥处置和利用的途径也有所不同，目前对于自来水厂污泥，主要集中在卫生填埋、干化焚烧、制作陶粒和砖、生产水泥和净化污水等方面，但是这些途径对自来水厂污泥的使用量不大，利用率也不高，无法实现对自来水厂污泥高附加值、规模化及资源化的利用。有研究表明，自来水厂污泥具有一定的化学潜在活性，通过高温煅烧，可以消除有机物，降低烧失量，提高化学活性。
混凝土是全球使用量最大的建筑材料之一，其使用量也在不断增加，对原材料的需求量也在急剧增加，导致传统混凝土原材料的供应日益紧张和匮乏。为以后保证混凝土的工程质量，和满足混凝土的生产要求，寻求新的混凝土原材料就迫在眉睫。
因此，现有的混凝土，存在水泥用量较多、制造成本较高和资源化利用较低的问题。
发明内容
本发明为了解决现有混凝土所存在的上述技术问题，提供了一种采用自来水厂污泥制备的绿色混凝土，它具有原料易得、水泥用量较少、制造成本较低和资源化利用较高的特点。
本发明的技术方案：采用自来水厂污泥制备的绿色混凝土，按重量份计，包括以下组分，
水泥300～320份，铝污泥粉50～80份，铝污泥175～195份，河砂530～575份，碎石1090～1150份，减水剂2.5～5份，水130～170份。
本发明使用铝污泥粉代替部分水泥后，重新完善了制备绿色混凝土的组分组成和配比，能够最大规模地资源化再生回收利用自来水厂产生的污泥，最大程度地实现了自来水厂产生的污泥在绿色混凝土中的高附加值利用；本发明由于使用铝污泥粉代替部分水泥，铝污泥粉的使用，减小了自来水厂产生的污泥倾倒在环境中产生的环境污染和资源浪费，可以减少水泥的用量，因此具有更低的成本和更好的生态环保效应；本发明使用由自来水厂产生的污泥制成的铝污泥取代部分河砂，改善了组分的颗粒级配，提高了组分的密实性；本发明使用由自来水厂产生的污泥制成的铝污泥粉取代部分水泥，由于铝污泥粉颗粒相比于水泥较细，可以起到微集料填充效应，随着龄期地增长，铝污泥粉慢慢发挥其活性效应，铝污泥粉中的活性成分，与水泥水化产物生成更多额外的二次水化产物，如C-S-H、C-A-H和CA-SH等，进一步细化了混凝土的内部孔结构，从而改善混凝土性能，使得制得的绿色混凝土具有更好的工作性能和强度；本发明在混凝土中使用由自来水厂的污泥制成的铝污泥和铝污泥粉，符合国家当前倡导的绿色可持续发展之路，制备的本发明中的绿色混凝土，实现了自来水厂污泥在混凝土中的高附加值和资源化利用的目的。
作为优选，按重量份计，包括以下组分，
水泥305～315份，铝污泥粉60～70份，铝污泥180～190份，河砂545～565份，碎石1110～1130份，减水剂3～4.5份，水145～160份。
作为优选，所述绿色混凝土的强度等级为C30～C40；所述水泥和铝污泥粉组成胶凝材料，水胶比为0.35～0.45；所述水泥为P·I的42.5水泥或P·II的42.5水泥。通过将自来水厂的污泥煅烧后形成的物质粉磨成粉变成铝污泥粉，将适量的铝污泥粉当作矿物掺合料取代部分水泥后形成胶凝材料，在胶凝材料中由于铝污泥粉颗粒相比于水泥较细，可以起到微集料填充效应，随着龄期地增长，由于胶凝材料中的铝污泥粉慢慢发挥其活性效应，使得胶凝材料中的活性成分与水泥水化产物生成更多额外的二次水化产物C-S-H、C-A-H和CA-SH等，进一步细化了混凝土内部孔结构，从而更好的改善混凝土性能。
作为优选，所述铝污泥粉的制备方法为，
选取自来水厂的污泥，干燥后，在600～800℃的温度条件下煅烧1～3小时，再粉磨后制得。更优选，选取自来水厂的污泥，干燥后，在650～750℃的温度条件下煅烧1.5～2.5小时，再粉磨后制得。
本发明通过选用自来水厂的污泥来制备铝污泥粉，原料易得，属于资源的合理化处置再利用，避免了资源浪费，也避免了污泥直接排入环境中造成的污染，具有了对环境较为友好的特点；本发明通过将自来水厂的污泥在适宜的温度条件下煅烧合适的时间，例如在700℃的温度条件下煅烧2小时，可更有效地消除污泥中的有机物和杂质，从而进一步降低烧失量，在此基础上粉磨成铝污泥粉，进一步提高了其化学活性；本发明使用铝污泥粉取代部分水泥，减少了水泥的用量，从而降低了制造成本；本发明使用由自来水厂产生的污泥制成的铝污泥粉取代部分水泥，由于铝污泥粉颗粒相比于水泥较细，可以起到微集料填充效应，改善了粉体颗粒级配，随着龄期地增长，铝污泥粉慢慢发挥其活性效应，铝污泥粉中的活性成分，与水泥水化产物生成更多额外的二次水化产物，如C-S-H凝胶、水化铝酸钙C-A-H和无定形C-A-S-H碱凝胶等，进一步细化了混凝土的内部孔结构，从而改善混凝土性能，使得制得的绿色混凝土具有更好的工作性能和强度，拓展了铝污泥的应用范围。
作为优选，所述铝污泥粉的比表面积≥425m2/kg；所述铝污泥粉的28天活性指数≥85％；所述铝污泥粉中Al2O3和SiO2的质量分数均大于35％。通过对铝污泥粉的性能要求，从而保证了本发明中的绿色混凝土具有更好的抗压强度。
作为优选，所述铝污泥的制备方法为，
选取自来水厂的污泥，干燥后，在600～800℃的温度条件下煅烧1～3小时，再过筛得到的粒径不大于4.75mm的铝污泥颗粒。更优选，选取自来水厂的污泥，干燥后，在650～750℃的温度条件下煅烧1.5～2.5小时，再过筛得到的粒径不大于4.75mm的铝污泥颗粒。
本发明通过选用自来水厂的污泥来制备铝污泥颗粒，原料易得，属于资源的合理化处置再利用，避免了资源浪费，也避免了污泥直接排入环境中造成的污染，具有了对环境较为友好的特点；本发明通过将自来水厂的污泥在适宜的温度条件下煅烧合适的时间，例如在700℃的温度条件下煅烧2小时，可以消除铝污泥中的有机物，降低烧失量，提高化学活性，再经过过筛分选可以得到不同尺寸的铝污泥颗粒，来取代部分河砂，更加完善了组分组成，进一步改善了粉体的颗粒级配，提高了组分的密实性，有效改善了绿色混凝土内部结构。
作为优选，所述铝污泥颗粒的细度模数2.3～2.6，所述铝污泥颗粒的颗粒级配为II区。对铝污泥颗粒的参数设定，是为了保证组分的颗粒级配，从而使得本发明绿色混凝土内部结构更加改善，具有更好的抗压强度。
作为优选，所述铝污泥粉在胶凝材料中的含量不大于20％；所述铝污泥和河砂组成细骨料，所述铝污泥在细骨料中的含量不大于25％。本发明使用由自来水厂产生的污泥制成的铝污泥取代部分河砂，以及铝污泥在细骨料中的含量限定，均是为了更好的完善组分组成，进一步改善了细骨料的颗粒级配，提高了组分的密实性，有效改善绿色混凝土的内部结构。
作为优选，所述河砂为中砂，所述河砂的细度模数为2.4～2.8，所述河砂的颗粒级配为II区，所述河砂中的含泥量小于0.5％。更优选，所述河砂为中砂，所述河砂的细度模数为2.6～2.7。对河砂的参数设定，是为了保证河砂的颗粒级配，从而使得本发明绿色混凝土内部结构更加改善，具有更好的抗压强度。
作为优选，所述减水剂为氨基磺酸减水剂，所述减水剂中的固含量不小于20％；所述碎石的粒径范围为5～20mm的连续级配，所述碎石中的针片状颗粒含量小于4％，所述碎石中的含泥量小于0.5％。减水剂中固含量的限定，能够提高水泥的和易性和施工性，从而保证绿色混凝土的强度和密实度；对碎石的参数设定，是为了保证碎石的颗粒级配，从而使得本发明绿色混凝土内部结构更加改善，具有更好的抗压强度。
本发明具有如下有益效果：
(1)使用铝污泥粉代替部分水泥后，重新完善了制备绿色混凝土的组分组成和配比，能够最大规模地资源化再生回收利用自来水厂产生的污泥，最大程度地实现了自来水厂产生的污泥在绿色混凝土中的高附加值利用；
(2)由于使用铝污泥粉代替部分水泥，铝污泥粉的使用，减小了自来水厂产生的污泥倾倒在环境中产生的环境污染和资源浪费，可以减少水泥的用量，因此具有更低的成本和更好的生态环保效应；
(3)使用由自来水厂产生的污泥制成的铝污泥取代部分河砂，改善了组分的颗粒级配，提高了组分的密实性；
(4)使用由自来水厂产生的污泥制成的铝污泥粉取代部分水泥，由于铝污泥粉颗粒相比于水泥较细，可以起到微集料填充效应，随着龄期地增长，铝污泥粉慢慢发挥其活性效应，铝污泥粉中的活性成分，与水泥水化产物生成更多额外的二次水化产物，如C-S-H、C-A-H和CA-SH等，进一步细化了混凝土的内部孔结构，从而改善混凝土性能，使得制得的绿色混凝土具有更好的工作性能和强度；
(5)在混凝土中使用由自来水厂的污泥制成的铝污泥和铝污泥粉，符合国家当前倡导的绿色可持续发展之路，制备的本发明中的绿色混凝土，实现了自来水厂污泥在混凝土中的高附加值和资源化利用的目的。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
采用自来水厂污泥制备的绿色混凝土，按重量份计，包括以下组分，
水泥300～320份，铝污泥粉50～80份，铝污泥175～195份，河砂530～575份，碎石1090～1150份，减水剂2.5～5份，水130～170份。
采用自来水厂污泥制备的绿色混凝土，按重量份计，包括以下组分，
水泥305～315份，铝污泥粉60～70份，铝污泥180～190份，河砂545～565份，碎石1110～1130份，减水剂3～4.5份，水145～160份。
绿色混凝土的强度等级为C30～C40；水泥和铝污泥粉组成胶凝材料，水胶比为0.35～0.45；水泥为P·I的42.5水泥或P·II的42.5水泥。
铝污泥粉的制备方法为，
选取自来水厂的污泥，干燥后，在600～800℃的温度条件下煅烧1～3小时，再粉磨后制得。
铝污泥粉的比表面积≥425m2/kg；铝污泥粉的28天活性指数≥85％；铝污泥粉中Al2O3和SiO2的质量分数均大于35％。
铝污泥的制备方法为，
选取自来水厂的污泥，干燥后，在600～800℃的温度条件下煅烧1～3小时，再过筛得到的粒径不大于4.75mm的铝污泥颗粒。
铝污泥颗粒的细度模数2.3～2.6，铝污泥颗粒的颗粒级配为II区。
铝污泥粉在胶凝材料中的含量不大于20％；铝污泥和河砂组成细骨料，铝污泥在细骨料中的含量不大于25％。
河砂为中砂，河砂的细度模数为2.4～2.8，河砂的颗粒级配为II区，河砂中的含泥量小于0.5％。
减水剂为氨基磺酸减水剂，减水剂中的固含量不小于20％；碎石的粒径范围为5～20mm的连续级配，碎石中的针片状颗粒含量小于4％，碎石中的含泥量小于0.5％。
实施例1：
采用自来水厂污泥制备的绿色混凝土，按重量份计，包括以下组分，
水泥300份，铝污泥粉50份，铝污泥175份，河砂530份，碎石1135份，减水剂2.8份，水157份。
绿色混凝土的强度等级为C30～C40；水泥和铝污泥粉组成胶凝材料，水胶比为0.45；水泥为P·I的42.5水泥。
铝污泥粉的制备方法为，
选取自来水厂的污泥，干燥后，在600℃的温度条件下煅烧1小时，再粉磨后制得。
铝污泥粉的比表面积≥425m2/kg；铝污泥粉的28天活性指数≥85％；铝污泥粉中Al2O3和SiO2的质量分数均大于35％。
铝污泥的制备方法为，
选取自来水厂的污泥，干燥后，在600℃的温度条件下煅烧1小时，再过筛得到的粒径不大于4.75mm的铝污泥颗粒。
铝污泥颗粒的细度模数2.3，铝污泥颗粒的颗粒级配为II区。
铝污泥粉在胶凝材料中的含量不大于20％；铝污泥和河砂组成细骨料，铝污泥在细骨料中的含量不大于25％。
河砂为中砂，河砂的细度模数为2.4，河砂的颗粒级配为II区，河砂中的含泥量小于0.5％。
减水剂为氨基磺酸减水剂，减水剂中的固含量不小于20％；碎石的粒径范围为5～20mm的连续级配，碎石中的针片状颗粒含量小于4％，碎石中的含泥量小于0.5％。
本实施例得到的绿色混凝土28天抗压强度为33.5MPa。
实施例2：
采用自来水厂污泥制备的绿色混凝土，按重量份计，包括以下组分，
水泥320份，铝污泥粉80份，铝污泥195份，河砂575份，碎石1100份，减水剂4.2份，水140份。
绿色混凝土的强度等级为C30～C40；水泥和铝污泥粉组成胶凝材料，水胶比为0.35；水泥为P·II的42.5水泥。
铝污泥粉的制备方法为，
选取自来水厂的污泥，干燥后，在800℃的温度条件下煅烧3小时，再粉磨后制得。
铝污泥粉的比表面积≥425m2/kg；铝污泥粉的28天活性指数≥85％；铝污泥粉中Al2O3和SiO2的质量分数均大于35％。
铝污泥的制备方法为，
选取自来水厂的污泥，干燥后，在800℃的温度条件下煅烧3小时，再过筛得到的粒径不大于4.75mm的铝污泥颗粒。
铝污泥颗粒的细度模数2.6，铝污泥颗粒的颗粒级配为II区。
铝污泥粉在胶凝材料中的含量不大于20％；铝污泥和河砂组成细骨料，铝污泥在细骨料中的含量不大于25％。
河砂为中砂，河砂的细度模数为2.8，河砂的颗粒级配为II区，河砂中的含泥量小于0.5％。
减水剂为氨基磺酸减水剂，减水剂中的固含量不小于20％；碎石的粒径范围为5～20mm的连续级配，碎石中的针片状颗粒含量小于4％，碎石中的含泥量小于0.5％。
本实施例得到的绿色混凝土28天抗压强度为44.7MPa。
实施例3：
采用自来水厂污泥制备的绿色混凝土，按重量份计，包括以下组分，
水泥305份，铝污泥粉60份，铝污泥180份，河砂545份，碎石1110份，减水剂3份，水145份。
绿色混凝土的强度等级为C30～C40；水泥和铝污泥粉组成胶凝材料，水胶比为0.45；水泥为P·I的42.5水泥。
铝污泥粉的制备方法为，
选取自来水厂的污泥，干燥后，在600℃的温度条件下煅烧1小时，再粉磨后制得。
铝污泥粉的比表面积≥425m2/kg；铝污泥粉的28天活性指数≥85％；铝污泥粉中Al2O3和SiO2的质量分数均大于35％。
铝污泥的制备方法为，
选取自来水厂的污泥，干燥后，在600℃的温度条件下煅烧1小时，再过筛得到的粒径不大于4.75mm的铝污泥颗粒。
铝污泥颗粒的细度模数2.3，铝污泥颗粒的颗粒级配为II区。
铝污泥粉在胶凝材料中的含量不大于20％；铝污泥和河砂组成细骨料，铝污泥在细骨料中的含量不大于25％。
河砂为中砂，河砂的细度模数为2.4，河砂的颗粒级配为II区，河砂中的含泥量小于0.5％。
减水剂为氨基磺酸减水剂，减水剂中的固含量不小于20％；碎石的粒径范围为5～20mm的连续级配，碎石中的针片状颗粒含量小于4％，碎石中的含泥量小于0.5％。
本实施例得到的绿色混凝土28天抗压强度为35.2MPa。
实施例4：
采用自来水厂污泥制备的绿色混凝土，按重量份计，包括以下组分，
水泥315份，铝污泥粉70份，铝污泥190份，河砂565份，碎石1130份，减水剂4.5份，水160份。
绿色混凝土的强度等级为C30～C40；水泥和铝污泥粉组成胶凝材料，水胶比为0.35；水泥为P·II的42.5水泥。
铝污泥粉的制备方法为，
选取自来水厂的污泥，干燥后，在800℃的温度条件下煅烧3小时，再粉磨后制得。
铝污泥粉的比表面积≥425m2/kg；铝污泥粉的28天活性指数≥85％；铝污泥粉中Al2O3和SiO2的质量分数均大于35％。
铝污泥的制备方法为，
选取自来水厂的污泥，干燥后，在800℃的温度条件下煅烧3小时，再过筛得到的粒径不大于4.75mm的铝污泥颗粒。
铝污泥颗粒的细度模数2.6，铝污泥颗粒的颗粒级配为II区。
铝污泥粉在胶凝材料中的含量不大于20％；铝污泥和河砂组成细骨料，铝污泥在细骨料中的含量不大于25％。
河砂为中砂，河砂的细度模数为2.8，河砂的颗粒级配为II区，河砂中的含泥量小于0.5％。
减水剂为氨基磺酸减水剂，减水剂中的固含量不小于20％；碎石的粒径范围为5～20mm的连续级配，碎石中的针片状颗粒含量小于4％，碎石中的含泥量小于0.5％。
本实施例得到的绿色混凝土28天抗压强度为43.2MPa。
实施例5：
采用自来水厂污泥制备的绿色混凝土，按重量份计，包括以下组分，
水泥310份，铝污泥粉60份，铝污泥180份，河砂560份，碎石1125份，减水剂3.5份，水148份。
绿色混凝土的强度等级为C30～C40；水泥和铝污泥粉组成胶凝材料，水胶比为0.40；水泥为P·I的42.5水泥。
铝污泥粉的制备方法为，
选取自来水厂的污泥，干燥后，在7800℃的温度条件下煅烧2小时，再粉磨后制得。
铝污泥粉的比表面积≥425m2/kg；铝污泥粉的28天活性指数≥85％；铝污泥粉中Al2O3和SiO2的质量分数均大于35％。
铝污泥的制备方法为，
选取自来水厂的污泥，干燥后，在700℃的温度条件下煅烧2小时，再过筛得到的粒径不大于4.75mm的铝污泥颗粒。
铝污泥颗粒的细度模数2.5，铝污泥颗粒的颗粒级配为II区。
铝污泥粉在胶凝材料中的含量不大于20％；铝污泥和河砂组成细骨料，铝污泥在细骨料中的含量不大于25％。
河砂为中砂，河砂的细度模数为2.6，河砂的颗粒级配为II区，河砂中的含泥量小于0.5％。
减水剂为氨基磺酸减水剂，减水剂中的固含量不小于20％；碎石的粒径范围为5～20mm的连续级配，碎石中的针片状颗粒含量小于4％，碎石中的含泥量小于0.5％。
本实施例得到的绿色混凝土28天抗压强度为45.5MPa。
Claims (10)
1.采用自来水厂污泥制备的绿色混凝土，其特征是：按重量份计，包括以下组分，
水泥300～320份，铝污泥粉50～80份，铝污泥175～195份，河砂530～575份，碎石1090～1150份，减水剂2.5～5份，水130～170份。
2.根据权利要求1所述的采用自来水厂污泥制备的绿色混凝土，其特征是：按重量份计，包括以下组分，
水泥305～315份，铝污泥粉60～70份，铝污泥180～190份，河砂545～565份，碎石1110～1130份，减水剂3～4.5份，水145～160份。
3.根据权利要求1所述的采用自来水厂污泥制备的绿色混凝土，其特征是：所述绿色混凝土的强度等级为C30～C40；所述水泥和铝污泥粉组成胶凝材料，水胶比为0.35～0.45；所述水泥为P·I的42.5水泥或P·II的42.5水泥。
4.根据权利要求1所述的采用自来水厂污泥制备的绿色混凝土，其特征是：所述铝污泥粉的制备方法为，
选取自来水厂的污泥，干燥后，在600～800℃的温度条件下煅烧1～3小时，再粉磨后制得。
5.根据权利要求4所述的采用自来水厂污泥制备的绿色混凝土，其特征是：所述铝污泥粉的比表面积≥425m2/kg；所述铝污泥粉的28天活性指数≥85％；所述铝污泥粉中Al2O3和SiO2的质量分数均大于25％。
6.根据权利要求1所述的采用自来水厂污泥制备的绿色混凝土，其特征是：所述铝污泥的制备方法为，
选取自来水厂的污泥，干燥后，在600～800℃的温度条件下煅烧1～3小时，再过筛得到的粒径不大于4.75mm的铝污泥颗粒。
7.根据权利要求6所述的采用自来水厂污泥制备的绿色混凝土，其特征是：所述铝污泥颗粒的细度模数2.3～2.6，所述铝污泥颗粒的颗粒级配为II区。
8.根据权利要求3所述的采用自来水厂污泥制备的绿色混凝土，其特征是：所述铝污泥粉在胶凝材料中的含量不大于20％；所述铝污泥和河砂组成细骨料，所述铝污泥在细骨料中的含量不大于25％。
9.根据权利要求1所述的采用自来水厂污泥制备的绿色混凝土，其特征是：所述河砂为中砂，所述河砂的细度模数为2.4～2.8，所述河砂的颗粒级配为II区，所述河砂中的含泥量小于0.5％。
10.根据权利要求1所述的采用自来水厂污泥制备的绿色混凝土，其特征是：所述减水剂为氨基磺酸减水剂，所述减水剂中的固含量不小于20％；所述碎石的粒径范围为5～20mm的连续级配，所述碎石中的针片状颗粒含量小于4％，所述碎石中的含泥量小于0.5％。
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