粉煤灰和污水处理厂污泥单组分地聚物混合物设计研究

李 波，周旭盛，陈芝海

（1.杭州达康环境工程有限公司，浙江 杭州 310052；2.温州金源海拓环境技术有限公司，浙江 温州 325000；3.浙江伟明环保股份有限公司，浙江 温州 325000）

人类进入21 世纪，经济社会可持续性发展指引着科学技术研究的前进方向[1]。伴随着工业化进行的不断深化，资源与能源消耗加速，以及随之产生大量的工业废物，这些废物的循环利用和合理处理处置已成为重要研究课题[2]。因此，在建筑领域，寻找环保绿色替代品是现代建筑材料研究和开发的方向。据相关学者测算，建筑业能耗占全球能源消耗40%以上，CO2排放量显著高于交通运输业等其它行业[3]。尽管如此，我国建筑业对资源和能源的需求仍在持续高速增长[4]。因此，寻求可持续循环环保建筑材料来取代目前使用的非生态环境友好型材料，减少CO2生态足迹显得尤为必要且迫切。

地质聚合物是一种无机粘合剂，由固体Al2O3和含硅材料（通常来源于工业废料）的碱性活化形成[5]。目前，地质聚合物已成为一种潜在的混凝土粘合剂-普通硅酸盐水泥（OPC）的环保替代品。据相关报道[6,7]，地质聚合物生产可将传统水泥熟料的CO2排放量控制在60%～80%。此外，由于独特的耐热性和耐火性，地质聚合物在其他领域得到了越来越多的应用[8]。以往的研究表明，泡沫混凝土的脆性不适合弯曲和挤压载荷。纤维加固通常通过允许荷载传递和裂缝桥接来提高机械强度[9]。胶凝材料中常用的增强纤维包括钢纤维和聚合物纤维[10]。天然纤维以其固有的力学性能、低密度、低成本、丰富性和生物可降解性，近年来得到了广泛的应用[11]。

粉煤灰（FA）是燃煤火力发电厂的副产品[12]。它含有大比例的反应性硅酸盐和铝酸盐，可用作地质聚合物前体，与碱活化剂溶液反应形成无机聚合物网络。已发现基于FA 的地质聚合物具有优越的建筑应用强度[13]。水处理污泥（WTS）是来自城镇污水处理厂的残留物。在环境监管范畴划为非危险废物，通常被弃置于垃圾填埋场或者焚烧无害化、减量化处理[14]。然而，WTS 可能适用于岩土材料的制造。例如，WTS 在基于FA 的地质聚合物中用作轻质骨料。

本文设计了一种由粉煤灰和水处理污泥组成的单组分地质聚合物材料，逐步回归分析评估每种组分之间的相互作用。运用最高压缩强度和最小容重的响应面分析，寻找最佳配比。为粉煤灰和水处理污泥地质聚合物在建筑行业的应用提供了参考。

1 实验部分

1.1 材料和设备

粉煤灰取自浙江某发电厂，无需任何预处理即可使用；水处理污泥取自浙江温州某污水处理厂，将湿污泥在105℃下干燥过夜，使用研磨机研磨10,000 次；优级纯的无水NaOH（99%）和无水铝酸钠（NaAlO2）用作活化剂，购自国药集团化学试剂有限公司；美国密理博公司Milli-Q Academic 制备实验室超纯水。

SU3500 型扫描电子显微镜（TEM）（日立高科技有限公司）。

1.2 地质聚物的合成方法

FA 和 WTS 混合物被固体 NaOH 和 NaAlO2活化。使用固体活化剂创建单组分地质聚合物系统，可以解决在两部分地质聚合物系统中使用腐蚀性和粘性碱活化剂溶液的缺点[15]。地质聚合物通常由两部分制成，即通常来自工业副产物的硅铝酸盐固体和碱活化剂。

在机械搅拌器中将FA 与WTS 混合。将固体NaOH 和NaAlO2加入到原料中并连续混合1min。之后，将水倒入固体混合物中，使用机械混合器进行混合 10～30min。将糊状物倒入 50×50×50mm 的模具中。钢模预先涂上润滑脂，以便更容易脱模。为了防止碱活化样品表面碳化，所有立方块都保存在塑料袋中。在室温下固化21d，测试抗压强度和容重测定。

表1 两种地聚物的混合成份Tab.1 Mixed components of two geopolymers

1.3 混料设计和响应面分析

混合物设计是实验的优化设计，其中所有因素都是混合物的组分。每种组分的比例在表1 所示的范围内变化。基于初步实验，NaAlO2和NaOH 的百分比之和不应超过15%。运用Design-Expert V8.06软件混料设计，选择了30 种不同的组合，以适应完整的立方体模型。无侧限抗压强度试验按照ASTM C109 标准执行[16]。测量样本的尺寸，使用压缩和弯曲试验机测试50mm 立方体。暴露于该力的两个表面都被抛光以避免在测试过程中的高偏差。加载速度固定在0.35kPa·s-1，记录结果。计算每次运行的3次重复的平均值。

以最高抗压强度和最低容重作为最佳混料配比目标，应用期望函数进行多响应面分析。期望函数di是响应变量到0 到1 比例的变换。响应0 表示完全不合需要的响应，1 表示最理想的响应。如果对所有响应进行同等评估，则总体满意度函数计算如下：

2 结果与讨论

2.1 粉煤灰与污泥地质聚合物性质

图1、2 显示了抗压强度和单位重量随粉煤灰比例变化的趋势。

图1 FA 含量与材料抗压强度的关系Fig.1 Relationship between FA content and compressive strength

图2 FA 含量与材料容重的关系Fig.2 Relationship between FA content and material bulk density

总的来说，较高的FA 导致部分强链聚合物的体积密度较大。由于FA 是燃煤过程的副产品，已经在高温下热激活，因此，较高的FA 用量增加了反应相比例，从而提高了地聚反应速率，增强了地聚物基体。但随着前驱体浓度的增加，FA 胶凝材料的密度增大。另一方面，WTS 对混合物的影响是降低地聚合物产品的体积密度。

图3 WTS 含量与材料抗压强度的关系Fig.3 Relationship between WTS content and compressive strength of materials

图4 WTS 含量与材料容重的关系Fig.4 Relationship between WTS content and material bulk density

如图3、4 所示，WTS 比例的增加导致地聚合物单位重量的降低。然而，较高的WTS 百分比降低了产品的抗压强度。若无添加WTS，粘合剂的抗压强度可以达到20 MPa 以上。同时，添加30%的污泥导致低强度样品（<5MPa）。正如之前相关学者文献报道所观察到的，在粉煤灰地质聚合物中充当轻集料的WTS 似乎是相对不活跃的[17]。

2.2 响应面法混料设计优化配比

使用Design-Expert V8.06 软件进行混料设计。根据实验条件，将FA、WTS、NaOH 三者所占质量分数设置见表2。

表2 三组分混料设计各组分占比设置Tab.2 Proportion setting of each component in three component mixture design

经过13 组实验，分别获得每组样品的抗压强度和容重，结果见表3。

表3 混料设计实验结果表Tab.3 Experimental results of mixture design

经过拟合获得抗压强度和容重的回归方程，式（2）、式（3）：

根据式（3）、式（4）设置最高抗压强度，最小容重进行寻优；寻优结果见图3。综合响应分析得出混料设计地质聚物的最佳组成为72.3%FA、21.7%WTS、6% NaOH。根据ASTM C129 标准，最佳成分的抗压强度值为1.09 MPa，产品容重1877.7kg·m-3在中等砖重范围内。

2.3 粉煤灰水处理污泥地质聚合物SEM 图

通过2.2 混料设计，在最佳配比条件下，制得混合材料的扫描电镜见图5。

图5 地质聚合物平行样SEM 图Fig.5 SEM of geopolymer parallel sample

由图5 发现，显示混合地质聚合物较其单一组分有较大变化。两个平行样品中，FA 的微球形状已很难找到。同时，SEM 图像显示了混料地质聚合物经过研磨后的细小颗粒。究其原因，NaOH 加入混料中可能削弱了FA 的球体结构。

3 结论

研究表明，粉煤灰（CFA）和水处理污泥（WTS）可作为一种单组分的地质聚合物建筑用粘结剂。实验的混合料设计表明，随着FA 含量的增加，抗压强度提高，FA 是一种良好的地质聚合物基材料。向混合物中添加WTS 可降低粘合剂的单位重量，但也会降低产品的抗压强度。在抗压强度最大、单位重量最小的混料设计分析中，给出了FA 72.3%、WTS 21.7%、NaOH 6%的最佳组成。最佳组合的抗压强度和容重分别为 1.09MPa 和 1877.7kg·m-3。