利用煤矸石、页岩、污泥制备烧结砖的研究

随着城市化进程和工业生产的飞速发展，城镇生活污水及工业废水排放量与日俱增。在国家节能减排和“两山”理念政策下，污水、废水处理技术快速发展，水环境治理取得一定成效，但污水、废水处理过程中产生的污泥未能得到有效处置和利用，其排放量、堆存量逐年增加。我国现有污泥处理手段主要有焚烧（占 3%)、自然干化 ( 占 6% )、堆肥 ( 占 15%)、填埋（占 65%） 等。煤矸石是采煤和洗煤过程中排放的固体废弃物，是我国目前排放量最大的工业固体废弃物之一。以煤矸石和污泥为原料制硅，是大宗利用固体废弃物的有效途径。

裴会芳等以煤矸石和城市污泥为原料制备出抗压强度为 10.27 MPa 的烧结砖。林子增等以城市污泥等量取代黏土制备烧结砖，污泥掺量为2%时，可以达到 MU20 强度等级；污泥掺量为5%时，可以达到 MU15 强度等级。蹇守卫等以污泥和页岩为原料，烧结出多孔污泥墙体材料，具有较较好的节能效果。李大伟等以污泥和废陶瓷为原料，制得透水系数为3.5×10^-2 cm/s、抗压强度为 57.7 MPa的试样（试样尺寸φ7.5 cm×5 cm）。Bernd 等将干燥后的污泥和黏土均匀混合，经 1000~1180 ℃焙烧制备烧结砖。文献先将污泥焚烧成灰，再把污泥灰和黏土按不同配比混合，经 1000 ℃ 烧制成砖，掺入 10% 污泥灰所制备的烧结砖强度大于纯黏土砖。Pinaki 等直接将湿污泥和黏土混合制备烧结砖，既节约干燥污泥的能耗，又降低成型用水量，便于工业化生产。

本试验首先对煤矸石、页岩和污泥的化学成分、物相组成、热重-差热等基本特性进行分析，然后以煤矸石、页岩、污泥为原料制备烧结砖，固废利用率高达 50%~70%。利用污泥、煤矸石等固体废弃物制备烧结砖，不但减缓了对天然黏土的过度开发，也有效降低了这些固废造成的安全隐患和环境问题。

1试验部分

1.1原料

试验所用污泥取自平顶山舞钢市某造纸厂，加入生石灰脱水，经板框压滤、自然风干后含水率为 10.18%（105 ℃烘干至恒重），有机物质量分数为 13.21%（550 ℃ /1 h）；煤矸石来自平煤集团某矿区，破碎后过 1.18 mm 筛；页岩取自平顶山鲁山县，破碎后，过 1.18 mm 筛。

1.1.1 化学成分分析：采用 Primus Ⅱ X 射线荧光光谱仪对原料的化学成分进行分析，结果见表1。煤矸石和页岩主要化学成分为SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃。污泥主要化学成分为CaO 、Fe₂O₃、SO₃。污泥中大量的钙和煤矸石、页岩中大量的硅在烧结过程中可以发生固相反应，形成硅酸盐矿物，有利于烧结砖强度的提高。

1.1.2 物相组成分析：原料物相组成采用 X’Pert PRO MPD型X射线衍射（XRD）仪进行分析，Cu靶，管电压40 kV，电流40 mA，结果见图1。从图1可看出，污泥中含有大量CaC O3相，主要是污泥脱水时加入大量的石灰产生。煤矸石和页岩的主要物相为黏土矿物（多水高岭石、高岭石）和石英。以煤矸石和页岩为主要原料制备烧结砖，既利用其中的黏土矿物，又利用煤矸石热量，节省了燃料，实现制砖不用土，烧砖少耗煤或不耗煤。

1.1.3 污泥的热重-差热分析：污泥的热重-差热分析曲线，见图2。从图2可看出，20~200 ℃失重，主要是污泥中自由水分蒸发；200~700 ℃失重，主要是结合水和污泥中有机物去除；300 ℃左右出现明显的放热峰，主要是污泥中有机物燃烧产生的热量；700~800 ℃出现明显失重，并伴随较大吸热量，主要是因为污泥中CaCO₃分解。20~700 ℃污泥中自由水、结合水、有机物去除，会引起烧结砖体积变化，为防止出现变形、开裂缺陷，应采用较慢的升温速度（2 ℃/min）；700~800 ℃污泥中CaCO₃分解，产生大量CO₂，应注意高温炉的排气通畅。

1.2 煤矸石-页岩-污泥烧结砖的制备 

将煤矸石、污泥和页岩混合均匀后加入适量水，在搅拌机中继续搅拌5 min。将混合料倒入240 mm×115 mm×53 mm标准砖模具中压制成型，成型压力为15 MPa，保压3 min。成型砖坯经950~1100 ℃烧结6 h，升温制度：20~700℃（2℃/min）、700~1100 ℃（5 ℃/min），烧结砖制备工艺，见图3。

2 结果与讨论

2.1 煤矸石-页岩-污泥烧结砖的强度

以煤矸石、页岩和污泥为原料，按照图3工艺流程制备烧结砖，强度、密度、吸水率测试结果，见表2。由表2可知，原料中煤矸石、页岩、污泥的比例不变时，在950~1 050 ℃烧结，随着烧结温度的升高，烧结砖强度明显增大；当烧结温度由1 050 ℃升高至1 100 ℃，砖的强度变化很小。烧结温度直接影响烧结砖的传质过程，随着温度的提高，固相传质驱动力增大，扩散系数增大，会促进砖的致密化，提高其强度。固相传质基本结束后，继续提高温度对砖的强度贡献不大，甚至温度过高时会出现异常长大的晶粒，破坏整体结构的均匀性，不利于砖的强度发展。

煤矸石用量为40%~60%、页岩用量为30%~50%时，随着煤矸石含量降低、页岩含量增加，烧结砖强度逐渐增大（A1、B1、C1；A2、B2、C2；A3、B3、C3；A4、B4、C4）。

污泥配比为10%、煤矸石为40%~60%、页岩为30%~50%，可以制备出强度达到GB/T 5101-2017《烧结普通砖》中MU5（A2、A3、A4）、MU10（B1~B4、C1、C2）和MU15（C3、C4）等级的烧结砖，密度为1.65~1.81 g/cm³，吸水率为13~17%，固废利用率为50~70%。

2.2 烧结砖的物相分析 

利用煤矸石、页岩和污泥制备的烧结砖含有多种矿物相，不同的矿物性质直接影响烧结砖的微观结构和性能。对1050 ℃/6 h烧结的污泥砖进行 XRD 分析，结果见图 4。

由图4可知，烧结砖的主要物相为SiO₂、钙长石CaAl₂Si₂O₈、Al₂O₃、Ca₃Si₂O₇等，对比原料物相组成，烧结过程中新生成了Ca₃Si₂O₇和熔剂性物质长石。Ca₃Si₂O₇由黏土矿物和污泥中的氧化钙发生固相反应生成，固相反应是烧结黏结成块并具有一定强度的基本原因。长石可以与硅酸盐矿物形成低共熔物，促进黏土矿物及石英熔化，进而形成少量液相。产生的液相分布在烧结砖内部，促使固相颗粒发生溶解-沉淀、滑移、重排等过程，改善了砖内部的孔结构，有利于提高强度。

3 结论

（1）. 煤矸石和页岩的主要化学成分为SiO 2、Al2O3、Fe2O3，主要物相为多水高岭石、高岭石和SiO 2；污泥的主要化学成分为CaO 、Fe2O3 、SO3，主要物相为CaCO3，有机物质量分数13.21%。利用煤矸石、页岩和污泥制备的烧结砖主要物相为SiO 2、钙长石CaA l2Si2O8、Al2O3、Ca3Si2O7，烧结过程中新生成了熔剂物质长石，有利于烧结砖强度的提高。

2.煤矸石用量为40%~60%、页岩用量为30%~50%时，随着煤矸石含量的降低、页岩含量的增加，烧结砖强度逐渐增大。污泥配比为10%、煤矸石为40%~60%、页岩为30%~50%，可以制备出MU5、MU10和MU15不同强度等级的烧结砖，密度为1.65~1.81 g/cm3，吸水率为13%~17%，固废利用率高达50%~70%。