城市生活污泥是在城市生活污水和工业废水进行净化处理的过程中,产生的沉淀物质及污水表面漂出的浮渣,我国每年产生的污泥量约为420万吨,折合含水80%的脱水污泥约2100万吨,若不经处理排放到自然环境中,会占用大量的土地资源并对环境造成危害;工业电镀厂含铬污泥中其有害成分主要为1%~2%的铬酸钙(致癌物)和0.5%~1%的水溶性六价铬(剧毒物),对人体的消化道、呼吸道、皮肤等都有危害,甚至可以引发皮肤癌、肺癌等疾病,目前我国积累了200多万吨含铬污泥,并且每年还以超过40万吨的数量增加,是公认的危险固体废物之一。城市污泥中含有Si、Al、Ca、Fe等建筑材料的基本组成元素,具有潜在的建材化利用价值,可通过一定的处理方式,应用于建筑领域,以解决城市污泥堆放污染环境的问题,具有十分重要的环保意义和可观的经济价值。本文依托国家“十二五”科技支撑计划项目(2011BAJ04B05-02)、国家自然科学基金(51272192)开展研究,采用城市污泥为主要原材料,添加粉煤灰、页岩等进行化学组分校正,通过高温煅烧制备防辐射集料和超轻集料。通过配合比设计和烧成制度优化,揭示了n值((SiO2+Al2O3)/(R2O+RO+Fe2O3))、硅铝比(Al2O3/SiO2)、烧成制度对集料物理力学性能、矿物组成和微观结构的影响规律;并通过XRD、SEM测试技术对集料的微观结构进行分析,探明集料矿物组成、微观结构对其物理力学性能、射线屏蔽性能的影响,掌握了采用城市生活污泥及含铬污泥制备不同密度、不同功能集料的配合比设计方法,为含重金属的固体废弃物资源化利用提供新的思路和推广应用方向。本文进行的主要工作和取得的重要成果有:本文系统研究了集料中各原材料的组成、预热制度、温升速率、煅烧制度对集料微观结构、各项物理力学性能的影响规律,探讨了城市污泥、铬渣制备人工集料的焙烧机理,确定了超轻集料及防辐射集料的合理组成和制备关键技术,超轻集料的最佳配比为W(SiO2)=53%,W(Al2O3)=25%,W(RO+R2O)=11%,优化煅烧制度为1180℃~1220℃下煅烧10~20min,该条件制备的超轻集料表观密度在0.7~1.1 g/cm3之间,筒压强度大于1Mpa。利用含铬电镀污泥,以城市生活污泥及页岩为校正材料,控制n值4.0~6.0、硅铝比2.2~2.8的生料配合比设计方法,在烧成制度为500~600℃预热15min,1200℃~1220℃下煅烧10~30min条件下,可制备出表观密度0.9~1.2 g/cm3,抗压强度高于1MPa的轻集料。含铬污泥防辐射集料的n值宜取1.5~2.0之间,优化烧成制度为450℃~550℃预热10~15min,1160~1190℃下煅烧30~40min,在该条件下可制备出表观密度高于2.30g/cm3,抗压强度高于5MPa,1h吸水率低于8%,对0.662MeV的γ射线线性衰减系数达0.172cm-1的防辐射集料。采用XRD、SEM对集料的微观组成和结构进行了深入研究,揭示了集料的n值、硅铝比和烧成制度对集料孔隙结构、矿物组成的影响规律。结果表明:防辐射功能集料中的矿物组成主要有石英、镁铁矿、褐铁矿、辉石矿、钙长石等,超轻集料中的物相有石英、钙长石、褐铁矿、磁铁矿和钙辉石等;经高温煅烧后,Cr、Zn、Ti、Al、Si等元素均匀的分布在集料中,仅有少量的K、Na元素有微区富集现象,重金属元素的固熔率都在80%以上,各重金属元素的浸出率皆远低于1mg/L,符合国标要求;防辐射集料的内部孔隙都是孤立存在的球状孔,孔隙率低,而超轻集料的孔隙率相对较高,存在少量的连通孔隙和狭长状裂缝。