大摻量污泥灰對泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)和性能的影響研究

陳　艷，李庚英，熊光晶

（1.汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東　汕頭　515000；2.汕頭大學(xué)工學(xué)院，廣東　汕頭，515063）

大摻量污泥灰對泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)和性能的影響研究

陳艷1，2，李庚英2，熊光晶2

（1.汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東汕頭515000；2.汕頭大學(xué)工學(xué)院，廣東汕頭，515063）

泡沫混凝土；污泥灰（SSA）；氣孔結(jié)構(gòu)；抗壓強度；導(dǎo)熱系數(shù)

0　前言

泡沫混凝土是將發(fā)泡劑產(chǎn)生的泡沫引入水泥基材料中，經(jīng)成型及養(yǎng)護形成含大量封閉氣孔的輕質(zhì)混凝土［1-2］.泡沫混凝土同有機保溫材料相比，具有綠色環(huán)保、耐火性好、耐久性好、成本低、來源廣等優(yōu)勢［3］.同其他無機保溫材料相比，又具有流動性高、集料消耗少、質(zhì)量輕，以及保溫隔熱、隔聲、抗震等優(yōu)異性能，在各類建筑、尤其是建筑節(jié)能中具有廣泛的應(yīng)用前景，受到了人們的廣泛關(guān)注［4-5］.作為一種保溫建筑材料，強度和熱工性能仍是泡沫混凝土的主要性能.多孔材料的強度，不僅決定于其基體材料的強度，也取決于其孔結(jié)構(gòu)，包括孔尺寸、孔形狀和孔隙率［6］.同時，由于泡沫混凝土內(nèi)部存在大量孔隙，形成了大量能阻斷或減緩熱流通過的細小而分布均勻的氣孔，導(dǎo)致泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)與普通混凝土相比較低［7］.

城市污泥是污水處理廠和污水處理的必然產(chǎn)物，其最佳出路是無害化處理、資源化利用、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展［8-9］.Wang，K.-S.［10］研究了污泥灰摻量對泡沫混凝土的性能及孔結(jié)構(gòu)的影響及其相關(guān)性；Sales［11-12］研究了污泥作為混凝土骨料，試驗對比了同樣污泥摻量對輕質(zhì)混凝土和普通混凝土導(dǎo)熱性能的影響，結(jié)果表明，摻加了同量污泥的輕質(zhì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)要比普通混凝土低23%；Yagüe，A等［13］對于脫水干化的污泥用于混凝土進行了研究，表明因為污泥的加入，混凝土的各方面性能隨著污泥的加入而下降，但當(dāng)污泥作為微集料加入量2.5%時，混凝土90 d的強度達到了78%，這種混凝土可用路基、地基等，以及對于早期強度要求不高的工程中.鑒于污泥灰的綠色效應(yīng)，本文研究大摻量污泥灰（摻量最高達65%）對水泥-污泥灰泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和熱工性能的影響及其相關(guān)性，分析大摻量污泥灰對水泥-污泥灰泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)，包括Feret孔徑、氣孔形狀因子S和孔隙率P的影響.

1　試驗原材料及方法

1.1原材料

（1）水泥：廣東產(chǎn)塔牌42.5級普通硅酸鹽水泥。

（2）污泥灰：汕頭市污水處理廠污泥，在焚燒爐中以1 060°C焚燒3 h，然后通過分解機分解2 h得到.水泥、污泥灰的化學(xué)組成和性能見表1.

表1　水泥、污泥灰的化學(xué)組成與性能

（3）發(fā)泡劑：雷邦士表面活性發(fā)泡劑。

（4）減水劑：上海某公司購買的Mighty-150減水劑。

1.2泡沫混凝土試塊配合比設(shè)計及制備

（1）配合比設(shè)計：本試驗原材料采用混合料固定體積法進行配合比設(shè)計。各原材料的試驗用量如表2所示.

（2）試塊制備：首先，使用高速攪拌機將設(shè)定比例的泡沫劑水溶液制成泡沫，攪拌時間5 min.再按設(shè)定的配合比，先將水泥、污泥灰均勻攪拌2 min，再加入水?dāng)嚢杈鶆? min.然后加入泡沫進行攪拌3 min，制成均勻流態(tài)料漿，澆注成所需的試塊.試塊表面覆蓋塑料膜室內(nèi)養(yǎng)護2 d后脫模，放置一天后，先在（23±5）°C，相對濕度大于90%的養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護至14 d，再放入裝滿自來水的水池中養(yǎng)護至28 d齡期.

1.3性能測試方法

泡沫混凝土試塊28 d齡期的抗壓強度、導(dǎo)熱系數(shù)、孔隙率的測試和氣孔分析，參照以下方法和公式進行.

（1）抗壓強度：試件尺寸為150*150*150，每組取3塊試塊，參照JC/T 1062—2007《泡沫混凝土砌塊》測定抗壓強度.

（2）導(dǎo)熱系數(shù)：試件尺寸為300*300*30，參照JC/T 1062—2007《泡沫混凝土砌塊》進行.

（3）孔隙率參照下列公式進行：

其中：pcp=采用烘干法測得的泡沫用量為0%的混凝土的孔隙率%，φ=實際氣孔率%，ρFC=泡沫混凝土的干密度kg/m3，ρcp=泡沫用量為0%的混凝土的干密度kg/m3，p=孔隙率%.以上試驗參數(shù)見表2.

表2　污泥灰-水泥泡沫混凝土配合比及孔隙參數(shù)

（4）孔結(jié)構(gòu)測定方法：

用金剛石鋸片將試塊從澆筑面至底面剖開，用砂紙磨平和拋光后，用超聲清洗器洗去殘留粉末，干燥后用10倍讀數(shù)顯微鏡直接觀察并用數(shù)碼相機拍攝泡沫混凝土斷面，然后用photoshop圖像處理軟件對照片進行黑白二值化處理，將照片處理成1張黑白照片（見圖1），其中黑色的為孔，白色的為孔壁；最后用Image-Pro plus圖像分析軟件對二值化圖像進行分析，測量Feret孔徑d、孔面積A、孔周長P等孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，并利用公式（3）計算氣孔形狀因子S.Image-Pro plus圖像分析軟件處理結(jié)果以像素為單位，其換算單位為：2 400像素=25 400 μm.

圖1　泡沫混凝土試樣斷面圖和二值化圖像

2　試驗結(jié)果與分析

2.1污泥灰摻量對泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響

2.1.1污泥灰摻量對Feret孔徑的影響

圖1為不同污泥灰摻量的污泥灰-水泥泡沫混凝土的斷面照片.顯然，隨著污泥灰摻量的增加，泡沫混凝土中的氣孔孔徑增大，且污泥灰摻量≥50%時，其氣孔均勻性較污泥灰摻量≤35%時差.

圖2各污泥灰摻量的泡沫混凝土Feret孔徑分布柱狀圖

圖3　污泥灰摻量與Feret平均孔徑d的關(guān)系曲線圖

2.1.2污泥灰摻量對氣孔形狀因子S的影響

利用形狀因子S可以表征孔的形貌特征，形狀因子S用來描述顆?；驓饪灼x球形的程度，如果孔是規(guī)則的球，則S等于1.S值越接近于1，則表明顆?；驓饪仔螤钤綀A滑，變形越小，受力越均勻，對泡沫混凝土的強度就越有利［5］.反之，顆?；驓饪譙值越大，表示顆?；驓饪自讲灰?guī)則，越偏離球形.不同污泥灰摻量的泡沫混凝土的形狀因子S值分布柱狀圖見圖4.由圖4可見，不同污泥灰摻量的泡沫混凝土的氣孔形狀因子S值均主要分布在1.0≤S＜1.2區(qū)間內(nèi)，在該區(qū)間內(nèi)隨著污泥灰摻量的增加，氣孔比率逐漸減小，且污泥灰摻量為0%的S值在1.0≤S＜1.2區(qū)間的氣孔比率，遠高于其他污泥灰摻量的氣孔比率.而在S≥1.2的各個區(qū)間，氣孔比率隨著污泥灰摻量的增加而逐漸增加.說明隨著污泥灰摻量的增加，泡沫變形越大且變形的氣孔數(shù)量增加.

2.1.3污泥灰摻量對孔隙率的影響

圖4　各污泥灰摻量的泡沫混凝土形狀因子S分布柱狀圖

孔隙率是影響混凝土性能的主要技術(shù)參數(shù)，對泡沫混凝土同樣如此.圖5列出了不同污泥灰摻量的泡沫混凝土的孔隙率與污泥灰摻量關(guān)系曲線.隨著污泥灰摻量的增大，泡沫混凝土的孔隙率不完全隨污泥灰摻量的增加而線性地增大，而是呈先微弱減小后增大的趨勢，但不同污泥灰摻量的泡沫混凝土孔隙率變化并不大，較污泥灰摻量為20%的泡沫混凝土，污泥灰摻量為65%時孔隙率僅增大了3.6%.這可能是因為污泥灰較水泥密度低，添加污泥灰后泡沫混凝土的毛細孔隙的總體積減少.

圖5　各污泥灰摻量的泡沫混凝土的孔隙率與污泥灰摻量關(guān)系圖

2.2污泥灰摻量對28 d抗壓強度的影響

污泥灰摻量與泡沫混凝土28 d抗壓強度的關(guān)系曲線見圖6.可見28 d抗壓強度隨著污泥灰摻量的增大先微弱提高后較快降低，但各組泡沫混凝土的抗壓強度（最低值為8.9 MPa）均大于JC/T 1062—2007規(guī)定的強度等級為A7.5的泡沫混凝土抗壓強度≥7.5 MPa的要求.污泥灰摻量≤20%時，試塊氣孔孔徑小，分散均勻，且孔隙率小，這導(dǎo)致泡沫混凝土內(nèi)部的氣孔壁密實度；同時，氣孔趨于圓滑，變形較小，氣孔受力均衡（圖1～5所示），這些都使得試塊抵抗荷載的能力增強，從而抗壓強度提高.污泥灰摻量≥50%時后，增大了試塊的氣孔孔徑，增大了氣孔的變形數(shù)量與程度，同時也增加了試塊孔隙率，從而降低了28 d抗壓強度.由圖6知，污泥灰摻量與泡沫混凝土28 d抗壓強度呈指數(shù)關(guān)系，且具有良好的相關(guān)性（R2=0.986 849）.

圖6　各污泥灰摻量的泡沫混凝土的28d抗壓強度與污泥灰摻量關(guān)系圖

2.3污泥灰摻量對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

各污泥灰摻量與泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系曲線見圖7.可以看出，各組泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)均小于JC/T1062—2007規(guī)定的密度等級為B10的泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)≤0.27 W/（m.K）的要求，最小能達到0.1521 W/（m.K），說明污泥灰-水泥泡沫混凝土具有良好的保溫隔熱性能.同時，隨著污泥灰摻量的增加，泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)先微弱減小后快速增大.這是因為泡沫混凝土作為一種兩相復(fù)合材料，即孔隙與水泥基體兩相復(fù)合材料，它的導(dǎo)熱系數(shù)不僅孔隙率的高低有關(guān)，而且還與氣孔的形態(tài)與大小有密切的關(guān)系.由圖1～5可知污泥灰摻量≥50%時泡沫混凝土的氣孔孔徑顯著增大且分布不規(guī)則.氣孔尺寸增大導(dǎo)致材料內(nèi)部在一定體積內(nèi)氣孔壁數(shù)量的減少，即減少了固體反射面，提高了空氣對流幅度，從而使輻射傳熱的效率增大；同時氣孔分布不規(guī)則可能會提高連通孔所占比例，從而增大混凝土內(nèi)的熱傳導(dǎo)，最終導(dǎo)致材料導(dǎo)熱系數(shù)增大.同時，回歸研究表明，泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與污泥灰摻量之間具有良好的相關(guān)性（R2=0.986849）.

圖7　各污泥灰摻量的泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)與污泥灰摻量關(guān)系圖

3　結(jié)論

2.污泥灰加大了泡沫混凝土的氣孔變形，且隨著污泥灰摻量的增加，泡沫變形越大且變形的氣孔數(shù)量增加.而污泥灰對泡沫混凝土的總孔隙率的影響并不明顯，雖然隨著污泥灰摻量的增加，孔隙率呈先微弱減小后增大的趨勢，但較污泥灰摻量為20%的泡沫混凝土，污泥灰摻量為65%時孔隙率僅增大了3.6%.

3.污泥灰摻量≤35%時，會提高泡沫混凝土的28 d抗壓強度；摻量≥50%時會較快降低泡沫混凝土的28 d抗壓強度.但摻量達65%時的28 d強度仍能滿足JC/T 1062—2007規(guī)定的A7.5強度等級要求.

4.各組泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)均小于JC/T 1062—2007規(guī)定的密度等級為B10的泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)≤0.27 W/（m.K）的要求，最小能達到0.152 1 W/（m.K），說明污泥灰-水泥泡沫混凝土具有良好的保溫隔熱性能.同時，隨著污泥灰摻量的增加，泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)先微弱減小后快速增大.

［1］RAMAMURTHY K，KUNHANANDAN NAMBIAR E K，INDU SIVA RANJANI G.A classification of studies on properties offoam concrete［J］.Cement and Concrete Composites，2009，31（6）：388-396.

［2］JUST A，MIDDENDORF B.Microstructure of high-strength foam concrete［J］.Materials Characterization，2009，60（7）：741-748.

［3］NAMBIAR E K，RAMAMURTHY K.Influence of filler type on the properties of foam concrete［J］.Cement and Concrete Composites，2006，28（5）：475-480.

［4］JONES MR，MCCARTHY A.Preliminary views on the potential of foamed concrete as a structural material ［J］.Magazine ofconcrete research，2005，57（1）：21-32.

［5］方永浩，王銳.水泥-粉煤灰泡沫混凝土抗壓強度與氣孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系［J］.硅酸鹽學(xué)報，2010，38（4）：621-626.

［6］KUNHANANDANNAMBIAR E K，RAMAMURTHYK.Air-void characterisation offoamconcrete［J］.Cement and Concrete Research，2007，37（2）：221-230.

［7］周順鄂，盧忠遠.泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)模型研究［J］.材料導(dǎo)報，2009，23（3）：69-74.

［8］孫家瑛，喬燕.摻管溝污泥水泥混凝土的性能研究［J］.建筑材料學(xué)報，2007，10（2）：219-222.

［9］歐陽小偉，歐陽東.污泥在水泥混凝土工業(yè)中的應(yīng)用分析［J］.混凝土，2011（06）：81-83+87.

［10］WANG K S，CHIOU I J.Lightweight properties and pore structure of foamed material made from sewage sludge ash［J］.Construction and Building Materials，2005，19（8）：627-633.

［11］SALES A，DE SOUZA F R.Concretes and mortars recycled with water treatment sludge and construction and demolition rubble［J］.Construction and Building Materials，2009，23（6）：2362-2370.

［12］SALES A，DE SOUZA F R，DOS SANTOS W N，et al.Lightweight composite concrete produced with watertreatmentsludgeandsawdust：Thermalpropertiesandpotentialapplication［J］.Construction andBuilding Materials，2010，24（12）：2446-2453.

［13］YAGüE A，VALLS S，VáZQUEZ E，et al.Durability of concrete with addition of dry sludge from waste water treatment plants［J］.Cement and Concrete Research，2005，35（6）：1064-1073.

［14］張磊蕾，王武祥.水料比對泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)和性能的影響研究［J］.建材技術(shù)與應(yīng)用，2011（05）：1-3.

［15］MUN K J.Development and tests of lightweight aggregate using sewage sludge for nonstructural concrete［J］.Construction and Building Materials，2007，21（7）：1583-1588.

［16］張磊蕾.泡沫混凝土的組成與性能，微結(jié)構(gòu)的研究［D］.北京：中國建筑材料科學(xué)研究總院，2011.

AbstractA study has been undertaken to investigate the effects，on the pore structures，mechanical property and thermal performance of foamed concrete，of replacing large weights of cement（up to65%）with sewage sludge ash（SSA）.Cement，sewage sludge ash（SSA），mighty-150 superplasticizer and surface activity foam agent，under the low water-binder ratio（0.35），were used to design the mixing proportion of the foamed concrete，and the pore structures of the foamed concretes were investigated by a reading microscope and image analysis software.The results show that with the SSA content increasing，pores diameter tend to magnify，pores ratio decreases within 10μm≤d＜100μm，and the pore transformation minishes.With the SSA content increasing，the compressive strength of foamed concrete slightly improves firstly then sharply lessens while the change of the thermal conductivity is just the opposite.Meanwhile，fitting regression indicate the compressive strength and thermal conductivity of the foamed cement-SSA concrete are highly correlated to the SSA content.

Effects of Massive Sewage Sludge Ash Content on the Pore Structure and Properties of Foamed Concrete

CHEN Yan1，2，LI Gengying2，XIONG Guangjing2
（1.Shantou Polytechnic，Shantou 515000，Guangdong，China；2.College of Engineering，Shantou University，Shantou 515063，Guangdong，China）

foamed concrete；sewage sludge ash（SSA）；pore structure；compressive strength；thermal conductivity

TU528

A

1001-4217（2016）03-0055-08

2016-03-09

陳艷（1986—），女（漢族），湖南省永州市人，博士研究生.研究方向：泡沫混凝土的改性研究.E-mail：yamao_1234@163.com

熊光晶（1954—），男（漢族），江西省南昌市人，教授，博士生導(dǎo)師.研究方向：混凝土結(jié)構(gòu)的加固與維修、混凝土材料改性研究.E-mail：gjxiong@stu.edu.cn