摻污泥蒸壓混凝土砌塊抗凍融性試驗(yàn)研究

畢曉茜，常鴻飛，張志軍，呂芳禮

（徐州工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

蒸壓加氣混凝土砌塊在工程實(shí)踐中應(yīng)用廣泛，用量大。且隨著墻體改造的不斷推進(jìn)，對(duì)其性能的研究也不斷深入[1]。針對(duì)資源化利用污泥制備加氣混凝土砌塊的生產(chǎn)工藝和方法，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)其抗凍融性能進(jìn)行了分析研究。旨在為提高砌塊耐久性，擴(kuò)大砌塊的利用范圍和途徑，高效利用剩余污泥，變垃圾為原料提供有力的實(shí)踐支持[2]。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

（1）污泥：取自徐州市某污水處理廠污泥脫水車間，該廠日廢水處理量8萬t，處理工藝為A20工藝，處理程度為二級(jí)，日產(chǎn)污泥量46 t，含水率65%。

（2）粉煤灰：Ⅲ級(jí)，細(xì)度（45 μm 方孔篩篩余）小于30%，燒失量小于10%，需水量小于110%，三氧化硫含量小于2%，徐州柳新鎮(zhèn)某電廠。

（3）水泥：P·O42.5R，誠(chéng)意水泥廠，性能符合 GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求。

（4）石灰：徐州某石灰制品公司生產(chǎn)，CaO含量大于75%。（5）石膏：徐州某石灰制品公司生產(chǎn)，含水率18%。

（6）外加劑：主要為茶皂素穩(wěn)泡劑、烷基磺酸鈉引氣劑、水溶性樹脂磺酸鈉減水劑[3-4]。

1.2 主要試驗(yàn)儀器設(shè)備

KDS60型冷凍箱，該凍融試驗(yàn)箱采取空氣中降溫凍結(jié)，最低工作溫度為-50℃；TYE-300C型壓力試驗(yàn)機(jī)，最大試驗(yàn)載荷300 kN，精度±1%，活塞行程120 mm，加荷速率0.3～9.0 kN/s，壓力板直徑150 mm，壓力板間距275 mm；恒溫水槽：水溫（20±5）℃；電熱鼓風(fēng)干燥箱：最高溫度200℃；電子磅秤，量程2000 g，感量1 g。

1.3 試驗(yàn)配比

研究了主要原料配比對(duì)蒸壓混凝土砌塊性能的影響，尋求合理的原材料及配比，每組試樣制備10個(gè)試件，其中5個(gè)用于凍融試驗(yàn)，5個(gè)用于非凍融試驗(yàn)，以5個(gè)試樣的算術(shù)平均值為測(cè)試結(jié)果。試驗(yàn)配比見表1。

表1 摻污泥蒸壓混凝土試件的質(zhì)量配比

1.4 試件制作

按表2設(shè)計(jì)的配比將稱量好的原材料按粉煤灰、脫硫石膏、污泥、生石灰、水泥的投料順序投入澆注攪拌機(jī)攪拌[5]。攪拌時(shí)，根據(jù)工藝要求必要時(shí)向攪拌機(jī)內(nèi)通入一定量蒸汽，使攪拌機(jī)內(nèi)料漿溫度達(dá)到45℃左右。

將混合均勻的料漿澆注入模具制備，成型后低溫養(yǎng)護(hù)30 min制成半成品，養(yǎng)護(hù)溫度（45±5）℃，相對(duì)濕度90%以上。而后切割成100 mm×100 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊而后放入蒸壓釜中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在1.1 MPa下升溫2 h、恒溫恒壓時(shí)間6 h、降溫2 h后出釜。然后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗凍融性能測(cè)試。

1.5 凍融試驗(yàn)方法

依據(jù)GB/T 11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》，將成型的試樣在電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，在55～65℃下保溫24 h，然后在75～85℃下保溫24 h，再在105～110℃下烘干至質(zhì)量恒定。試樣冷卻至室溫后，立即稱取質(zhì)量，然后浸在常溫水槽中，槽內(nèi)溫度保持在15～25℃，水面高出試樣30 mm，并保持48h。取出試樣，用濕布拭去表面水分，以大于20mm的間距大面?zhèn)认蛄⒎庞陬A(yù)先降溫至-15℃以下的冷凍箱中。當(dāng)箱內(nèi)溫度再次降到-18℃時(shí)開始計(jì)時(shí)，在-18～-22℃下冰凍6 h，然后取出在15～25℃下融化5 h。如此為1次凍融。經(jīng)15次凍融循環(huán)后檢查試樣的表觀情況，測(cè)試試樣的強(qiáng)度和質(zhì)量損失率。

2 結(jié)果與討論

2.1 凍融循環(huán)對(duì)蒸壓混凝土試件外觀質(zhì)量的影響

對(duì)不同配比蒸壓混凝土試件經(jīng)15次（下同）凍融循環(huán)前后的外觀質(zhì)量進(jìn)行了觀察，結(jié)果見表2。

由表2可知，凍融對(duì)砌塊的外觀質(zhì)量有較明顯影響，當(dāng)污泥摻量小于5%時(shí)，凍融后幾乎未出現(xiàn)分層、掉皮、缺棱角現(xiàn)象。

表2 砌塊凍融前后蒸壓混凝土試件外觀質(zhì)量對(duì)比

2.2 凍融循環(huán)對(duì)蒸壓混凝土強(qiáng)度和質(zhì)量的影響

對(duì)凍融前后蒸壓混凝土試件的抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算強(qiáng)度損失率和質(zhì)量損失率?？箟簭?qiáng)度測(cè)試首先計(jì)算試樣的受壓面，后將試樣放在材料試驗(yàn)機(jī)的下壓板中心位置，試樣的受壓面應(yīng)垂直于制品的發(fā)氣方向，以（2.0±0.5）kN/s速度連續(xù)且均勻的加載，直至試樣破壞，記錄破壞荷載后計(jì)算抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 凍融循環(huán)后蒸壓混凝土的強(qiáng)度和質(zhì)量損失率

對(duì)表3的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知：（1）在一定范圍內(nèi)，污泥摻量對(duì)蒸壓混凝土試件的抗凍融性能沒有明顯影響，在污泥摻量小于5%時(shí)，凍融后抗壓強(qiáng)度損失不大。（2）粉煤灰對(duì)抗凍性的較明顯，基本隨著粉煤灰摻量的降低，砌塊的抗凍穩(wěn)定性表現(xiàn)越來越差，表明較高摻量的粉煤灰可以有效提升蒸壓混凝土試件的抗凍性能。（3）污泥摻量超過一定量后，凍融后蒸壓混凝土試件的抗壓強(qiáng)度相較于非凍融蒸壓混凝土試件，抗壓強(qiáng)度的變化更加不規(guī)則。可以推測(cè)，隨著污泥摻量的增加，砌塊內(nèi)部的孔洞更加不均勻，穩(wěn)定性變差，導(dǎo)致抵抗凍融作用的能力降低。（4）蒸壓混凝土試件的最佳配比為5＃，即污泥摻量2.5%，粉煤灰67.5%，生石灰20%，水泥7.5%，石膏2.5%。

2.3 凍融前后試樣的微觀分析

以5＃試樣為例，其凍融前后的SEM照片分別見圖1、圖2。

圖1 凍融前蒸壓混凝土試件的SEM照片

圖2 凍融后蒸壓混凝土試件的SEM照片

由圖1可見，凍融前C—S—H凝膠出現(xiàn)在晶核的周圍，并由晶核表面伸展到砌塊固相間的空隙，相互交聯(lián)，形成復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。蒸壓過程開始后，隨著溫度的升高，水化硅酸鈣的結(jié)晶程度不斷提高，形成另一種片狀晶態(tài)的水化產(chǎn)物托勃莫來石?；钚許iO2的繼續(xù)產(chǎn)生，以及恒溫時(shí)間的延長(zhǎng)，其與水化鋁酸鈣相互作用，生成水化石榴石。近一步延長(zhǎng)時(shí)間還可能生成其他結(jié)晶的水化硅酸鈣。與此同時(shí)，水化鋁酸三鈣和石膏發(fā)生進(jìn)一步反應(yīng)生成針棒狀的鈣礬石晶體[6]。

凍融后的砌塊，如不摻入污泥，蒸壓加氣混凝土雖然孔隙率較高，但這些孔之間聯(lián)系極少，一般通過孔徑很小的毛細(xì)孔相連，或者完全獨(dú)立存在。當(dāng)冰凍所產(chǎn)生的凍脹力大于材料孔壁的承載極限時(shí)，就會(huì)使材料產(chǎn)生破壞，對(duì)蒸壓加氣混凝土來說這種破壞很難發(fā)展，因?yàn)楠?dú)立的孔結(jié)構(gòu)促使破壞停留在試件表面，無法深入。因此強(qiáng)度和質(zhì)量的損失相對(duì)較小。摻入污泥后影響了部分人工發(fā)氣孔的形成（見圖2），使其強(qiáng)度相對(duì)降低較為劇烈。但是有一定的臨界點(diǎn)，即只有摻量超過一定的臨界才會(huì)從實(shí)質(zhì)上影響氣孔的生成。

3 結(jié)語

（1）摻污泥蒸壓混凝土砌塊的最佳配比：污泥摻量2.5%，粉煤灰67.5%，生石灰20%，水泥7.5%，其抗凍融性能符合GB 13544—2011的要求。

（2）直接利用污泥生產(chǎn)蒸壓加氣混凝土砌塊，減少了對(duì)污泥處理中間環(huán)節(jié)的人力物力的浪費(fèi)。將垃圾變廢為寶，對(duì)污泥市場(chǎng)化制作建材具有重要的實(shí)踐意義。

[1] 林子增，孫克勤．城市污泥為部分原料制作燒結(jié)普通磚[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2010，38（10）：63-68．

[2] 李淑展，施周，謝敏.污水廠污泥制作地磚及性能[J]．給水排水，2015，38（10）：76-78．

[3] 胡明玉，彭金生，丁成平.利用城市污泥和電廠灰渣制備生態(tài)透水燒結(jié)磚的研究[J]．新型建筑材料，2010，37（2）：41-57．

[4] 侯保林，任伯幟，陳文文.城市污水廠污泥制作蒸壓加氣混凝土砌塊的試驗(yàn)研究[J]．南華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，26（1）：99-103．

[5]彭軍芝.蒸壓加氣混凝土孔結(jié)構(gòu)及其對(duì)性能的影響研究進(jìn)展[J].新型建筑材料，2013，27（8）：103-118.

[6] 王崇英，焦惠毅，蔡雪軍.改性材料和蒸壓制度對(duì)冶金渣蒸壓加氣混凝土砌塊性能的影響[J].新型建筑材料，2012（2）：53-59.