摻加污泥灰對普通混凝土和再生混凝土力學(xué)性能的影響

石宵爽，張寬裕，欒晨晨，代金芯，楊富花

(四川大學(xué)深地科學(xué)與工程教育部重點實驗室，建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都610065)

污泥是在處理污水過程中產(chǎn)生的固態(tài)或半固態(tài)沉淀物，將污泥進行填埋的一般處理方式會消耗土地資源[1]。通過資源化利用污泥可以解決污泥填埋造成的資源消耗以及環(huán)境污染，將污泥利用于建材領(lǐng)域是資源化處理污泥的有效方法。污泥初步脫水后放入高溫爐并達到一定溫度后焙燒而成的污泥灰（sewagesludgeash,SSA）具有火山灰性質(zhì)，可以作為補充膠凝材料（supplementary cementitious materials,SCM），與水以及水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成更多的水化硅酸鈣凝膠（C-S-H）[2]，產(chǎn)生填充效應(yīng)，改善混凝土性能。大部分補充膠凝材料，其硅含量占比較大，而鈣含量比水泥低，沒有足夠的膠凝性能，通常作為添加劑加入水泥中或者是對水泥進行部分替代[3-4]。

將污泥灰作為補充膠凝材料，摻入到再生混凝土中，能改善再生粗骨料混凝土性能[5-6]。將污泥灰替代水泥摻入混凝土?xí)档突炷恋膹姸萚7-9]，污泥灰對水泥替代率的增加與砂漿的抗壓強度和抗彎強度呈線性負相關(guān)[10]。因此污泥灰可在較低的替代率下使用，并通過各種配合比設(shè)計調(diào)整，包括增加水泥含量、使用高效減水劑降低混合物的水灰比[11]、納米材料的加入[12]、提高污泥灰的細度[13]從而達到與對照組相似的強度，說明污泥灰的形狀、粒徑大小以及替代率等會對水泥基材料性能造成影響[14-15]。將污泥灰作為補充膠凝材料，以外加的形式摻入水泥基混凝土中，還沒有具體的研究表明是否能起到積極的作用。

因此，本研究旨在將污泥灰作為補充膠凝材料，以外加的形式摻入普通混凝土和再生混凝土中，研究污泥灰對混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響。并通過微觀分析了解污泥灰對普通混凝土和再生混凝土強度影響的機理。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥為42.5R型水泥，細骨料為細度模數(shù)為2.3的中砂，最大粒徑為4 mm。天然粗骨料和再生粗骨料采用粒徑5～20 mm連續(xù)級配的天然碎石和再生碎石。再生碎石是將建筑廢棄混凝土用大型機械破碎后再在實驗室中進行篩分得到，測得其相關(guān)參數(shù)如表1所示。依據(jù)《混凝土用再生粗骨料》（GB/T 25177—2010），本試驗使用的再生粗骨料等級為Ⅱ級。

表1 再生粗骨料規(guī)格參數(shù)Tab.1 Propertiesof recycled coarse aggregate

污泥灰取自成都市第一污水污泥處理廠，將污泥在850℃高溫的環(huán)境下通入天然氣等助燃氣體，使其充分燃燒后收集得到。污泥灰粒徑大于50、20和10μm的顆粒體積百分比分別為14.3%、56.4%和75.8%。

污泥灰中含有Fe、Mn等重金屬物質(zhì)，其化學(xué)成分如表2所示。Cyr等[14]研究得出含有污泥灰砂漿的重金屬浸出量與對照砂漿的重金屬浸出量類似。主要因為污泥灰中的Al2O3和SiO2與水泥中Ca（OH）2發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成硅酸鈣和鋁酸鈣等水合物膠體，隨時間的發(fā)展逐漸硬化，最終結(jié)晶[16]。該過程將污泥灰的重金屬離子有效地固定在堿性硅酸鹽水泥基質(zhì)中，使重金屬物質(zhì)以更穩(wěn)定的形式存在。

表2 污泥灰的化學(xué)組成Tab.2 Chemical composition of recycle sewage sludge ash%

1.2 實驗方法

1.2.1坍落度及基本力學(xué)性能試驗

混凝土的坍落度、抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2002）。抗壓強度和劈裂抗拉強度測試試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊?；炷僚浜媳热绫?所示。其中：OS為普通混凝土摻加污泥灰組，RS為普通再生混凝土摻加污泥灰組，0、1、3和5分別為以膠凝材料質(zhì)量分數(shù)0、1%、3%和5%摻加污泥灰；未摻加污泥灰的混凝土組為對照組，摻加污泥灰的混凝土組為實驗組。試件在標準養(yǎng)護條件即溫度（20±5）℃、相對濕度（90±5）%下分別養(yǎng)護7、14和28 d?；炷亮W(xué)性能使用200 t電液伺服式壓力機進行測試。

表3 混凝土配合比Tab.3 Mix proportion of concrete

1.2.2掃描電鏡實驗

本次實驗使用四川大學(xué)分析測試中心SU3500型號掃描電子顯微鏡（SEM）。試樣取烘干的污泥灰試樣以及本實驗中8個混凝土配合比的試樣共9組?；炷猎嚇尤≡嚰M行28 d抗壓強度破壞時的碎塊留取表面平整的薄片，經(jīng)干燥脫水、固定和噴金處理后進行SEM 觀測。

2 結(jié)果及分析

2.1 坍落度以及抗壓強度

摻入污泥灰的混凝土坍落度以及抗壓強度試驗結(jié)果如表4所示。

表4 混凝土的坍落度及抗壓強度Tab.4 Slump and compressive strength of concrete

試驗結(jié)果表明，當污泥灰摻量為1%、3%和5%時，普通混凝土坍落度相較對照組分別降低20%、24%和28%。當污泥灰摻量為1%時，再生混凝土的坍落度沒有明顯降低。當污泥灰摻量達到3%和5%時，再生混凝土的坍落度相較對照組降低了25%和67%。說明新拌混凝土坍落度隨著污泥灰摻量的增加而降低。同時當污泥灰摻量大于1%時，相比普通混凝土，再生混凝土的坍落度下降幅度更大。

相同配比的再生混凝土坍落度比普通混凝土坍落度降低52%。主要是因為再生骨料表面黏附的舊砂漿孔隙較多，吸水率比天然骨料高，舊砂漿包裹的未反應(yīng)水泥顆粒的繼續(xù)水化[17]導(dǎo)致的流動性下降。

不同污泥灰摻量對普通混凝土和再生混凝土隨齡期發(fā)展的抗壓強度的影響如圖1、2所示。

圖1 不同污泥灰摻量對普通混凝土隨齡期發(fā)展的抗壓強度影響Fig.1 Effect on compressive strength with ageof OPC under different amount of SSA

圖2 不同污泥灰摻量對再生混凝土隨齡期發(fā)展的抗壓強度影響Fig.2 Effect on compressive strength with ageof RAC under different amount of SSA

通過用強度比來表示不同污泥灰摻量對普通混凝土和再生混凝土的影響。強度比K按照以下公式計算：

式中，R和R0為相同養(yǎng)護齡期下，摻加了污泥灰的混凝土抗壓強度和未摻污泥灰的混凝土抗壓強度。

由圖1、2可見，摻加污泥灰的混凝土抗壓強度均隨著齡期的增長而增加。污泥灰對普通混凝土和再生混凝土早期（7 d）抗壓強度有明顯的促進作用。當污泥灰摻量在1%～5%范圍內(nèi)變化時，對于普通混凝土的作用呈現(xiàn)先抑制后促進再抑制的波動趨勢。對于再生混凝土7 d抗壓強度，隨著污泥灰摻量的增加，促進作用增強。隨著污泥灰摻量的增加，對于再生混凝土14 d和28 d抗壓強度的抑制作用也逐漸減弱。作者考慮是因為再生粗骨料表面附著的舊砂漿孔隙率高，部分污泥灰會填充到舊砂漿多余的孔隙中，從而導(dǎo)致剩余污泥灰的量減少，對混凝土均勻性的影響也減弱。

未摻污泥灰的再生混凝土相較普通混凝土抗壓強度平均降低4.83%，是因為再生骨料與天然骨料之間的性能差異。再生骨料表面附著的舊砂漿導(dǎo)致再生混凝土密度低、孔隙率高、吸水率高[18-20]，增加了再生混凝土的界面過渡區(qū)數(shù)量[21]，從而導(dǎo)致再生混凝土強度較低。再生混凝土14 d強度略高于普通混凝土是由于再生骨料中本身殘存的水泥顆粒繼續(xù)水化促進強度的發(fā)展所致[17]。

在0～28 d的養(yǎng)護齡期內(nèi)，污泥灰摻量為1%和3%的再生混凝土抗壓強度低于相同污泥灰摻量下普通混凝土抗壓強度。污泥灰摻量為5%的再生混凝土0～28 d的抗壓強度均高于相同污泥灰摻量下的普通混凝土抗壓強度，7 d抗壓強度最高，達到55.82 MPa，相較普通混凝土對照組顯著提高了15.17%。

摻加1%污泥灰的再生混凝土和普通混凝土在14、28 d養(yǎng)護齡期下的抗壓強度相較對照組下降明顯，分別降低12.57%、12.48%和18.95%、12.45%，說明在污泥灰摻量較小的情況下會抑制混凝土14～28 d抗壓強度的發(fā)展。摻加3%污泥灰的再生混凝土7 d抗壓強度接近普通混凝土對照組水平。對于14 d和28 d抗壓強度：摻加1%和3%污泥灰的再生混凝土均低于污泥灰同摻量下的普通混凝土以及對照組混凝土；摻加5%污泥灰的再生混凝土抗壓強度相較對照組抗壓強度降低程度較小。

對于普通混凝土，當污泥灰摻量為3%時，相較對照組在7、14和28 d的抗壓強度分別提高了14.12%、12.97%和9.09%，說明摻加3%污泥灰能顯著提高普通混凝土在0～28 d養(yǎng)護齡期的抗壓強度；相較對照組，摻加1%和5%污泥灰的普通混凝土7 d抗壓強度分別提高了0.34%和0.96%，但14和28 d的抗壓強度下降明顯，分別降低12.57%、10.74%和12.48%、12.79%，說明摻加污泥灰能普遍提高普通混凝土的早期（7 d）抗壓強度；當污泥灰摻量為1%和5%時，會顯著降低普通混凝土14～28 d的抗壓強度。

二次水化反應(yīng)速率取決于顆粒的細度和無定形二氧化硅、水和氫氧化鈣（CH）的可用性[14]。摻加1%污泥灰的混凝土組由于污泥灰摻量太少提供的無定形二氧化硅偏少，發(fā)生的二次水化反應(yīng)速率慢，未反應(yīng)的剩余污泥灰偏多影響了混凝土試件均勻性，從而導(dǎo)致強度下降。摻加5%污泥灰能提供二次水化反應(yīng)所需的充足無定形二氧化硅，但由于CH可用性的限制，剩余污泥灰偏多影響混凝土試件的均勻性，從而抗壓強度沒有達到摻加3%污泥灰普通混凝土的水平。同時說明3%污泥灰提供的無定形二氧化硅同水泥水化產(chǎn)生的可用CH含量在一定程度上是相互匹配的。

污泥灰摻量為1%、3%和5%的再生混凝土試件相較未摻污泥灰的再生混凝土試件，7 d抗壓強度分別增長9.8%、9.21%和31.41%。養(yǎng)護齡期14 d時，1%、3%和5%污泥灰摻量的實驗組抗壓強度分別下降18.95%、14.66%和4.51%。1%和5%污泥灰摻量的實驗組28 d強度分別下降12.45%和0.97%；3%污泥灰摻量的實驗組抗壓強度增長0.71%。1%、3%和5%污泥灰摻量的實驗組在7～14 d的抗壓強度增長率最高達到7.63%，低于對照組的37.74%。1%、3%和5%污泥灰摻量的實驗組在14～28 d的強度增長率分別為9.64%、19.78%和5.27%，均高于對照組增長率1.50%，說明摻加污泥灰能明顯提高再生混凝土的早期（7 d）抗壓強度以及在14～28 d養(yǎng)護齡期的抗壓強度增長率。綜上所述，摻加5%污泥灰能更好地提高再生混凝土早期（7 d）的抗壓強度，但對再生混泥土28 d抗壓強度無明顯促進作用。摻量為3%的污泥灰能提高普通混凝土和再生混凝土的抗壓強度。

2.2 劈裂抗拉強度及拉壓比

不同污泥灰摻量對混凝土劈裂抗拉強度及拉壓比的影響如表5所示。

表5 混凝土劈裂抗拉強度及拉壓比Tab.5 Splitting strength of concrete and the ratio of splitting and compressive strength

由表5可知：1）摻加1%、3%和5%污泥灰的普通混凝土7d劈裂抗拉強度相較對照組分別下降18.86%、17.87%和20.77%；摻加1%和5%污泥灰的普通混凝土14 d劈裂抗拉強度相較對照組分別下降16.45%和23.09%；摻加3%污泥灰的普通混凝土14 d劈裂抗拉強度相較對照組上升1.16%；摻加1%和3%污泥灰的普通混凝土28 d劈裂抗拉強度相較對照組分別上升2.27%和3.19%；摻加5%污泥灰的普通混凝土28 d劈裂抗拉強度相較對照組下降24.88%。說明：摻加污泥灰會明顯降低普通混凝土的7 d劈裂抗拉強度；摻入5%污泥灰明顯降低普通混凝土在7～28 d的劈裂抗拉強度；摻入3%污泥灰能促進普通混凝土14和28 d劈裂抗拉強度，對于劈裂抗拉強度的發(fā)展是較優(yōu)摻量。

2）拉壓比為28 d養(yǎng)護下抗拉強度與抗壓強度的比值，主要反應(yīng)試件的抗裂性能[22]。摻加1%污泥灰的普通混凝土試件拉壓比達到0.08，相較對照組增長16.85%；摻加3%和5%污泥灰的普通混凝土試件拉壓比相較對照組下降5.41%和13.87%。說明：摻加1%污泥灰的普通混凝土抗裂性能最高，摻加3%污泥灰的普通混凝土抗裂性能接近對照組水平。

3）摻加1%、3%和5%污泥灰的再生混凝土7 d劈裂抗拉強度相較對照組分別下降14.04%、19.06%和13.48%；摻加1%、3%和5%污泥灰的再生混凝土14 d劈裂抗拉強度相較對照組分別下降17.20%、17.62%和22.17%；摻加1%和5%污泥灰的再生混凝土28 d劈裂抗拉強度相較對照組分別下降12.22%和3.69%；摻加3%污泥灰再生混凝土試件28 d劈裂抗拉強度相較對照組增長18.72%。說明：摻加污泥灰會明顯降低再生混凝土的7和14 d劈裂抗拉強度；摻入1%污泥灰會顯著降低再生混凝土在7～28 d的劈裂抗拉強度。

4）相較對照組，摻加1%和3%污泥灰的再生混凝土試件拉壓比分別提高0.27%和17.89%，摻加5%污泥灰的再生混凝土試件拉壓比下降2.75%。綜上所述，摻加3%污泥灰能顯著提高再生混凝土28 d劈裂抗拉強度，同時也能提高再生混凝土的抗裂性能。

5）污泥灰摻量為0、1%、3%和5%時，再生混凝土相較同污泥灰摻量的普通混凝的7 d劈裂抗拉強度下降26.74%、22.39%、27.80%和20.00%，14 d劈裂抗拉強度下降20.26%、20.98%、35.07%和19.30%。污泥灰摻量為0、1%和3%時，再生混凝土相較普通混凝土28 d劈裂抗拉強度下降18.92%、30.41%和6.72%。摻加5%污泥灰經(jīng)28 d養(yǎng)護后的再生混凝土試件劈裂抗拉強度相較普通混凝土劈裂抗拉強度提高3.95%。說明當污泥灰摻量為0、1%和3%時，再生混凝土的7～28 d劈裂抗拉強度以及當污泥灰摻量為5%時，再生混凝土的7～14 d劈裂抗拉強度均低于普通混凝土。只有污泥灰摻量為5%的再生混凝土28 d劈裂抗拉強度略高于相同摻量下普通混凝土水平。主要原因是隨著養(yǎng)護齡期的增加，再生混凝土中舊砂漿的存在，再生混凝土相較普通混凝土的污泥灰剩余量減少，對再生混凝土的均勻性影響較小。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)

污泥灰微觀形貌如圖3所示。由圖3可見，污泥灰是表面粗糙多孔隙的不規(guī)則顆粒。這種微觀結(jié)構(gòu)使得污泥灰極易吸收水分，因此在水泥基質(zhì)中污泥灰常作為吸收混合物中自由水的結(jié)構(gòu)[23]。污泥灰顆粒的粒度特性和顆粒形態(tài)也是造成混凝土坍落度降低的主要原因之一。

圖3 污泥灰微觀形貌Fig.3 Micromorphology of SSA

混凝土微觀結(jié)構(gòu)如圖4所示。從圖4（a）、（e）可見，再生混凝土由于舊砂漿的存在降低了均勻性，普通組砂漿界面更加均勻，因此強度相較再生組的高。

由圖4（b）～（d）、（f）～（h）可以看出：污泥灰一部分填充在水化產(chǎn)物的孔隙中，當混凝土試件被壓碎后，由于水泥水化產(chǎn)物與不規(guī)則污泥灰顆粒堆積不夠緊密，從而導(dǎo)致部分污泥灰從孔隙中脫離，故污泥灰顆粒起到的物理填充作用有限；一部分污泥灰被C-S-H凝膠包裹，故有部分污泥灰仍在進行反應(yīng)。污泥灰摻量為3%和5%的砂漿界面相較摻加1%污泥灰和對照組的砂漿界面更加密實，結(jié)晶更加平整。

比較圖4（c）和（d）可發(fā)現(xiàn)：摻加5%污泥灰的普通混凝土砂漿界面上剩余污泥灰顆粒更多，均勻性更差；而摻加3%污泥灰的普通混凝土強度更高，則污泥灰剩余較多會降低混凝土的均勻性，從而降低強度。

比較圖4中污泥灰摻量相同的普通混凝土與再生混凝土的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，再生混凝土中剩余污泥灰量偏少，主要是因為部分污泥灰填充到舊砂漿的孔隙中，同時再生骨料表面的舊砂漿含有多余的CH層狀結(jié)構(gòu)堿性物質(zhì)，會激發(fā)污泥灰的火山灰活性[24]，產(chǎn)生二次水化反應(yīng)，從而消耗更多的污泥灰。由此可見，再生粗骨料的存在會提高污泥灰的利用率。

圖4 混凝土微觀結(jié)構(gòu)Fig.4 Microstructure of concrete

3 結(jié) 論

通過試驗以及微觀結(jié)構(gòu)分析，得到以下結(jié)論：

1）污泥灰摻量越高，混凝土的坍落度下降越大。當污泥灰摻量為3%和5%時，與普通混凝土相比，再生混凝土的坍落度下降幅度更大。

2）摻加污泥灰的混凝土抗壓強度以及劈裂抗拉強度均隨齡期增長而增加。摻入污泥灰提高了普通混凝土和再生混凝土的7 d抗壓強度，降低了7 d抗拉強度。摻加1%污泥灰的普通混凝土拉壓比為0.08，抗裂性能最好。

3）摻加3%污泥灰的普通混凝土7～28 d抗壓強度分別提高14.12%、12.97%和9.09%，28 d劈裂抗拉強度提高3.19%。摻加3%污泥灰提高了再生混凝土28 d抗壓強度，28 d劈裂抗拉強度提高18.72%，拉壓比提高17.89%。說明3%污泥灰摻量對于普通混凝土和再生混凝土的強度發(fā)展是較優(yōu)摻量。同時說明3%污泥灰提供的無定形二氧化硅同水泥水化產(chǎn)生的可用CH含量在一定程度上是相互匹配的。

4）摻加3%和5%污泥灰的普通混凝土和再生混凝土相較對照組，強度提高和下降趨勢不同，結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)分析可得：混凝土中多余的未反應(yīng)污泥灰會降低微觀結(jié)構(gòu)的均勻性，從而降低混凝土的強度；再生粗骨料表面舊砂漿的存在能提高污泥灰的利用率。