自來(lái)水廠污泥超細(xì)粉對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響

湯 薇，任佳棟

(1.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院,紹興 312000;2.浙江工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，杭州 310014)

0 引 言

再生混凝土(recycled concrete, RC)是一種綠色環(huán)?；炷羀1]。RC的推廣應(yīng)用不僅具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，而且對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境和節(jié)約資源也起著非常重要的作用[2]。然而，RC具有復(fù)雜界面過(guò)渡區(qū)(interfacial transition zone, ITZ)[3]、高孔隙率[4]和吸水性等缺陷，導(dǎo)致RC的力學(xué)性能不盡人意，嚴(yán)重制約其在工程建筑中的應(yīng)用。因此，如何有效改善RC的界面過(guò)渡區(qū)和微觀結(jié)構(gòu)，顯著提高RC的力學(xué)性能已經(jīng)成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。

大量研究[5-7]表明，礦物摻合料對(duì)提高RC力學(xué)性能具有積極作用。Tam等[8]、Khodabakhshian等[9]和張明明等[10]研究發(fā)現(xiàn)，含Al2O3、SiO2等礦物成分的硅灰、礦粉和粉煤灰會(huì)和水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)生成更多的水化產(chǎn)物，尤其是C-S-H凝膠，填充RC界面過(guò)渡區(qū)的孔隙，增強(qiáng)其微觀結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，從而提高RC的力學(xué)性能。除了上述礦物摻合料以外，已有研究[11]表明，將煅燒后的自來(lái)水廠污泥(water treatment plant sludge, WTS)取代部分水泥應(yīng)用于建筑材料制備中是可行的。Godoy等[12]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)800 ℃煅燒后，WTS具有一定的火山灰活性。但是WTS的低火山灰活性導(dǎo)致混凝土的力學(xué)性能有所降低。在非承重結(jié)構(gòu)中，WTS最大取代率為砂石質(zhì)量的5%[13]。因此，有必要通過(guò)新的方法來(lái)提高WTS的火山灰活性。已有研究[14]表明，機(jī)械力活化和高溫煅燒是提高工業(yè)副產(chǎn)物反應(yīng)活性的有效途徑，不僅可以改善粉體顆粒的物理特性，還可以使其表面出現(xiàn)新的活化點(diǎn)，促進(jìn)水泥水化反應(yīng)。

目前，關(guān)于機(jī)械力活化和高溫煅燒后自來(lái)水廠污泥超細(xì)粉(water treatment plant sludge ultrafine powder, WTSP)作為輔助性膠凝材料在RC中的應(yīng)用研究還比較缺乏，需要進(jìn)行更多的探究。本文研究了WTSP對(duì)RC力學(xué)性能的影響，通過(guò)壓汞法(MIP)、掃描電子顯微鏡(SEM)和納米壓痕技術(shù)分析了WTSP對(duì)RC微觀結(jié)構(gòu)的影響。這對(duì)揭示W(wǎng)TSP在水泥基材料中的作用機(jī)理，以及促進(jìn)自來(lái)水廠污泥回收和綠色可持續(xù)混凝土發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，自來(lái)水廠污泥為浙江宋六嶺水處理廠原水處理后的污泥，該工廠采用傳統(tǒng)的水處理措施，F(xiàn)eCl3作為混凝劑。將收集的自來(lái)水廠污泥在105 ℃烘箱內(nèi)烘干24 h，然后在800 ℃馬弗爐中煅燒3 h后得到WTS，以無(wú)水乙醇作為溶劑與自來(lái)水廠污泥混合，并添加1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分散劑置于球磨機(jī)內(nèi)，球磨5 h后干燥獲得WTSP。水泥和WTSP的化學(xué)成分如表1所示，水泥、WTS和WTSP粒徑的體積累計(jì)分布曲線如圖1所示。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)球磨后，WTSP粒徑明顯減小，并且出現(xiàn)少量納米級(jí)顆粒。細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.45的河砂。粗骨料為廢棄建筑混凝土破碎后的骨料，其壓碎指標(biāo)為13.76，粒徑為5～20 mm。減水劑為江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸型高效減水劑(PCE)，減水率為20%。攪拌水為自來(lái)水。

1.2 配合比設(shè)計(jì)與制備

為了研究WTSP對(duì)RC力學(xué)性能的影響，本文制備了4組RC，水膠比為0.4，WTSP占RC中水泥質(zhì)量的0%、10%、20%和30%。粗骨料為再生骨料(recycled aggregate, RA)，具體的RC配合比詳見表2。

根據(jù)表2的配合比混合，分別注入150 mm×150 mm×150 mm和150 mm×150 mm×300 mm的試模中，澆筑完成后，在試件表面采用塑料薄膜密封，置于室內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h，拆模后放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室((20±2) ℃，相對(duì)濕度>90%)養(yǎng)護(hù)7 d、28 d和60 d，分別測(cè)試試件的抗壓強(qiáng)度和彈性模量。

表2 RC的配合比Table 2 Mix proportion of RC

1.3 測(cè) 試

根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)測(cè)試RC 7 d、28 d和60 d齡期的抗壓強(qiáng)度和彈性模量，使用電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行立方抗壓強(qiáng)度測(cè)試。彈性模量測(cè)量采用TM-2型模量測(cè)定儀，千分表量程為0～1 000 μm。試件彈性模量加載過(guò)程如圖2所示，其中Fa為1/3軸心抗壓強(qiáng)度時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載值，F(xiàn)0為0.5 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載值。

圖2 彈性模量加載示意圖Fig.2 Schematic diagram of elastic modulus loading

采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)RC的微觀形貌進(jìn)行觀測(cè)，將從RC內(nèi)部取出的樣品置于設(shè)備中，設(shè)置高真空模式，加速電壓為15 kV。采用Quantachrome PoreMaster GT-60儀器利用壓汞法(MIP)測(cè)試RC試樣60 d的孔隙結(jié)構(gòu)，測(cè)試的樣品從RC內(nèi)部獲取，直徑約為5 mm的碎塊，先在丙酮中浸泡以停止進(jìn)一步水化。然后在60 ℃烘箱中烘干24 h，進(jìn)行MIP測(cè)試。

圖3 RC中ITZ的測(cè)試圖Fig.3 Test diagram of ITZ in RC

納米壓痕制樣過(guò)程詳見已發(fā)表的文獻(xiàn)[15]。在RC內(nèi)部區(qū)域選取骨料-老砂漿的界面過(guò)渡區(qū)(ITZ-I)和老砂漿-新砂漿界面過(guò)渡區(qū)(ITZ-Ⅱ)，如圖3所示。在橫向和垂直方向上壓痕間距均為5 μm，ITZ區(qū)域的尺寸是4 μm×25 μm，RC中ITZ-Ⅰ和ITZ-Ⅱ的納米壓痕點(diǎn)分布如圖4所示。對(duì)每種界面過(guò)渡區(qū)均隨機(jī)選擇2個(gè)研究區(qū)域進(jìn)行納米壓痕測(cè)試，得到納米力學(xué)性能的分布。典型的壓痕荷載和壓痕位移曲線包括峰值壓痕荷載、峰值壓痕深度和卸載后的最終接觸壓痕深度。納米壓痕的彈性模量和硬度的計(jì)算公式參考文獻(xiàn)[16-17]。

圖4 RC中ITZ-Ⅰ和ITZ-Ⅱ的納米壓痕點(diǎn)分布Fig.4 Nano-indentation point distribution of ITZ-Ⅰ and ITZ-Ⅱ in RC

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度

WTSP摻量對(duì)RC抗壓強(qiáng)度的影響如圖5所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，WTSP的摻入降低了RC早期的抗壓強(qiáng)度。與基準(zhǔn)組相比，10%WTSP、20%WTSP和30%WTSP試樣7 d的抗壓強(qiáng)度分別降低了3%、5%和18%，這可能是水泥稀釋效應(yīng)所產(chǎn)生的負(fù)面影響。與之前的文獻(xiàn)[15]相比，抗壓強(qiáng)度的降低幅度有所減小。隨著齡期增加至28 d時(shí)，10%WTSP試樣的抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)組相近，20%WTSP試樣的抗壓強(qiáng)度略高于基準(zhǔn)組。在60 d時(shí)，RC的抗壓強(qiáng)度隨著WTSP摻量增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),10%WTSP和20%WTSP試樣的抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組分別提高了5%和13%。這主要?dú)w因于WTSP的火山灰活性和填充效應(yīng)得到充分發(fā)揮。當(dāng)WTSP摻量大于20%后，由于水泥的稀釋效應(yīng)使得WTSP對(duì)RC抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果有所降低[18]。

2.2 彈性模量

WTSP摻量對(duì)RC彈性模量的影響如圖6所示。由圖可知，RC彈性模量的變化趨勢(shì)與抗壓強(qiáng)度相似。WTSP的摻入使得RC早期彈性模量略有降低，10%WTSP、20%WTSP試樣7 d的彈性模量是基準(zhǔn)組的97%和93%。在28 d時(shí)，10%WTSP試樣的彈性模量接近于基準(zhǔn)組，而20%WTSP試樣的彈性模量略高于基準(zhǔn)組。隨著齡期增大至60 d時(shí)，WTSP的增強(qiáng)效果變得更加顯著，其中20%WTSP試樣的彈性模量較基準(zhǔn)組提高了9%。

圖5 WTSP摻量對(duì)RC抗壓強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of WTSP content on compressive strength of RC

圖6 WTSP摻量對(duì)RC彈性模量的影響Fig.6 Effect of WTSP content on elastic modulus of RC

2.3 SEM分析

圖7為WTSP不同摻量下RC 60 d微觀形貌的演變規(guī)律。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，RC主要由氫氧化鈣(CH)晶體、水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠，以及少量孔隙組成。如圖7(a)所示，C0試樣中C-S-H凝膠分布均勻，但基體中還存在較多片狀、塊狀的CH晶體。隨著WTSP的摻入，基體中細(xì)小孔隙數(shù)量增多，但CH晶體含量略有減少(見圖7(b))。當(dāng)WTSP摻量增加至20%時(shí)，基體中的C-S-H凝膠數(shù)量增加，而CH晶體含量明顯減少，但還有少量的細(xì)小孔隙(見圖7(c))，微觀形貌變得更加致密。這也解釋了為什么60 d時(shí)20%WTSP試樣的強(qiáng)度較基準(zhǔn)組有所提高。WTSP摻量為30%時(shí)，基體中孔隙數(shù)量明顯增多，并且C-S-H凝膠分布松散，這與上述力學(xué)性能的結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

圖7 RC試樣60 d的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM images of RC at 60 d

2.4 孔結(jié)構(gòu)

圖8為WTSP不同摻量下RC 60 d的孔結(jié)構(gòu)演變規(guī)律。從圖8(a)中可以發(fā)現(xiàn)，隨著WTSP摻量增加，RC基體的總孔隙率呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。與基準(zhǔn)組相比，10%WTSP、20%WTSP和30%WTSP試樣分別提高了4.5%、12.0%和24.0%。根據(jù)Huang等[19]的研究按孔徑尺寸對(duì)孔隙進(jìn)行分類，如圖8(b)所示。雖然10%WTSP和20%WTSP試樣的總孔隙率高于基準(zhǔn)組，但是有害孔(>100 nm)的數(shù)量較基準(zhǔn)組分別降低了37.5%和54.6%(見圖8(b))。眾所周知，大于100 nm的孔徑對(duì)混凝土強(qiáng)度具有負(fù)面作用[20]。同時(shí)10%WTSP和20%WTSP試樣無(wú)害孔(0～20 nm)或者少害孔(20～50 nm)的數(shù)量明顯大于基準(zhǔn)組。綜上可知，摻入20%WTSP使得RC內(nèi)部的小孔隙體積含量明顯增加，并且降低了大孔隙的體積，這可能歸因于WTSP的晶核效應(yīng)、填充作用和火山灰效應(yīng)?？捉Y(jié)構(gòu)的演變規(guī)律進(jìn)一步解釋了RC試樣60 d的力學(xué)性能。

圖8 WTSP摻量對(duì)RC孔結(jié)構(gòu)的影響Fig.8 Effect of WTSP content on pore structure of RC

2.5 納米壓痕分析

圖9和圖10分別為RC試樣60 d ITZ-Ⅰ和ITZ-Ⅱ的彈性模量云圖,其中X和Y分別表示納米壓痕測(cè)試區(qū)域的長(zhǎng)度和寬度。圖中深黑色區(qū)域彈性模量值較低，代表著RC中相對(duì)較弱的區(qū)域；而淺灰和白色區(qū)域彈性模量較高，代表著骨料或者未水化的水泥顆粒和CH晶體。從圖中顏色變化趨勢(shì)可知，深黑色區(qū)域主要分布在骨料與老砂漿之間的區(qū)域和老砂漿與新砂漿之間的區(qū)域,這是RC中存在ITZ-Ⅰ和ITZ-Ⅱ的重要標(biāo)志。

圖9 RC試樣ITZ-Ⅰ的彈性模量云圖Fig.9 Contour map of elastic modulus distribution of ITZ-Ⅰ in RC

圖10 RC試樣ITZ-Ⅱ的彈性模量云圖Fig.10 Contour map of elastic modulus distribution of ITZ-Ⅱ in RC

RC試樣ITZ-Ⅰ寬度分布和硬度分布如圖11所示。從骨料周圍彈性模量的橫向變化可以發(fā)現(xiàn),骨料、ITZ-Ⅰ和基體的彈性模量分別在100～140 GPa、0～25 GPa和25～50 GPa范圍內(nèi)，ITZ-Ⅰ和老砂漿的彈性模量并不是一致增加或降低，這可能是由RA的非均勻性以及孔隙和CH晶體往往在ITZ集中所致。由圖11可知，C0試樣ITZ-Ⅰ的厚度在50 μm左右，但摻入20%WTSP后，RC試樣ITZ-Ⅰ的厚度降低了20%左右，這與之前文獻(xiàn)[21]的研究結(jié)果相似，混凝土的界面厚度在20～50 μm[22]。通過(guò)圖11(a)和圖11(b)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，WTSP的摻入提高了RC中ITZ-Ⅰ和老砂漿的彈性模量。由于彈性模量和硬度的變化趨勢(shì)非常相似，因此本文主要討論了RC彈性模量的變化。

圖12為RC試樣ITZ-Ⅱ?qū)挾确植?。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，ITZ-Ⅱ的厚度在45～60 μm范圍內(nèi)，比ITZ-Ⅰ的厚度寬了5～10 μm。與ITZ-Ⅰ相似，ITZ-Ⅱ和老砂漿區(qū)域內(nèi)的彈性模量分布不均，這可能與老砂漿和ITZ區(qū)域內(nèi)存在部分孔隙和CH晶體有關(guān)。對(duì)于新砂漿而言，彈性模量分布相對(duì)均勻。與C0試樣相比，摻入WTSP后，RC中ITZ-Ⅱ的寬度減小了25%，并且ITZ-Ⅱ和新砂漿的彈性模量均有所增加，這可能是由于WTSP晶核作用促進(jìn)了水泥水化，以及良好的填充作用和火山灰活性改善了RC的微觀結(jié)構(gòu)。但是WTSP的摻入對(duì)老砂漿彈性模量無(wú)明顯的影響。通過(guò)對(duì)比圖12與圖11發(fā)現(xiàn)，RC中ITZ-Ⅱ的彈性模量均高于ITZ-Ⅰ，這可能是水泥水化形成新的C-S-H凝膠并在老砂漿表面發(fā)生了富集堆積，填充ITZ-Ⅱ中部分孔隙，使其微觀結(jié)構(gòu)變得更加密實(shí)。

圖11 RC試樣ITZ-Ⅰ的寬度和硬度Fig.11 Width and indentation hardness of ITZ-Ⅰ in RC

圖12 RC試樣ITZ-Ⅱ的寬度Fig.12 Width of ITZ-Ⅱ in RC

3 結(jié) 論

(1)在RC早期，含WTSP試樣的抗壓強(qiáng)度略低于基準(zhǔn)組，但在RC后期，含WTSP試樣的抗壓強(qiáng)度有提升，其中10%WTSP試樣的28 d抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)組相近，20%WTSP試樣28 d的抗壓強(qiáng)度略高于基準(zhǔn)組，而60 d的抗壓強(qiáng)度分別提高了5%和13%。

(2)WTSP摻量對(duì)RC彈性模量的影響與抗壓強(qiáng)度相似，但WTSP對(duì)彈性模量的增強(qiáng)效果有所降低。

(3)微觀結(jié)構(gòu)分析表明，RC的總孔隙率隨著WTSP摻量增加而逐漸提高，但10%WTSP和20%WTSP試樣有害孔(>100 nm)的數(shù)量較基準(zhǔn)組分別降低了37.5%和54.6%。此外，在RC中摻入20%WTSP后，其微觀形貌變得更加致密。

(4)納米壓痕分析顯示，與C0試樣相比，摻入20%WTSP后，RC試樣中ITZ-Ⅰ和ITZ-Ⅱ?qū)挾确謩e降低了20%和25%，并且ITZ-Ⅰ、ITZ-Ⅱ和新砂漿的彈性模量均有所增加。