攪拌站新、老污泥粉對混凝土物理性能的影響

張 敏

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300450)

混凝土在生產(chǎn)過程中往往會產(chǎn)生一定量的固體廢棄物，主要來源于攪拌車和實驗室殘留的殘渣以及清潔活動后產(chǎn)生的復雜混合物。這些固體廢棄物經(jīng)簡單砂石分離后，剩下的主要為攪拌站污泥。有資料表明，1個年產(chǎn)量約10萬m3的混凝土攪拌站，每年同步產(chǎn)生的污泥約為1 000 t[1]。部分混凝土攪拌站將污泥隨意傾倒和堆放，不僅占用了大量耕地，同時還會引起環(huán)境污染。

有研究表明[2]，混凝土攪拌站污泥的主要成分為水泥水化物和礦物摻合料二次反應后的產(chǎn)物，以及殘存的化學外加劑、水泥和礦物摻合料等混合物。其具有一定活性，活性大小取決于污泥的生產(chǎn)和堆放時間以及產(chǎn)生污泥的廢渣源，將其粉磨后，可以制成礦物摻合料。張廣勇等[3]發(fā)現(xiàn)，攪拌站污泥可用于制備中低等級的混凝土，其摻量不宜高于12%。陳軍亮等[4]發(fā)現(xiàn)攪拌站新、老泥漿水的活性有所不同，并研究了不同濃度的廢棄泥漿對混凝土工作性能和力學性能的影響規(guī)律，提出了合理利用攪拌站廢棄泥漿水的建議。但波等[5]研究發(fā)現(xiàn)，攪拌站污泥作為礦物摻合料時，不能取代水泥，但可取代部分粉煤灰，產(chǎn)生良好的填充作用。鄧斌等[6]發(fā)現(xiàn)，攪拌站污泥取代粉煤灰的比例不超過30%時對混凝土抗壓強度、抗?jié)B性和碳化性能不會產(chǎn)生不利影響。張巖巖[7]證明了采用10%攪拌站污泥制備水泥膠砂具有可行性。

由此可知，將攪拌站污泥粉用作礦物摻和料制備水泥基材料具備可行性，但其對混凝土性能影響的研究很少，特別是收縮特性。當前的研究和應用忽視了新、老污泥粉的性能差異，其對混凝土性能的影響未能考慮，阻礙了污泥粉在使用量較大的中等強度等級的混凝土中的應用。為此，本文研究了新、老污泥粉對不同齡期混凝土抗壓強度和干燥收縮的影響，同時探討了影響機理，為進一步在混凝土中使用攪拌站污泥粉提供技術(shù)支持。

1 試驗原材料、配合比和方法

1.1 原材料

水泥為小野田水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5級水泥，比表面積約為351.5 m2/kg；污泥粉為浙江省某混凝土攪拌站日常生產(chǎn)混凝土時產(chǎn)生的廢渣，經(jīng)砂石分離后得到泥漿，再經(jīng)干燥粉磨而得到粉體。從生產(chǎn)到堆放時間在1 d內(nèi)的新鮮泥漿得到的污泥粉為新污泥粉；而從生產(chǎn)到堆放時間超過7 d的泥漿得到的污泥粉為老污泥粉。新、老污泥粉的比表面積相近，分別為420 m2/kg和432 m2/kg，28 d的活性指數(shù)分別為82.5%和63.2%。水泥和污泥粉的化學成分見表1。由表1可知，新、老污泥粉化學成分相近，主要為Al2O3，CaO，F(xiàn)e2O3和SiO2，燒失量都高于水泥。

表1 水泥和污泥粉的化學成分 %

1.2 配合比

為研究攪拌站新、老污泥粉對混凝土抗壓強度和干燥收縮的影響，設(shè)計了不摻污泥粉的基準混凝土、摻加新污泥粉的混凝土和摻加老污泥粉的混凝土3個系列。新、老污泥粉等質(zhì)量取代水泥摻量，分別為10%，15%和20%，所有混凝土水膠比為0.42，砂率為41%，通過調(diào)整減水劑用量，使混凝土和易性滿足泵送要求。攪拌站污泥粉混凝土配合比見表2。

表2 攪拌站污泥粉混凝土配合比 kg/m3

1.3 方法

抗壓強度參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)；干燥收縮參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)；采用掃描電子顯微鏡測試微觀形貌。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 抗壓強度

不同摻量新、老污泥粉下不同齡期混凝土抗壓強度見表3。由表3可知，相比于不摻攪拌站污泥粉的基準混凝土，摻加10%新污泥粉，混凝土抗壓強度增強；污泥粉摻量增加到15%，混凝土抗壓強度降低，但與基準混凝土強度相近；繼續(xù)增加污泥粉摻量到20%，混凝土抗壓強度進一步降低，相比于基準混凝土，60 d抗壓強度降低了17%。摻加老污泥粉降低了混凝土抗壓強度，且隨著其摻量增加，混凝土抗壓強度降低幅度不斷增加。相比于60 d基準混凝土，摻加10%，15%和20%老污泥粉混凝土抗壓強度分別降低了11.6%，21.3%和29.5%。

表3 不同摻量新、老污泥粉下不同齡期混凝土抗壓強度 MPa

2.2 干燥收縮

不同摻量新、老污泥粉對不同齡期混凝土干燥收縮的影響如圖1所示。由圖1可知，污泥粉混凝土的干燥收縮在早期發(fā)展較快，90 d后趨于穩(wěn)定。圖1(a)表明，相比于不摻攪拌站污泥粉的基準混凝土，摻加10%新污泥粉降低了混凝土干燥收縮；繼續(xù)增加新污泥粉摻量時，混凝土的干燥收縮增大，摻加15%和20%新污泥粉混凝土的150 d干燥收縮分別增加5%和10%。由圖1(b)可知，摻加老污泥粉增加了混凝土干燥收縮，且隨著摻量增加，混凝土的干燥收縮增大。相比基準混凝土，摻加10%，15%和20%老污泥粉混凝土150 d干燥收縮分別增加7%，19%和24%。

(a) 新污泥粉

2.3 微觀形貌

為揭示攪拌站污泥粉對混凝土性能的影響機理，測試了污泥粉混凝土28 d微觀形貌，攪拌站污泥粉混凝土的SEM圖如圖2所示。

(a) C-0 (b) C-10-N

由圖2可知，不摻攪拌站污泥粉的混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為致密，水化產(chǎn)物較為豐富，互相搭接密實。摻加10%新污泥粉的混凝土水化產(chǎn)物互相銜接，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也較為密實，同時可見新污泥粉中未水化的球狀光滑粉煤灰顆粒，對應著較高的強度和較低的收縮。摻加10%老污泥粉的混凝土中可見較大的孔隙，部分裂縫搭接，結(jié)構(gòu)較為疏松，劣化了混凝土性能。摻加20%老污泥粉的混凝土孔隙和裂縫較多，且尺寸較大，部分搭接形成貫穿通道，把內(nèi)部結(jié)構(gòu)分割為若干塊，對應著最低的強度和最大的收縮。

3 結(jié)論

1)摻加10%攪拌站新污泥粉增加了混凝土抗壓強度，降低了干燥收縮；繼續(xù)增加新污泥粉摻量，混凝土抗壓強度降低，干燥收縮增加。而摻加15%新污泥粉混凝土性能與基準混凝土相近。

2)摻加攪拌站老污泥粉降低了混凝土抗壓強度，增加了干燥收縮，且隨著摻量增加，劣化程度不斷加劇。