污泥焚燒灰對混凝土強度和收縮性能的影響

傳統(tǒng)混凝土中常用粉煤灰為輔助膠凝材料，然而我國基礎(chǔ)建設(shè)的飛速發(fā)展對粉煤灰的需求不斷增加，導致粉煤灰資源短缺［1］。污泥是污水處理過程中產(chǎn)生的固體廢物，其產(chǎn)量巨大且處理費用較高。污泥焚燒是污泥處理的一種工藝，脫水污泥加溫干燥后再利用高溫氧化污泥中的有機物，使污泥成為少量灰燼［2］。污泥焚燒具有減容效果顯著、無害化程度徹底、熱值發(fā)電和環(huán)境影響小等優(yōu)勢而得到普遍應(yīng)用［3-5］。

污泥焚燒灰（Sewage Sludge Ash，SSA）性狀類似粉煤灰，主要活性成分為CaO、Fe2O3和SiO2，這些活性成分會參與水泥的水化反應(yīng)，對混凝土的強度增長有積極作用，部分學者對焚燒灰的性能以及在建筑材料方面的應(yīng)用作了初步探索。周海燕等［6］提出以鎂鹽固化污泥和污泥焚燒灰渣作為原生污泥固化劑，并做了相關(guān)實驗。結(jié)果表明，以污泥焚燒灰渣作為固化劑，能夠明顯改善原生污泥的脫水性能，在投加比例為4.76%～16.7%的條件下，含水率有所下降。

張津踐等［7］通過限制水泥中的SO3含量，研究了不同摻量的污泥焚燒灰對水泥性能的影響。試驗結(jié)果表明適量的污泥焚燒灰會提高水泥水化程度并提高試件的后期強度。

汪洪菊［8］研究了納米SiO2對污泥焚燒灰-水泥復合膠凝體系性能的影響，并對其水化程度進行了分析。實驗表明：納米SiO2的摻入在一定程度上縮短了復合膠凝體系的凝結(jié)時間，提高了水泥膠砂的強度，但對工作性不利；摻入納米SiO2后，復合膠凝體系7 d內(nèi)的化學結(jié)合水生成量和生成速率較高，納米SiO2對復合膠凝體系早期水化影響較大。

Liu等［9］研究了500℃～900℃的煅燒溫度對污泥焚燒灰混合水泥砂漿的孔結(jié)構(gòu)以及干縮和抗凍融性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：隨著煅燒溫度升高，燃燒損失降低和非晶相含量增加，700℃煅燒的焚燒灰具有最高的火山灰活性指數(shù)，并且焚燒灰對砂漿的孔隙具有填充效應(yīng)。摻入后焚燒灰砂漿的干縮率顯著提高，然而，焚燒灰對孔隙結(jié)構(gòu)的細化作用可以抵消凍脹應(yīng)力，減少基體中過冷水在移動過程中產(chǎn)生的粘性阻力，從而提高砂漿的抗凍性。

本文依據(jù)實際工程中的配合比，將粉煤灰取代膠凝材料，占膠凝材料的43.4%，再依次將焚燒灰按照不同比例（0，10%，20%和30%）摻入混凝土中取代粉煤灰，研究了焚燒灰混凝土的坍落度和基本力學性能隨齡期發(fā)展的情況，并分析了不同焚燒灰摻量對混凝土收縮性能的影響，希望為污泥焚燒灰的研究與應(yīng)用提供參考。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗原材料

焚燒灰化學成分分析結(jié)果見表1。焚燒灰的粒徑主要分布在1～100μm的范圍內(nèi)，比表面積為421.6 m2/kg，見圖1。本文采用的水泥為中國聯(lián)合水泥集團有限公司生產(chǎn)的P·Ⅰ42.5標準水泥，化學成分見表2，粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，化學成分見表3。減水劑采用蘇博特PCA?-300P粉狀聚羧酸減水劑。本文采用的粗骨料為5～15 mm碎石，其表觀密度為2 670 kg/m3，含泥量為0.2%。細骨料采用表觀密度為2 613 kg/m3的河砂，細度模數(shù)2.6。

圖1 焚燒灰的粒度分布

表1 污泥焚燒灰的化學成分（wt%）

表2 水泥的化學成分（wt%）

表3 粉煤灰的化學成分（wt%）

1.2 試件的制備與養(yǎng)護

試驗配合比設(shè)置的對照組R采用目前混凝土配合比中常見的30%粉煤灰摻量，并采用三種不同替代量的實驗組F1、F2、F3，各組替代粉煤灰量依次增加。具體配合比見表4。

表4 混凝土配合比設(shè)計（kg/m3）

在澆筑前，所有原材料均提前24 h放置于室溫（20±1）℃的環(huán)境中，在澆筑后，入模振搗均勻，用薄膜覆蓋，待靜置8～10 h后對試件表面進行抹面處理，24 h后拆模，將抗壓試件和劈裂試件置于標準養(yǎng)護室中（20±2℃，RH＞95%）養(yǎng)護至不同齡期。收縮試件置于環(huán)境條件（20±2）℃，RH=（60±5）%的恒溫恒濕養(yǎng)護室中養(yǎng)護并進行變形測量。

1.3 混凝土的強度和收縮測試

本試驗按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準（GB/T 50081—2019）》進行，抗壓強度試驗試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體，試驗機的加載速度為0.5 MPa/s。劈裂抗拉試驗試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體，試驗機的加載速度為0.05 MPa/s，試驗的齡期為3、7、28 d。

干燥收縮試件采用混凝土試件的尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，每組兩個試件做平行試驗。試驗在密封養(yǎng)護1 d后開始干燥，圖2為干燥收縮試件測定量示意圖。測量前用砂紙將測頭表面磨至光滑平整，然后與CDP-10B相連，接至TDS-530數(shù)據(jù)采集儀上進行數(shù)據(jù)采集。干燥收縮應(yīng)變按公式（1）計算：

圖2 干燥收縮試件測試

式中：με為混凝土試件的干燥收縮應(yīng)變；

ΔL1、ΔL2為試件兩側(cè)CDP的收縮變形，mm；

L為試件長度，mm。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 焚燒灰混凝土的坍落度

各組坍落度結(jié)果見圖3，由實驗結(jié)果可知，隨著焚燒灰摻量的增加，混凝土的坍落度不斷降低。對照組坍落度為170 mm，當焚燒灰摻量為膠凝材料10%時（F1組）混凝土坍落度略有下降，但是當焚燒灰摻量達到膠凝材料20%（F2組）和30%（F3組）時，粉煤灰混凝土的坍落度分別下降至80 mm和40 mm。這可能與焚燒灰本身顆粒較細且有較多孔隙有關(guān)，其在攪拌過程中會吸收部分水分，造成混凝土的坍落度下降。

圖3 各組坍落度測試結(jié)果

2.2 焚燒灰混凝土的抗壓與劈裂強度

各組抗壓強度測試結(jié)果見圖4，由實驗結(jié)果可知，對照組粉煤灰混凝土3、7、28 d抗壓強度分別達到20.7、27.0、40 MPa，達到了C30混凝土的強度要求。當焚燒灰摻量為膠凝材料10%（F1組）時，混凝土在不同齡期強度均略高于對照組強度。當焚燒灰摻量達到膠凝材料30%（F3組）時，焚燒灰混凝土28 d的強度下降至31.7 MPa，較對照組下降約21%。這與焚燒灰本身活性較粉煤灰低有關(guān)，高摻量的情況下不利于混凝土強度的長期發(fā)展。需要注意的是，F(xiàn)2組的強度在早期3 d略低于對照組，7 d時較對照組降低4.4 MPa，但是其在28 d時與對照組基本保持相同水平。由圖4可以看出，不同摻量焚燒灰的摻入對混凝土早齡期強度影響較小，當其完全替代粉煤灰時3 d強度僅下降1.6 MPa。

圖4 焚燒灰混凝土不同齡期抗壓強度

各組劈裂強度測試結(jié)果見圖5，由實驗結(jié)果可知對照組粉煤灰混凝土3、7、28 d劈裂強度分別為2.1、2.8、3.1 MPa。隨著焚燒灰摻入量的增加，各組混凝土的劈裂強度呈下降趨勢。當焚燒灰摻量為膠凝材料10%（F1組）時，混凝土在不同齡期劈裂強度均略低于對照組強度，28 d齡期時降低約9%。當焚燒灰摻量達到膠凝材料30%（F3組）時，焚燒灰混凝土28 d劈裂強度下降至2.4 MPa，較對照組下降約23%。這與焚燒灰本身活性較粉煤灰低有關(guān)，其在高摻量的情況下不利于混凝土強度的長期發(fā)展。由圖5可以看出，F(xiàn)1組混凝土各齡期劈裂強度較對照組下降不大，當其替代量增加時對混凝土劈裂強度不利。

圖5 焚燒灰混凝土不同齡期劈裂強度

2.3 焚燒灰混凝土的干燥收縮

各組混凝土試件干燥0～3 d收縮測試結(jié)果見圖6，由實驗結(jié)果可知，對照組粉煤灰混凝土干燥1 d后的收縮值約為50με。隨著焚燒灰摻入量的增加，各組焚燒灰混凝土的早齡期干燥收縮呈明顯下降趨勢。當焚燒灰摻量為膠凝材料10%（F1組）時，混凝土干燥1 d時其收縮值僅為20με。當焚燒灰摻量達到膠凝材料20%（F2組）和30%（F3組）時，焚燒灰混凝土1 d干燥收縮值均不高于10με。隨著齡期的增加，F(xiàn)1組的收縮在3 d干燥齡期時接近對照組混凝土試件，但是F2組和F3組試件的干燥收縮僅為30με，僅為對照組的三分之一。

圖6 各組試件0～3 d齡期的干燥收縮曲線

各組混凝土試件的干燥28 d收縮測試結(jié)果見圖7，由實驗結(jié)果可知，對照組粉煤灰混凝土干燥28 d后的收縮值約為345με。當焚燒灰摻量為膠凝材料的10%時，混凝土干燥28 d時其收縮值為352με。隨著焚燒灰摻入量的進一步增加，焚燒灰混凝土的干燥收縮呈明顯下降趨勢。當焚燒灰摻量達到膠凝材料的20%（F2組）和30%（F3組）時，焚燒灰混凝土28 d干燥收縮值分別為314με和263με。焚燒灰完全替代粉煤灰時其干燥收縮下降了約24%。

圖7 各組試件28 d干燥收縮曲線

由上述測試結(jié)果可知，污泥焚燒灰的存在會導致混凝土發(fā)生體積膨脹，具體的膨脹量取決于焚燒灰的摻量，摻量越多，膨脹應(yīng)變越大。試件膨脹主要由于污泥焚燒灰中含有硫酸鹽，硫酸鹽在水泥硬化過程中與水化反應(yīng)生成的Ca（OH）2反應(yīng)生成二水石膏?；瘜W反應(yīng)式如下：

生成的石膏顆粒較細，具有較高的活性，更容易和水泥中的C3A反應(yīng)生成鈣礬石（3CaO Al2O33CaSO432H2O），因此導致試件早齡期的體積膨脹［10］?；瘜W反應(yīng)式如下：

然而，由于混凝土內(nèi)部的自干燥，各組試件在測試后期發(fā)生持續(xù)的干燥收縮。這是由于混凝土孔隙中的毛細張力會隨著內(nèi)部相對濕度的降低而增加，導致焚燒灰混凝土發(fā)生體積收縮［11］。

3 結(jié)語

研究制備了不同焚燒灰和粉煤灰摻量的混凝土材料，分析不同替代摻量下焚燒灰混凝土的性能變化。研究表明：隨著焚燒灰摻量的增加，混凝土的坍落度和劈裂強度出現(xiàn)不同程度的下降；10%焚燒灰摻量對混凝土的抗壓強度有所提升；焚燒灰的摻入可以有效降低混凝土早齡期的干燥收縮。