污泥焚烧灰对混凝土强度和收缩性能的影响

2022-12-31洪明,王果,双雨竹等

浙江建筑 2022年6期

传统混凝土中常用粉煤灰为辅助胶凝材料，然而我国基础建设的飞速发展对粉煤灰的需求不断增加，导致粉煤灰资源短缺［1］。污泥是污水处理过程中产生的固体废物，其产量巨大且处理费用较高。污泥焚烧是污泥处理的一种工艺，脱水污泥加温干燥后再利用高温氧化污泥中的有机物，使污泥成为少量灰烬［2］。污泥焚烧具有减容效果显著、无害化程度彻底、热值发电和环境影响小等优势而得到普遍应用［3-5］。

污泥焚烧灰（Sewage Sludge Ash，SSA）性状类似粉煤灰，主要活性成分为CaO、Fe2O3和SiO2，这些活性成分会参与水泥的水化反应，对混凝土的强度增长有积极作用，部分学者对焚烧灰的性能以及在建筑材料方面的应用作了初步探索。周海燕等［6］提出以镁盐固化污泥和污泥焚烧灰渣作为原生污泥固化剂，并做了相关实验。结果表明，以污泥焚烧灰渣作为固化剂，能够明显改善原生污泥的脱水性能，在投加比例为4.76%～16.7%的条件下，含水率有所下降。

张津践等［7］通过限制水泥中的SO3含量，研究了不同掺量的污泥焚烧灰对水泥性能的影响。试验结果表明适量的污泥焚烧灰会提高水泥水化程度并提高试件的后期强度。

汪洪菊［8］研究了纳米SiO2对污泥焚烧灰-水泥复合胶凝体系性能的影响，并对其水化程度进行了分析。实验表明：纳米SiO2的掺入在一定程度上缩短了复合胶凝体系的凝结时间，提高了水泥胶砂的强度，但对工作性不利；掺入纳米SiO2后，复合胶凝体系7 d内的化学结合水生成量和生成速率较高，纳米SiO2对复合胶凝体系早期水化影响较大。

Liu等［9］研究了500℃～900℃的煅烧温度对污泥焚烧灰混合水泥砂浆的孔结构以及干缩和抗冻融性能的影响。研究发现：随着煅烧温度升高，燃烧损失降低和非晶相含量增加，700℃煅烧的焚烧灰具有最高的火山灰活性指数，并且焚烧灰对砂浆的孔隙具有填充效应。掺入后焚烧灰砂浆的干缩率显著提高，然而，焚烧灰对孔隙结构的细化作用可以抵消冻胀应力，减少基体中过冷水在移动过程中产生的粘性阻力，从而提高砂浆的抗冻性。

本文依据实际工程中的配合比，将粉煤灰取代胶凝材料，占胶凝材料的43.4%，再依次将焚烧灰按照不同比例（0，10%，20%和30%）掺入混凝土中取代粉煤灰，研究了焚烧灰混凝土的坍落度和基本力学性能随龄期发展的情况，并分析了不同焚烧灰掺量对混凝土收缩性能的影响，希望为污泥焚烧灰的研究与应用提供参考。

1 试验设计

1.1 试验原材料

焚烧灰化学成分分析结果见表1。焚烧灰的粒径主要分布在1～100μm的范围内，比表面积为421.6 m2/kg，见图1。本文采用的水泥为中国联合水泥集团有限公司生产的P·Ⅰ42.5标准水泥，化学成分见表2，粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，化学成分见表3。减水剂采用苏博特PCA®-300P粉状聚羧酸减水剂。本文采用的粗骨料为5～15 mm碎石，其表观密度为2 670 kg/m3，含泥量为0.2%。细骨料采用表观密度为2 613 kg/m3的河砂，细度模数2.6。

图1 焚烧灰的粒度分布

表1 污泥焚烧灰的化学成分（wt%）

表2 水泥的化学成分（wt%）

表3 粉煤灰的化学成分（wt%）

1.2 试件的制备与养护

试验配合比设置的对照组R采用目前混凝土配合比中常见的30%粉煤灰掺量，并采用三种不同替代量的实验组F1、F2、F3，各组替代粉煤灰量依次增加。具体配合比见表4。

表4 混凝土配合比设计（kg/m3）

在浇筑前，所有原材料均提前24 h放置于室温（20±1）℃的环境中，在浇筑后，入模振捣均匀，用薄膜覆盖，待静置8～10 h后对试件表面进行抹面处理，24 h后拆模，将抗压试件和劈裂试件置于标准养护室中（20±2℃，RH＞95%）养护至不同龄期。收缩试件置于环境条件（20±2）℃，RH=（60±5）%的恒温恒湿养护室中养护并进行变形测量。

1.3 混凝土的强度和收缩测试

本试验按照《混凝土物理力学性能试验方法标准（GB/T 50081—2019）》进行，抗压强度试验试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体，试验机的加载速度为0.5 MPa/s。劈裂抗拉试验试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体，试验机的加载速度为0.05 MPa/s，试验的龄期为3、7、28 d。

干燥收缩试件采用混凝土试件的尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，每组两个试件做平行试验。试验在密封养护1 d后开始干燥，图2为干燥收缩试件测定量示意图。测量前用砂纸将测头表面磨至光滑平整，然后与CDP-10B相连，接至TDS-530数据采集仪上进行数据采集。干燥收缩应变按公式（1）计算：

图2 干燥收缩试件测试

式中：με为混凝土试件的干燥收缩应变；

ΔL1、ΔL2为试件两侧CDP的收缩变形，mm；

L为试件长度，mm。

2 试验结果及分析

2.1 焚烧灰混凝土的坍落度

各组坍落度结果见图3，由实验结果可知，随着焚烧灰掺量的增加，混凝土的坍落度不断降低。对照组坍落度为170 mm，当焚烧灰掺量为胶凝材料10%时（F1组）混凝土坍落度略有下降，但是当焚烧灰掺量达到胶凝材料20%（F2组）和30%（F3组）时，粉煤灰混凝土的坍落度分别下降至80 mm和40 mm。这可能与焚烧灰本身颗粒较细且有较多孔隙有关，其在搅拌过程中会吸收部分水分，造成混凝土的坍落度下降。

图3 各组坍落度测试结果

2.2 焚烧灰混凝土的抗压与劈裂强度

各组抗压强度测试结果见图4，由实验结果可知，对照组粉煤灰混凝土3、7、28 d抗压强度分别达到20.7、27.0、40 MPa，达到了C30混凝土的强度要求。当焚烧灰掺量为胶凝材料10%（F1组）时，混凝土在不同龄期强度均略高于对照组强度。当焚烧灰掺量达到胶凝材料30%（F3组）时，焚烧灰混凝土28 d的强度下降至31.7 MPa，较对照组下降约21%。这与焚烧灰本身活性较粉煤灰低有关，高掺量的情况下不利于混凝土强度的长期发展。需要注意的是，F2组的强度在早期3 d略低于对照组，7 d时较对照组降低4.4 MPa，但是其在28 d时与对照组基本保持相同水平。由图4可以看出，不同掺量焚烧灰的掺入对混凝土早龄期强度影响较小，当其完全替代粉煤灰时3 d强度仅下降1.6 MPa。

图4 焚烧灰混凝土不同龄期抗压强度

各组劈裂强度测试结果见图5，由实验结果可知对照组粉煤灰混凝土3、7、28 d劈裂强度分别为2.1、2.8、3.1 MPa。随着焚烧灰掺入量的增加，各组混凝土的劈裂强度呈下降趋势。当焚烧灰掺量为胶凝材料10%（F1组）时，混凝土在不同龄期劈裂强度均略低于对照组强度，28 d龄期时降低约9%。当焚烧灰掺量达到胶凝材料30%（F3组）时，焚烧灰混凝土28 d劈裂强度下降至2.4 MPa，较对照组下降约23%。这与焚烧灰本身活性较粉煤灰低有关，其在高掺量的情况下不利于混凝土强度的长期发展。由图5可以看出，F1组混凝土各龄期劈裂强度较对照组下降不大，当其替代量增加时对混凝土劈裂强度不利。

图5 焚烧灰混凝土不同龄期劈裂强度

2.3 焚烧灰混凝土的干燥收缩

各组混凝土试件干燥0～3 d收缩测试结果见图6，由实验结果可知，对照组粉煤灰混凝土干燥1 d后的收缩值约为50με。随着焚烧灰掺入量的增加，各组焚烧灰混凝土的早龄期干燥收缩呈明显下降趋势。当焚烧灰掺量为胶凝材料10%（F1组）时，混凝土干燥1 d时其收缩值仅为20με。当焚烧灰掺量达到胶凝材料20%（F2组）和30%（F3组）时，焚烧灰混凝土1 d干燥收缩值均不高于10με。随着龄期的增加，F1组的收缩在3 d干燥龄期时接近对照组混凝土试件，但是F2组和F3组试件的干燥收缩仅为30με，仅为对照组的三分之一。

图6 各组试件0～3 d龄期的干燥收缩曲线

各组混凝土试件的干燥28 d收缩测试结果见图7，由实验结果可知，对照组粉煤灰混凝土干燥28 d后的收缩值约为345με。当焚烧灰掺量为胶凝材料的10%时，混凝土干燥28 d时其收缩值为352με。随着焚烧灰掺入量的进一步增加，焚烧灰混凝土的干燥收缩呈明显下降趋势。当焚烧灰掺量达到胶凝材料的20%（F2组）和30%（F3组）时，焚烧灰混凝土28 d干燥收缩值分别为314με和263με。焚烧灰完全替代粉煤灰时其干燥收缩下降了约24%。