污泥灰摻量和泡沫用量對泡沫混凝土性能的影響研究

陳艷，陳衛(wèi)，王欽華，熊光晶

（1.汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東汕頭 515000；2.汕頭大學(xué)工學(xué)院，廣東汕頭 515000；3.廣東翰科鋼結(jié)構(gòu)工程咨詢有限公司，廣東汕頭 515000）

污泥灰摻量和泡沫用量對泡沫混凝土性能的影響研究

陳艷1，2，陳衛(wèi)3，王欽華2，熊光晶2

（1.汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東汕頭 515000；2.汕頭大學(xué)工學(xué)院，廣東汕頭 515000；3.廣東翰科鋼結(jié)構(gòu)工程咨詢有限公司，廣東汕頭 515000）

選用普通硅酸鹽水泥、污泥灰（SSA）、Mighty-150減水劑、表面活性發(fā)泡劑等材料，在低水膠比（0.35）條件下，采用混合料固定體積法進(jìn)行泡沫混凝土配合比設(shè)計，研究探討了大摻量污泥灰（0～65%）和泡沫用量對污泥灰-水泥泡沫混凝土干密度、28 d抗壓強度、吸水率、導(dǎo)熱系數(shù)以及孔隙結(jié)構(gòu)等性能的影響。結(jié)果表明：污泥灰-水泥泡沫混凝土的干密度主要取決于泡沫用量而非污泥灰取代率；污泥灰取代率高達(dá)50%時，泡沫混凝土的28 d抗壓強度雖降低，但仍符合JC/T 1062—2007規(guī)定的相應(yīng)密度等級的抗壓強度要求，且此時泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)和吸水率不會顯著增大。因此，大摻量污泥灰-水泥泡沫混凝土是一種潛在的良好的保溫材料。

泡沫混凝土；污泥灰；抗壓強度；導(dǎo)熱系數(shù)；吸水率

0 前言

隨著高層和超高層建筑的不斷發(fā)展，既減輕墻體自重又要滿足建筑節(jié)能和環(huán)保的建筑材料成為人們關(guān)注的焦點。目前，我國建筑外墻普遍采用聚苯乙烯泡沫（EPS、XPS）、聚氨酯硬泡（PU）等有機保溫材料實現(xiàn)保溫節(jié)能效果，然而這些保溫材料由于防火性差，存在著巨大的安全隱患。泡沫混凝土是將發(fā)泡劑產(chǎn)生的泡沫引入水泥基材料中，經(jīng)成型及養(yǎng)護(hù)形成含大量封閉氣孔的輕質(zhì)混凝土。泡沫混凝土同有機保溫材料相比，具有綠色環(huán)保、耐火性好、耐久性好、成本低、來源廣等優(yōu)勢。同其它無機保溫材料相比，又具有流動性高、集料消耗少、質(zhì)量輕，以及保溫隔熱、隔聲、抗震等優(yōu)異性能，是當(dāng)今重點發(fā)展的節(jié)能環(huán)保型材料。

城市污泥是污水處理的產(chǎn)物，未經(jīng)恰當(dāng)處理的污泥進(jìn)入環(huán)境后，直接給水體和大氣帶來二次污染。城市污泥的最佳出路是無害化處理、資源化利用、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[1]。Tay J H[2]研究了經(jīng)分解后的污泥（SS）取代率為0～20%對混凝土性能的影響；Monzo J等[3]固定污泥灰（SSA）摻量為15%，主要研究了污泥灰顆粒大小對混凝土性能的影響；Wang K S等[4]研究了污泥灰（SSA）的特性，重點分析了污泥灰對泡沫混凝土輕質(zhì)性能及孔結(jié)構(gòu)的影響；孫家瑛等[5]研究了管溝污泥摻量0～40%對混凝土物理性能的影響，試驗表明，摻加一定量的管溝污泥可以配制出強度為40 MPa以上的混凝土。本文選用水泥、污泥灰、Mighty-150減水劑、表面活性發(fā)泡劑等材料，在低水膠比（0.35）條件下，采用混合料固定體積法進(jìn)行泡沫混凝土配合比設(shè)計，研究探討了泡沫用量（見體積）和大摻量污泥灰（用污泥灰等質(zhì)量取代水泥，取代率高達(dá)65%）對泡沫混凝土干密度、抗壓強度、吸水率、導(dǎo)熱系數(shù)以及孔隙結(jié)構(gòu)等性能的影響。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥：廣東塔牌42.5級普通硅酸鹽水泥，密度3.05 g/ cm3。

（2）污泥灰（SSA）：汕頭市污水處理廠污泥，在焚燒爐中以1060°C焚燒3 h，然后通過分解機分解2 h得到，密度2.92 g/cm3。水泥、污泥灰的化學(xué)成分見表1。

表1 水泥、污泥灰的化學(xué)成分%

（3）發(fā)泡劑：雷邦士表面活性發(fā)泡劑。

（4）減水劑：上海某公司購買的Mighty-150減水劑。

1.2 泡沫混凝土試塊配合比設(shè)計及制備

（1）配合比設(shè)計：本試驗原材料采用混合料固定體積法進(jìn)行配合比設(shè)計。各原材料的用量見表2。

（2）試塊制備：首先，使用高速攪拌機將設(shè)定比例的泡沫劑水溶液制成泡沫，攪拌時間5 min。按設(shè)定的配合比，先將水泥、污泥灰均勻攪拌2 min，再加入水?dāng)嚢杈鶆? min。然后加入泡沫進(jìn)行攪拌3 min，制成均勻流態(tài)料漿，澆注成所需的試塊。試塊在（23±5）℃，相對濕度大于90%的條件下表面覆蓋塑料膜養(yǎng)護(hù)2 d后脫模，放置1 d后，先在（23±5）℃，相對濕度大于90%的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至14 d，再放入裝滿自來水的水池中養(yǎng)護(hù)至28 d齡期。

表2 污泥灰-水泥泡沫混凝土配合比

1.3 性能測試方法

絕干密度、抗壓強度試件尺寸為150mm×150mm×150 mm，導(dǎo)熱系數(shù)試件尺寸為300 mm×300 mm×30 mm，均參照J(rèn)C/T 1062—2007《泡沫混凝土砌塊》進(jìn)行測試。吸水率試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，參照J(rèn)GJ 51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行測試。實際氣孔率和孔隙率按式（1）、式（2）計算。

式中：φ——實際氣孔率，%；

ρFC——泡沫混凝土的干密度，kg/m3；

ρcp——泡沫用量為0時混凝土的干密度，kg/m3；

p——孔隙率，%；

ρcp——泡沫用量為0時混凝土的孔隙率，%。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 干密度

圖1是不同污泥灰取代率的泡沫混凝土干密度隨泡沫用量的變化。

圖1 泡沫混凝土干密度與污泥灰取代率、泡沫用量的關(guān)系

由圖1可知，隨著泡沫用量的增大，不同污泥灰取代率的泡沫混凝土的干密度均減小。污泥灰呈輕質(zhì)、松散的球狀顆粒，內(nèi)部存在氣孔，從而吸水率大[6]，是水泥漿體在摻加污泥灰后密度減小的主要原因。同時，隨著泡沫用量的增加，混凝土攪拌時泡沫直接受攪拌葉片擠壓的比例增加，破損率增大，因此，泡沫混凝土的干密度并不完全隨泡沫用量的增加而線性地減小[7]。從圖1還可以看出，對于同一泡沫用量，不同污泥灰取代率的泡沫混凝土干密度相差并不大，但對于同一污泥灰取代率，隨泡沫用量的增大其干密度減小速率較快，由此可知，影響泡沫混凝土干密度的主要因素是泡沫用量。

2.2 抗壓強度

圖2是不同污泥灰取代率的泡沫混凝土28 d抗壓強度隨泡沫用量的變化。

圖2 泡沫混凝土28 d抗壓強度與污泥灰取代率、泡沫用量的關(guān)系

由圖2可知，隨污泥灰對水泥取代率的增加，泡沫混凝土的抗壓強度呈先微弱提高后降低的趨勢，并且隨著泡沫用量的增加，這種趨勢明顯減弱。污泥灰具有活性效應(yīng)[7]是其取代率≤20%時泡沫混凝土抗壓強度有微弱提高的主要原因。而當(dāng)污泥灰取代率為50%時，試塊28 d抗壓強度較污泥灰取代率為0時有較大幅度的降低，但其最小值為3.92 MPa（泡沫用量為60%時），仍符合JC/T 1062—2007中A3.5強度等級要求。污泥灰取代率達(dá)到65%時，試塊28 d抗壓強度較污泥灰取代率為50%時進(jìn)一步降低，其中泡沫用量為40%的試塊抗壓強度降低最為明顯，從13.5 MPa降低到8.9 MPa，強度降低率為34.07%；且泡沫用量為60%時，試塊28 d抗壓強度最小值為3.07 MPa，已不符合JC/T 1062—2007中A3.5強度等級要求。

圖3為泡沫用量為40%的污泥灰泡沫混凝土斷面放大10倍的氣孔分布。

圖3 污泥灰-水泥泡沫混凝土斷面照片

由圖3可知，污泥灰取代率為35%的試塊中氣泡分布相對小且均勻，而污泥灰取代率為50%和65%時，泡沫混凝土中氣孔孔徑明顯增大，且分布不均勻，由此可以說明，大摻量污泥灰對泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)和粘結(jié)界面產(chǎn)生不利影響，從而引起泡沫混凝土抗壓強度的降低。另外，污泥灰具有一定的含泥量，也是導(dǎo)致大摻量污泥灰-水泥泡沫混凝土28 d抗壓強度降低的一個原因。

圖4為泡沫混凝土的抗壓強度fFC與未加發(fā)泡劑的硬化水泥漿體基體的抗壓強度fcp的比值fFC/fcp與孔隙率p的關(guān)系。

圖4 抗壓強度比fFC/fcp隨孔隙率p的變化

由圖4可知，在本試驗研究的泡沫用量（或孔隙率）范圍內(nèi)，不同污泥灰取代率的泡沫混凝土強度比與孔隙率均呈指數(shù)關(guān)系，符合E.Ryshkewitch的指數(shù)函數(shù)強度模型[8]，并且均具有良好的相關(guān)性。

2.3 吸水率

圖5是不同污泥灰對水泥取代率的泡沫混凝土吸水率隨泡沫用量的變化。

圖5 泡沫混凝土吸水率與污泥灰取代率、泡沫用量的關(guān)系

由圖5可以看出，對于同一泡沫用量，污泥灰取代率≤35%時，泡沫混凝土的吸水率較污泥灰取代率為0時有較大幅度下降；污泥灰取代率為50%時，泡沫混凝土的吸水率略有增大；而當(dāng)污泥灰取代率為65%時，泡沫混凝土的吸水率較取代率為0的增大了12.7%（泡沫用量為20%時）。這可能是因為污泥灰較水泥密度低，所以添加污泥灰對泡沫混凝土吸水率的正面影響主要是降低了水灰比，減少了毛細(xì)孔隙的總體積；負(fù)面影響則是污泥灰的水化反應(yīng)十分緩慢，在同樣的齡期內(nèi)與純水泥相比，新生成的水化顆粒較少。隨著污泥灰取代率的增大，負(fù)面作用逐漸大于正面作用，從而導(dǎo)致吸水率增大。

從圖5還可以看出，不同污泥灰取代率的泡沫混凝土吸水率均隨泡沫用量的增大而減小。這是由于泡沫混凝土的吸水性與水泥基體硬化初期形成的相互連通的毛細(xì)孔隙有關(guān)[9]。隨著泡沫用量的增大，泡沫混凝土中實際氣孔率和孔隙率均增大（見圖6），但孔隙率增大的速率小于實際氣孔率增大的速率，即水泥基體中的毛細(xì)孔隙數(shù)量隨著泡沫用量的增大而減小，從而導(dǎo)致吸水率降低。

圖6 泡沫混凝土孔隙率、實際氣孔率與污泥灰取代率、泡沫用量的關(guān)系

2.4 保溫性能

圖7是不同污泥灰取代率的泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨泡沫用量的變化。

圖7 泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)、孔隙率與污泥灰取代率、泡沫用量的關(guān)系

由圖7可知，各組泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)均在1.01 W/（m·K）以下（泡沫用量為0，密度等級大于1900 kg/m3時），最小能達(dá)到0.0826 W/（m·K），符合JC/T 1062—2007規(guī)定的密度等級為B07的泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)≤0.18 W/（m·K）要求，說明污泥-水泥泡沫混凝土具有良好的保溫隔熱性能。隨泡沫用量的增加，不同污泥灰取代率的泡沫混凝土孔隙率增大，導(dǎo)熱系數(shù)減小。即導(dǎo)熱系數(shù)隨著孔隙率的增大而減小，且導(dǎo)熱系數(shù)與孔隙率呈指數(shù)關(guān)系（見圖8）。同時，污泥灰取代率不超過50%時對泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響并不大，而當(dāng)污泥灰取代率達(dá)到65%時，其導(dǎo)熱系數(shù)較污泥灰取代率達(dá)到50%時最大提高了26.05%（泡沫用量為50%時）。

圖8 泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與污泥灰取代率、孔隙率的關(guān)系

泡沫混凝土是孔隙與水泥基體兩相復(fù)合材料，熱量在泡沫混凝土內(nèi)的熱傳導(dǎo)包括4種機理，即氣體導(dǎo)熱傳遞、氣體對流傳遞、包圍氣體的固體表面之間的輻射換熱以及在固相的導(dǎo)熱傳遞。泡沫混凝土的氣相是降低導(dǎo)熱系數(shù)的主導(dǎo)因素。所以本試驗中，不同污泥取代率泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)都隨孔隙率的增大而降低。但泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)不僅孔隙率的高低有關(guān)，而且還與氣孔的形態(tài)與大小有密切的關(guān)系。由圖3可知，污泥灰取代率為50%和65%時較污泥灰取代率為35%時氣孔尺寸大，且分布不規(guī)則。氣孔尺寸的變大最明顯的表現(xiàn)是導(dǎo)致材料內(nèi)部在一定體積內(nèi)氣孔壁數(shù)量的減少，即減少了固體反射面，增加了空氣對流幅度，從而使輻射傳熱的效率增大；且氣孔分布不規(guī)則可能會產(chǎn)生一些連通孔，從而增大混凝土內(nèi)的熱傳導(dǎo)導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)增大。

3 結(jié)論

（1）污泥灰呈輕質(zhì)、松散的球狀顆粒，內(nèi)部存在氣孔，從而吸水率大，是水泥漿體在摻加污泥灰后密度減小的主要原因。泡沫混凝土的密度很大程度上取決于泡沫用量，污泥灰取代率對其影響并不大。

（2）污泥灰取代率會影響泡沫混凝土的28 d抗壓強度，且影響程度隨泡沫用量的增大而減小。污泥灰具有活性效應(yīng)，所以其取代率≤20%時混凝土的抗壓強度有微弱提高。污泥灰取代率≤35%時對泡沫混凝土的28 d抗壓強度影響不大。污泥灰取代率為50%會降低泡沫混凝土28 d抗壓強度，但最小強度3.92MPa（泡沫用量為60%時）仍符合JC/T 1062—2007中A3.5強度等級要求。同時，水泥-污泥灰泡沫混凝土的28 d抗壓強度與孔隙率滿足E.Ryshkewitch的指數(shù)函數(shù)強度模型，并且均具有良好的相關(guān)性。

（3）污泥灰取代率≤50%時對泡沫混凝土的吸水率、導(dǎo)熱系數(shù)影響并不大，但污泥灰取代率達(dá)到65%時會明顯增大泡沫混凝土的吸水率、導(dǎo)熱系數(shù)。同時，不同污泥灰取代率的水泥-污泥灰泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)隨孔隙率的增大呈指數(shù)減小。

[1]孫家瑛，喬燕，鄭德康.摻管溝污泥水泥混凝土的性能研究[J].建筑材料學(xué)報，2007，10（2）：219-222.

[2]Tay J-H.Sludge ash as filler for Portland cement concrete[J]. Journal of Environmental Engineering，1987，113（2）：345-351.

[3]Monzo J，Paya J，Borrachero M，et al.Use of sewage sludge ash（SSA）-cement admixtures in mortars[J].Cement and Concrete Research，1996，26（9）：1389-1398.

[4]Wang K S，Chiou I J，Chen C H，et al.Lightweight properties and pore structure of foamed material made from sewage sludge ash[J].Construction and Building Materials，2005，19（8）：627-633.

[5]孫家瑛，喬燕，鄭德康.摻管溝污泥水泥混凝土的物理力學(xué)性能研究[J].混凝土與水泥制品，2006（4）：5-7.

[6]Cheeseman C R，Virdi G S.Properties and microstructure of lightweight aggregate produced from sintered sewage sludge ash [J].Resources，Conservation and Recycling，2005，45（1）：18-30.

[7]方永浩，王銳，龐二波，等.水泥-粉煤灰泡沫混凝土抗壓強度與氣孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系[J].硅酸鹽學(xué)報，2010，38（4）：621-626.

[8]Kearsley E，Wainwright P.The effect of porosity on the strength of foamed concrete[J].Cement and Concrete Research，2002，32（2）：233-239.

[9]Nambiar E，Ramamurthy K.Sorption characteristics of foam concrete [J].Cement and Concrete Research，2007，37（9）：1341-1347.

The effect of sewage sludge ash content and foam volume on the properties of foamed concrete

CHEN Yan1，2，CHEN Wei3，WANG Qinhua2，XIONG Guangjing2
（1.Shantou Polytechnic，Shantou 515000，China；2.College of Engineering，Shantou University，Shantou 515000，China；3.GuangdongHanke Steel Engineering Consulting Co.Ltd，Shantou 515000，China）

Cement，sewage sludge ash（SSA），mighty-150 superplasticizer and surface activity foam agent，under the low waterbinder ratio（0.35），were used to design the mixing proportion of the foamed concrete by fixed volume method.Dry density，28 d compressive strength，water absorption，thermal conductivity，and pore structure of foamed concrete with replacing large masses of cement（up to 65%by weight）with SSA and foam volume were systemically researched.The result indicates that the dry density of SSA-cement foamed concrete is dependent mainly on foam volume and not on SSA replacement rate.This paper also shows that up to 50% of the cement could be replaced without any significant reductions in the 28 d compressive strength，which still meets the requirements of the Chinese standard of JC/T 1062—2007，meanwhile，the water absorption and thermal conductivity of foamed concrete are not increase significantly.Hence，the massive SSA-cement foamed concrete is a potential good thermal insulation material.

foamed concrete，sewage sludge ash（SSA），compressive strength，thermal conductivity，water absorption

TU528.2

A

1001-702X（2016）07-0100-05

國家自然科學(xué)基金項目（51208291）

2016-01-31

陳艷，女，1986年生，湖南永州人，博士，主要從事泡沫混凝土研究。