污泥焚烧灰对砂浆强度与干缩的影响及机理_郭澍来.pdf

第 20 卷 第 2 期2023 年 2 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 2February 2023污泥焚烧灰对砂浆强度与干缩的影响及机理郭澍来，董荣珍，龙广成，常智杨，谢友均，曾晓辉，马昆林(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)摘要：为促进市政污水污泥废弃物在水泥基材料中的资源化高值利用，助力水泥基材料可持续发展，选用长沙市当地典型污水污泥废弃物制备污泥焚烧灰(SSA)，通过砂浆强度及干燥收缩试验，结合X射线衍射、氮气吸附和扫描电镜测试方法，探讨不同污泥焚烧灰掺量及其与粉煤灰、矿渣粉复掺对砂浆强度与干缩性能影响规律及相应机理。试验结果表明，适量污泥焚烧灰可以较好地提高砂浆强度及强度增长速率，与水泥颗粒粒径相似的污泥焚烧灰等质量取代20%水泥，其90 d龄期的强度效应因子可达1.2；污泥焚烧灰与粉煤灰、矿渣粉可发挥良好的协同效应，有利于提高砂浆强度，污泥焚烧灰与粉煤灰、矿渣粉三掺试件各龄期强度接近同掺量粉煤灰与矿渣粉双掺试件的结果；污泥焚烧灰对砂浆试件干缩变形有较好的抑制作用。结合水泥-污泥焚烧灰样品水化产物和微观结构分析结果可知，污泥焚烧灰在砂浆中可发挥显著的火山灰效应，促进水泥水化，增加体系中单硫型水化硫铝酸钙晶体相，并减少50 nm以上的毛细孔，从而改善水泥基材料的性能及微结构。关键词：污泥焚烧灰；砂浆；强度；干缩；机理中图分类号：TU528；TU992.3 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）02-0576-11Influence and mechanism of sewage sludge incineration ash on mortar strength and drying shrinkageGUO Shulai,DONG Rongzhen,LONG Guangcheng,CHANG Zhiyang,XIE Youjun,ZENG Xiaohui,MA Kunlin(School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China)Abstract:To promote the resourceful and high-value utilization of municipal sewage sludge waste,and further cement-based materials sustainable development,the sewage sludge incineration ash(SSA)was prepared by typical sewage sludge waste from Changsha.The influences of SSA dosage and mixing SSA with fly ash and slag on mechanical strength and drying shrinkage of mortar,and corresponding mechanism were studied by macro and micro tests including X-ray diffraction,nitrogen adsorption method,and scanning electron microscopy.The test results show that SSA with appropriate dosage can improve the strength of mortar and the rate of strength growth.When 20%cement is replaced by equivalent mass of SSA with similar particle size,the strength-effect factor 收稿日期：2022-03-17基金项目：湖南省重点研发计划资助项目(2020wk2005)通信作者：龙广成(1973)，男，江西万载人，教授，博士，从事绿色低碳水泥基材料及固废资源化利用研究；Email：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220489第 2 期郭澍来，等：污泥焚烧灰对砂浆强度与干缩的影响及机理reaches 1.2 at 90 days.Moreover,SSA can play a good synergistic effect with fly ash and slag,improving the mechanical strength of mortar.The strength of the specimens with SSA,fly ash,and slag is close to that of the specimens with the same amount of fly ash and slag at all ages.SSA has an effective inhibitory effect on the drying shrinkage of the mortar.The results of the hydration products and microstructure analysis of the Cement-SSA samples show that SSA has a significant pozzolanic effect and promotes the hydration of the cement.The content of the monosulfate crystal phase increases in the system with SSA,and the capillary pores above 50nm are reduced in specimens.Those factors contribute to improving performance and refining the microstructure of cement-based materials.Key words:sewage sludge incineration ash;mortar;strength;drying shrinkage;mechanism 污水污泥(Sewage Sludge)产量持续增加带来的环境压力已然是一个全球性的问题。欧盟成员国每年生产1 300多万t的污泥干固体1，而我国干污泥年产生量为1 163万t2。因此，进行污泥合理化高效利用具有非常重要的意义。2017年水泥行业的二氧化碳排放量为2.2 Gt/a，占全球温室气体排放量的7%3，采用生活、工业废弃物制备水泥混凝土的替代组分是碳减排的有效途径之一4。污水污泥焚烧灰(SSA Sewage Sludge incineration Ash)用作水泥替代品具有较好优势，可大规模应用于道路、基础设施建设，降低经济成本和环境压力；其主要成分 SiO2和 Al2O3占比 45%80%57，焚烧后的污泥灰具有较高火山灰活性811。汤薇等12采用20%40%掺量的自来水厂污泥焚烧灰制备出的混凝土90 d抗压强度与纯水泥混凝土相近。也有文献报道污泥焚烧灰与粉煤灰复掺可以改善砂浆强度13。CHEN等14得到的污泥焚烧灰具有多孔的特性，干燥时孔内吸附的自由水散失使得砂浆干缩随着焚烧灰掺量提高略有增加。然而，当前有关污泥焚烧灰对水泥混凝土性能影响方面的研究成果尚不系统，现有文献主要是针对性的定性结果，亟待加强相关方面的研究。为此，本文在既有成果基础上，通过对比方法，深入分析污泥焚烧灰对水泥砂浆强度和干缩的影响，探索污泥焚烧灰在水泥砂浆中的物理、化学作用机理，以促进污泥焚烧灰在水泥基材料中的高效利用，助力水泥基材料低碳绿色发展。1 试验1.1原材料所用水泥为P.42.5硅酸盐水泥(PC)。污泥取自长沙市城西污水厂的脱水泥饼，将晒干的饼状污泥破碎为粉状，球磨机粉磨 1 h 后过 100 目筛(150 m)备用，再将该污泥粉置于高温电阻炉中以800 恒温 6 h 冷却制成污泥焚烧灰粉料(简称为SSA)；同时，还采用了湘潭电厂I级粉煤灰(FA)、S95 矿渣粉(GGBS)以及磨细石英粉(Quartz，简称Q)。污泥焚烧灰、粉煤灰及矿渣粉颗粒的微观形貌如图1所示。图1各粉体材料的微观形貌图Fig.1Micro-morphology of three powders577铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 2月图2为各粉体材料的粒度分布曲线，从中可以看 到 PC，SSA，FA，GGBS 和 Q 的 D50分 别 为14.34，10.54，20.10，13.13 和 17.62 m，污泥焚烧灰颗粒的D50稍小，总体上各粉体材料的粒径分布相似。图3为各材料的X射线衍射图谱，污泥焚烧灰主要的晶相矿物组成为石英和白云母(Muscovite)，白云母是原脱水污泥经高温煅烧后未分解残留的矿物。污泥焚烧灰粉体的 XRD 图中无明显Al2O3衍射峰，说明 Al2O3大多以非晶型的形态存在。表1给出了各粉体材料的XRF化学组成，污泥焚烧灰中 P2O5稍高，其余氧化物含量与粉煤灰接近。1.2配合比及试样制备为对比分析，试验设计了基准水泥组 PC，10%50%掺量的污泥焚烧灰组以及污泥焚烧灰与粉煤灰、矿渣双掺和三掺组。选用与污泥焚烧灰粒径相近的惰性石英粉以30%掺量替代水泥作为参考组。分别以0.4和0.5水灰比制作净浆和砂浆试件，其粉体材料组成配合比如表2。净浆试件按照上述配比称量好的干料加入净浆 搅 拌 机 中 慢 速 搅 拌 60 s 混 合 至 均 匀(转 速800 r/min)，加入自来水并继续搅拌 90 s后，手动用玻璃棒搅拌均匀，再以 1 500 r/min的转速搅拌图2原材料的粒度分布曲线Fig.2Cumulative particle size distributions of raw materials图3矿物掺合料的XRD图Fig.3XRD pattern of mineral admixtures表1原材料的化学成分Table 1Chemical composition of raw materials样品PCSSAFAGGBSSiO220.5851.5348.2526.1CaO63.573.087.3833.6Al2O34.9723.1427.6813.8Fe2O33.768.887.6714.1MgO2.291.210.918.1Na2O0.530.240.830.45K2O2.571.220.81P2O58.040.34SO32.000.311.44表2 试件粉体组成配比Table 2 Mix proportions of powder materials for samples原材料PCSSAFAGGBSQuartz组别PC100S19010S28020S37030S46040S55050S2G1702010F2G1702010S1F1G170101010Q37030578第 2 期郭澍来，等：污泥焚烧灰对砂浆强度与干缩的影响及机理90 s，最后将浆体倒入塑料瓶中密封备用。砂浆试件按照国家标准水泥胶砂强度检验方法(ISO法)GB/T 176712021制备(胶砂比 1:3)，并进行养护和后续相应测试。1.3试验方法1.3.1砂浆强度及干燥收缩试验按照国家标准水泥胶砂强度检验方法(ISO法)GB/T 176712021执行，分别测试相应龄期的试件强度。根据用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉GB/T 180462017，采用掺污泥焚烧灰等矿物掺合料的试件强度Rn与同龄期基准试件强