傳統(tǒng)混凝土中常用粉煤灰為輔助膠凝材料，然而我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的飛速發(fā)展對(duì)粉煤灰的需求不斷增加，導(dǎo)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(fèi)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(jī)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(shì)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(huì)參與水泥的水化反應(yīng)，對(duì)混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)有積極作用，部分學(xué)者對(duì)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(shí)驗(yàn)。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(duì)水泥性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明適量的污泥焚燒灰會(huì)提高水泥水化程度并提高試件的后期強(qiáng)度。

汪洪菊［8］研究了納米SiO2對(duì)污泥焚燒灰-水泥復(fù)合膠凝體系性能的影響，并對(duì)其水化程度進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)表明：納米SiO2的摻入在一定程度上縮短了復(fù)合膠凝體系的凝結(jié)時(shí)間，提高了水泥膠砂的強(qiáng)度，但對(duì)工作性不利；摻入納米SiO2后，復(fù)合膠凝體系7 d內(nèi)的化學(xué)結(jié)合水生成量和生成速率較高，納米SiO2對(duì)復(fù)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(duì)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(duì)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(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的細(xì)化作用可以抵消凍脹應(yīng)力，減少基體中過冷水在移動(dòng)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(shí)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(xué)性能隨齡期發(fā)展的情況，并分析了不同焚燒灰摻量對(duì)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(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

焚燒灰化學(xué)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(guó)聯(lián)合水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的P·Ⅰ42.5標(biāo)準(zhǔn)水泥，化學(xué)成分見表2，粉煤灰為Ⅱ級(jí)粉煤灰，化學(xué)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(xì)骨料采用表觀密度為2 613 kg/m3的河砂，細(xì)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(xué)成分（wt%）

表2 水泥的化學(xué)成分（wt%）

表3 粉煤灰的化學(xué)成分（wt%）

1.2 試件的制備與養(yǎng)護(hù)

試驗(yàn)配合比設(shè)置的對(duì)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(shí)驗(yàn)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(jì)（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(duì)試件表面進(jìn)行抹面處理，24 h后拆模，將抗壓試件和劈裂試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中（20±2℃，RH＞95%）養(yǎng)護(hù)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(hù)室中養(yǎng)護(hù)并進(jìn)行變形測(cè)量。

1.3 混凝土的強(qiáng)度和收縮測(cè)試

本試驗(yàn)按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50081—2019）》進(jìn)行，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體，試驗(yàn)機(jī)的加載速度為0.5 MPa/s。劈裂抗拉試驗(yàn)試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體，試驗(yàn)機(jī)的加載速度為0.05 MPa/s，試驗(yàn)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(gè)試件做平行試驗(yàn)。試驗(yàn)在密封養(yǎng)護(hù)1 d后開始干燥，圖2為干燥收縮試件測(cè)定量示意圖。測(cè)量前用砂紙將測(cè)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集。干燥收縮應(yīng)變按公式（1）計(jì)算：

圖2 干燥收縮試件測(cè)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(zhǎng)度，mm。

2 試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(duì)照組坍落度為170 mm，當(dāng)焚燒灰摻量為膠凝材料10%時(shí)（F1組）混凝土坍落度略有下降，但是當(dāng)焚燒灰摻量達(dá)到膠凝材料20%（F2組）和30%（F3組）時(shí)，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(xì)且有較多孔隙有關(guān)，其在攪拌過程中會(huì)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(cè)試結(jié)果

2.2 焚燒灰混凝土的抗壓與劈裂強(qiáng)度

各組抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見圖4，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)照組粉煤灰混凝土3、7、28 d抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到20.7、27.0、40 MPa，達(dá)到了C30混凝土的強(qiáng)度要求。當(dāng)焚燒灰摻量為膠凝材料10%（F1組）時(shí)，混凝土在不同齡期強(qiáng)度均略高于對(duì)照組強(qiáng)度。當(dāng)焚燒灰摻量達(dá)到膠凝材料30%（F3組）時(shí)，焚燒灰混凝土28 d的強(qiáng)度下降至31.7 MPa，較對(duì)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(qiáng)度的長(zhǎng)期發(fā)展。需要注意的是，F(xiàn)2組的強(qiáng)度在早期3 d略低于對(duì)照組，7 d時(shí)較對(duì)照組降低4.4 MPa，但是其在28 d時(shí)與對(duì)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(duì)混凝土早齡期強(qiáng)度影響較小，當(dāng)其完全替代粉煤灰時(shí)3 d強(qiáng)度僅下降1.6 MPa。

圖4 焚燒灰混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度

各組劈裂強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見圖5，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知對(duì)照組粉煤灰混凝土3、7、28 d劈裂強(qiáng)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(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。當(dāng)焚燒灰摻量為膠凝材料10%（F1組）時(shí)，混凝土在不同齡期劈裂強(qiáng)度均略低于對(duì)照組強(qiáng)度，28 d齡期時(shí)降低約9%。當(dāng)焚燒灰摻量達(dá)到膠凝材料30%（F3組）時(shí)，焚燒灰混凝土28 d劈裂強(qiáng)度下降至2.4 MPa，較對(duì)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(qiáng)度的長(zhǎng)期發(fā)展。由圖5可以看出，F(xiàn)1組混凝土各齡期劈裂強(qiáng)度較對(duì)照組下降不大，當(dāng)其替代量增加時(shí)對(duì)混凝土劈裂強(qiáng)度不利。

圖5 焚燒灰混凝土不同齡期劈裂強(qiáng)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(cè)試結(jié)果見圖6，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)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(shì)。當(dāng)焚燒灰摻量為膠凝材料10%（F1組）時(shí)，混凝土干燥1 d時(shí)其收縮值僅為20με。當(dāng)焚燒灰摻量達(dá)到膠凝材料20%（F2組）和30%（F3組）時(shí)，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(shí)接近對(duì)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(duì)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(cè)試結(jié)果見圖7，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)照組粉煤灰混凝土干燥28 d后的收縮值約為345με。當(dāng)焚燒灰摻量為膠凝材料的10%時(shí)，混凝土干燥28 d時(shí)其收縮值為352με。隨著焚燒灰摻入量的進(jìn)一步增加，焚燒灰混凝土的干燥收縮呈明顯下降趨勢(shì)。當(dāng)焚燒灰摻量達(dá)到膠凝材料的20%（F2組）和30%（F3組）時(shí)，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(shí)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(cè)試結(jié)果可知，污泥焚燒灰的存在會(huì)導(dǎo)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?cè)酱?。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。化學(xué)反應(yīng)式如下：

生成的石膏顆粒較細(xì)，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(dǎo)致試件早齡期的體積膨脹［10］。化學(xué)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(cè)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(xì)張力會(huì)隨著內(nèi)部相對(duì)濕度的降低而增加，導(dǎo)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(qiáng)度出現(xiàn)不同程度的下降；10%焚燒灰摻量對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)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。