污泥灰掺量和泡沫用量对泡沫混凝土性能的影响研究

陈艳，陈卫，王钦华，熊光晶

（1.汕头职业技术学院，广东汕头 515000；2.汕头大学工学院，广东汕头 515000；3.广东翰科钢结构工程咨询有限公司，广东汕头 515000）

污泥灰掺量和泡沫用量对泡沫混凝土性能的影响研究

陈艳1，2，陈卫3，王钦华2，熊光晶2

（1.汕头职业技术学院，广东汕头 515000；2.汕头大学工学院，广东汕头 515000；3.广东翰科钢结构工程咨询有限公司，广东汕头 515000）

选用普通硅酸盐水泥、污泥灰（SSA）、Mighty-150减水剂、表面活性发泡剂等材料，在低水胶比（0.35）条件下，采用混合料固定体积法进行泡沫混凝土配合比设计，研究探讨了大掺量污泥灰（0～65%）和泡沫用量对污泥灰-水泥泡沫混凝土干密度、28 d抗压强度、吸水率、导热系数以及孔隙结构等性能的影响。结果表明：污泥灰-水泥泡沫混凝土的干密度主要取决于泡沫用量而非污泥灰取代率；污泥灰取代率高达50%时，泡沫混凝土的28 d抗压强度虽降低，但仍符合JC/T 1062—2007规定的相应密度等级的抗压强度要求，且此时泡沫混凝土的导热系数和吸水率不会显著增大。因此，大掺量污泥灰-水泥泡沫混凝土是一种潜在的良好的保温材料。

泡沫混凝土；污泥灰；抗压强度；导热系数；吸水率

0 前言

随着高层和超高层建筑的不断发展，既减轻墙体自重又要满足建筑节能和环保的建筑材料成为人们关注的焦点。目前，我国建筑外墙普遍采用聚苯乙烯泡沫（EPS、XPS）、聚氨酯硬泡（PU）等有机保温材料实现保温节能效果，然而这些保温材料由于防火性差，存在着巨大的安全隐患。泡沫混凝土是将发泡剂产生的泡沫引入水泥基材料中，经成型及养护形成含大量封闭气孔的轻质混凝土。泡沫混凝土同有机保温材料相比，具有绿色环保、耐火性好、耐久性好、成本低、来源广等优势。同其它无机保温材料相比，又具有流动性高、集料消耗少、质量轻，以及保温隔热、隔声、抗震等优异性能，是当今重点发展的节能环保型材料。

城市污泥是污水处理的产物，未经恰当处理的污泥进入环境后，直接给水体和大气带来二次污染。城市污泥的最佳出路是无害化处理、资源化利用、产业化发展[1]。Tay J H[2]研究了经分解后的污泥（SS）取代率为0～20%对混凝土性能的影响；Monzo J等[3]固定污泥灰（SSA）掺量为15%，主要研究了污泥灰颗粒大小对混凝土性能的影响；Wang K S等[4]研究了污泥灰（SSA）的特性，重点分析了污泥灰对泡沫混凝土轻质性能及孔结构的影响；孙家瑛等[5]研究了管沟污泥掺量0～40%对混凝土物理性能的影响，试验表明，掺加一定量的管沟污泥可以配制出强度为40 MPa以上的混凝土。本文选用水泥、污泥灰、Mighty-150减水剂、表面活性发泡剂等材料，在低水胶比（0.35）条件下，采用混合料固定体积法进行泡沫混凝土配合比设计，研究探讨了泡沫用量（见体积）和大掺量污泥灰（用污泥灰等质量取代水泥，取代率高达65%）对泡沫混凝土干密度、抗压强度、吸水率、导热系数以及孔隙结构等性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥：广东塔牌42.5级普通硅酸盐水泥，密度3.05 g/ cm3。

（2）污泥灰（SSA）：汕头市污水处理厂污泥，在焚烧炉中以1060°C焚烧3 h，然后通过分解机分解2 h得到，密度2.92 g/cm3。水泥、污泥灰的化学成分见表1。

表1 水泥、污泥灰的化学成分%

（3）发泡剂：雷邦士表面活性发泡剂。

（4）减水剂：上海某公司购买的Mighty-150减水剂。

1.2 泡沫混凝土试块配合比设计及制备

（1）配合比设计：本试验原材料采用混合料固定体积法进行配合比设计。各原材料的用量见表2。

（2）试块制备：首先，使用高速搅拌机将设定比例的泡沫剂水溶液制成泡沫，搅拌时间5 min。按设定的配合比，先将水泥、污泥灰均匀搅拌2 min，再加入水搅拌均匀3 min。然后加入泡沫进行搅拌3 min，制成均匀流态料浆，浇注成所需的试块。试块在（23±5）℃，相对湿度大于90%的条件下表面覆盖塑料膜养护2 d后脱模，放置1 d后，先在（23±5）℃，相对湿度大于90%的养护室内养护至14 d，再放入装满自来水的水池中养护至28 d龄期。

表2 污泥灰-水泥泡沫混凝土配合比

1.3 性能测试方法

绝干密度、抗压强度试件尺寸为150mm×150mm×150 mm，导热系数试件尺寸为300 mm×300 mm×30 mm，均参照JC/T 1062—2007《泡沫混凝土砌块》进行测试。吸水率试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，参照JGJ 51—2002《轻骨料混凝土技术规程》进行测试。实际气孔率和孔隙率按式（1）、式（2）计算。

式中：φ——实际气孔率，%；

ρFC——泡沫混凝土的干密度，kg/m3；

ρcp——泡沫用量为0时混凝土的干密度，kg/m3；

p——孔隙率，%；

ρcp——泡沫用量为0时混凝土的孔隙率，%。

2 试验结果与分析

2.1 干密度

图1是不同污泥灰取代率的泡沫混凝土干密度随泡沫用量的变化。

图1 泡沫混凝土干密度与污泥灰取代率、泡沫用量的关系

由图1可知，随着泡沫用量的增大，不同污泥灰取代率的泡沫混凝土的干密度均减小。污泥灰呈轻质、松散的球状颗粒，内部存在气孔，从而吸水率大[6]，是水泥浆体在掺加污泥灰后密度减小的主要原因。同时，随着泡沫用量的增加，混凝土搅拌时泡沫直接受搅拌叶片挤压的比例增加，破损率增大，因此，泡沫混凝土的干密度并不完全随泡沫用量的增加而线性地减小[7]。从图1还可以看出，对于同一泡沫用量，不同污泥灰取代率的泡沫混凝土干密度相差并不大，但对于同一污泥灰取代率，随泡沫用量的增大其干密度减小速率较快，由此可知，影响泡沫混凝土干密度的主要因素是泡沫用量。

2.2 抗压强度

图2是不同污泥灰取代率的泡沫混凝土28 d抗压强度随泡沫用量的变化。

图2 泡沫混凝土28 d抗压强度与污泥灰取代率、泡沫用量的关系

由图2可知，随污泥灰对水泥取代率的增加，泡沫混凝土的抗压强度呈先微弱提高后降低的趋势，并且随着泡沫用量的增加，这种趋势明显减弱。污泥灰具有活性效应[7]是其取代率≤20%时泡沫混凝土抗压强度有微弱提高的主要原因。而当污泥灰取代率为50%时，试块28 d抗压强度较污泥灰取代率为0时有较大幅度的降低，但其最小值为3.92 MPa（泡沫用量为60%时），仍符合JC/T 1062—2007中A3.5强度等级要求。污泥灰取代率达到65%时，试块28 d抗压强度较污泥灰取代率为50%时进一步降低，其中泡沫用量为40%的试块抗压强度降低最为明显，从13.5 MPa降低到8.9 MPa，强度降低率为34.07%；且泡沫用量为60%时，试块28 d抗压强度最小值为3.07 MPa，已不符合JC/T 1062—2007中A3.5强度等级要求。

图3为泡沫用量为40%的污泥灰泡沫混凝土断面放大10倍的气孔分布。

图3 污泥灰-水泥泡沫混凝土断面照片

由图3可知，污泥灰取代率为35%的试块中气泡分布相对小且均匀，而污泥灰取代率为50%和65%时，泡沫混凝土中气孔孔径明显增大，且分布不均匀，由此可以说明，大掺量污泥灰对泡沫混凝土的孔结构和粘结界面产生不利影响，从而引起泡沫混凝土抗压强度的降低。另外，污泥灰具有一定的含泥量，也是导致大掺量污泥灰-水泥泡沫混凝土28 d抗压强度降低的一个原因。

图4为泡沫混凝土的抗压强度fFC与未加发泡剂的硬化水泥浆体基体的抗压强度fcp的比值fFC/fcp与孔隙率p的关系。

图4 抗压强度比fFC/fcp随孔隙率p的变化

由图4可知，在本试验研究的泡沫用量（或孔隙率）范围内，不同污泥灰取代率的泡沫混凝土强度比与孔隙率均呈指数关系，符合E.Ryshkewitch的指数函数强度模型[8]，并且均具有良好的相关性。

2.3 吸水率

图5是不同污泥灰对水泥取代率的泡沫混凝土吸水率随泡沫用量的变化。

图5 泡沫混凝土吸水率与污泥灰取代率、泡沫用量的关系

由图5可以看出，对于同一泡沫用量，污泥灰取代率≤35%时，泡沫混凝土的吸水率较污泥灰取代率为0时有较大幅度下降；污泥灰取代率为50%时，泡沫混凝土的吸水率略有增大；而当污泥灰取代率为65%时，泡沫混凝土的吸水率较取代率为0的增大了12.7%（泡沫用量为20%时）。这可能是因为污泥灰较水泥密度低，所以添加污泥灰对泡沫混凝土吸水率的正面影响主要是降低了水灰比，减少了毛细孔隙的总体积；负面影响则是污泥灰的水化反应十分缓慢，在同样的龄期内与纯水泥相比，新生成的水化颗粒较少。随着污泥灰取代率的增大，负面作用逐渐大于正面作用，从而导致吸水率增大。

从图5还可以看出，不同污泥灰取代率的泡沫混凝土吸水率均随泡沫用量的增大而减小。这是由于泡沫混凝土的吸水性与水泥基体硬化初期形成的相互连通的毛细孔隙有关[9]。随着泡沫用量的增大，泡沫混凝土中实际气孔率和孔隙率均增大（见图6），但孔隙率增大的速率小于实际气孔率增大的速率，即水泥基体中的毛细孔隙数量随着泡沫用量的增大而减小，从而导致吸水率降低。

图6 泡沫混凝土孔隙率、实际气孔率与污泥灰取代率、泡沫用量的关系

2.4 保温性能

图7是不同污泥灰取代率的泡沫混凝土导热系数随泡沫用量的变化。

图7 泡沫混凝土导热系数、孔隙率与污泥灰取代率、泡沫用量的关系

由图7可知，各组泡沫混凝土的导热系数均在1.01 W/（m·K）以下（泡沫用量为0，密度等级大于1900 kg/m3时），最小能达到0.0826 W/（m·K），符合JC/T 1062—2007规定的密度等级为B07的泡沫混凝土导热系数≤0.18 W/（m·K）要求，说明污泥-水泥泡沫混凝土具有良好的保温隔热性能。随泡沫用量的增加，不同污泥灰取代率的泡沫混凝土孔隙率增大，导热系数减小。即导热系数随着孔隙率的增大而减小，且导热系数与孔隙率呈指数关系（见图8）。同时，污泥灰取代率不超过50%时对泡沫混凝土导热系数的影响并不大，而当污泥灰取代率达到65%时，其导热系数较污泥灰取代率达到50%时最大提高了26.05%（泡沫用量为50%时）。

图8 泡沫混凝土导热系数与污泥灰取代率、孔隙率的关系

泡沫混凝土是孔隙与水泥基体两相复合材料，热量在泡沫混凝土内的热传导包括4种机理，即气体导热传递、气体对流传递、包围气体的固体表面之间的辐射换热以及在固相的导热传递。泡沫混凝土的气相是降低导热系数的主导因素。所以本试验中，不同污泥取代率泡沫混凝土的导热系数都随孔隙率的增大而降低。但泡沫混凝土的导热系数不仅孔隙率的高低有关，而且还与气孔的形态与大小有密切的关系。由图3可知，污泥灰取代率为50%和65%时较污泥灰取代率为35%时气孔尺寸大，且分布不规则。气孔尺寸的变大最明显的表现是导致材料内部在一定体积内气孔壁数量的减少，即减少了固体反射面，增加了空气对流幅度，从而使辐射传热的效率增大；且气孔分布不规则可能会产生一些连通孔，从而增大混凝土内的热传导导致导热系数增大。

3 结论

（1）污泥灰呈轻质、松散的球状颗粒，内部存在气孔，从而吸水率大，是水泥浆体在掺加污泥灰后密度减小的主要原因。泡沫混凝土的密度很大程度上取决于泡沫用量，污泥灰取代率对其影响并不大。

（2）污泥灰取代率会影响泡沫混凝土的28 d抗压强度，且影响程度随泡沫用量的增大而减小。污泥灰具有活性效应，所以其取代率≤20%时混凝土的抗压强度有微弱提高。污泥灰取代率≤35%时对泡沫混凝土的28 d抗压强度影响不大。污泥灰取代率为50%会降低泡沫混凝土28 d抗压强度，但最小强度3.92MPa（泡沫用量为60%时）仍符合JC/T 1062—2007中A3.5强度等级要求。同时，水泥-污泥灰泡沫混凝土的28 d抗压强度与孔隙率满足E.Ryshkewitch的指数函数强度模型，并且均具有良好的相关性。

（3）污泥灰取代率≤50%时对泡沫混凝土的吸水率、导热系数影响并不大，但污泥灰取代率达到65%时会明显增大泡沫混凝土的吸水率、导热系数。同时，不同污泥灰取代率的水泥-污泥灰泡沫混凝土的导热系数随孔隙率的增大呈指数减小。

[1]孙家瑛，乔燕，郑德康.掺管沟污泥水泥混凝土的性能研究[J].建筑材料学报，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]孙家瑛，乔燕，郑德康.掺管沟污泥水泥混凝土的物理力学性能研究[J].混凝土与水泥制品，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，王锐，庞二波，等.水泥-粉煤灰泡沫混凝土抗压强度与气孔结构的关系[J].硅酸盐学报，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

国家自然科学基金项目（51208291）

2016-01-31

陈艳，女，1986年生，湖南永州人，博士，主要从事泡沫混凝土研究。