掺污泥蒸压混凝土砌块抗冻融性试验研究

毕晓茜，常鸿飞，张志军，吕芳礼

（徐州工程学院 土木工程学院，江苏 徐州 221000）

蒸压加气混凝土砌块在工程实践中应用广泛，用量大。且随着墙体改造的不断推进，对其性能的研究也不断深入[1]。针对资源化利用污泥制备加气混凝土砌块的生产工艺和方法，在实验室对其抗冻融性能进行了分析研究。旨在为提高砌块耐久性，扩大砌块的利用范围和途径，高效利用剩余污泥，变垃圾为原料提供有力的实践支持[2]。

1 试验

1.1 试验材料

（1）污泥：取自徐州市某污水处理厂污泥脱水车间，该厂日废水处理量8万t，处理工艺为A20工艺，处理程度为二级，日产污泥量46 t，含水率65%。

（2）粉煤灰：Ⅲ级，细度（45 μm 方孔筛筛余）小于30%，烧失量小于10%，需水量小于110%，三氧化硫含量小于2%，徐州柳新镇某电厂。

（3）水泥：P·O42.5R，诚意水泥厂，性能符合 GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的要求。

（4）石灰：徐州某石灰制品公司生产，CaO含量大于75%。（5）石膏：徐州某石灰制品公司生产，含水率18%。

（6）外加剂：主要为茶皂素稳泡剂、烷基磺酸钠引气剂、水溶性树脂磺酸钠减水剂[3-4]。

1.2 主要试验仪器设备

KDS60型冷冻箱，该冻融试验箱采取空气中降温冻结，最低工作温度为-50℃；TYE-300C型压力试验机，最大试验载荷300 kN，精度±1%，活塞行程120 mm，加荷速率0.3～9.0 kN/s，压力板直径150 mm，压力板间距275 mm；恒温水槽：水温（20±5）℃；电热鼓风干燥箱：最高温度200℃；电子磅秤，量程2000 g，感量1 g。

1.3 试验配比

研究了主要原料配比对蒸压混凝土砌块性能的影响，寻求合理的原材料及配比，每组试样制备10个试件，其中5个用于冻融试验，5个用于非冻融试验，以5个试样的算术平均值为测试结果。试验配比见表1。

表1 掺污泥蒸压混凝土试件的质量配比

1.4 试件制作

按表2设计的配比将称量好的原材料按粉煤灰、脱硫石膏、污泥、生石灰、水泥的投料顺序投入浇注搅拌机搅拌[5]。搅拌时，根据工艺要求必要时向搅拌机内通入一定量蒸汽，使搅拌机内料浆温度达到45℃左右。

将混合均匀的料浆浇注入模具制备，成型后低温养护30 min制成半成品，养护温度（45±5）℃，相对湿度90%以上。而后切割成100 mm×100 mm×100 mm的标准试块而后放入蒸压釜中进行养护，在1.1 MPa下升温2 h、恒温恒压时间6 h、降温2 h后出釜。然后进行抗压强度和抗冻融性能测试。

1.5 冻融试验方法

依据GB/T 11969—2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》，将成型的试样在电热鼓风干燥箱内，在55～65℃下保温24 h，然后在75～85℃下保温24 h，再在105～110℃下烘干至质量恒定。试样冷却至室温后，立即称取质量，然后浸在常温水槽中，槽内温度保持在15～25℃，水面高出试样30 mm，并保持48h。取出试样，用湿布拭去表面水分，以大于20mm的间距大面侧向立放于预先降温至-15℃以下的冷冻箱中。当箱内温度再次降到-18℃时开始计时，在-18～-22℃下冰冻6 h，然后取出在15～25℃下融化5 h。如此为1次冻融。经15次冻融循环后检查试样的表观情况，测试试样的强度和质量损失率。

2 结果与讨论

2.1 冻融循环对蒸压混凝土试件外观质量的影响

对不同配比蒸压混凝土试件经15次（下同）冻融循环前后的外观质量进行了观察，结果见表2。

由表2可知，冻融对砌块的外观质量有较明显影响，当污泥掺量小于5%时，冻融后几乎未出现分层、掉皮、缺棱角现象。

表2 砌块冻融前后蒸压混凝土试件外观质量对比

2.2 冻融循环对蒸压混凝土强度和质量的影响

对冻融前后蒸压混凝土试件的抗压强度和质量进行测试，计算强度损失率和质量损失率。抗压强度测试首先计算试样的受压面，后将试样放在材料试验机的下压板中心位置，试样的受压面应垂直于制品的发气方向，以（2.0±0.5）kN/s速度连续且均匀的加载，直至试样破坏，记录破坏荷载后计算抗压强度。试验结果见表3。

表3 冻融循环后蒸压混凝土的强度和质量损失率

对表3的试验结果进行分析可知：（1）在一定范围内，污泥掺量对蒸压混凝土试件的抗冻融性能没有明显影响，在污泥掺量小于5%时，冻融后抗压强度损失不大。（2）粉煤灰对抗冻性的较明显，基本随着粉煤灰掺量的降低，砌块的抗冻稳定性表现越来越差，表明较高掺量的粉煤灰可以有效提升蒸压混凝土试件的抗冻性能。（3）污泥掺量超过一定量后，冻融后蒸压混凝土试件的抗压强度相较于非冻融蒸压混凝土试件，抗压强度的变化更加不规则。可以推测，随着污泥掺量的增加，砌块内部的孔洞更加不均匀，稳定性变差，导致抵抗冻融作用的能力降低。（4）蒸压混凝土试件的最佳配比为5＃，即污泥掺量2.5%，粉煤灰67.5%，生石灰20%，水泥7.5%，石膏2.5%。

2.3 冻融前后试样的微观分析

以5＃试样为例，其冻融前后的SEM照片分别见图1、图2。

图1 冻融前蒸压混凝土试件的SEM照片

图2 冻融后蒸压混凝土试件的SEM照片

由图1可见，冻融前C—S—H凝胶出现在晶核的周围，并由晶核表面伸展到砌块固相间的空隙，相互交联，形成复杂的网状结构。蒸压过程开始后，随着温度的升高，水化硅酸钙的结晶程度不断提高，形成另一种片状晶态的水化产物托勃莫来石。活性SiO2的继续产生，以及恒温时间的延长，其与水化铝酸钙相互作用，生成水化石榴石。近一步延长时间还可能生成其他结晶的水化硅酸钙。与此同时，水化铝酸三钙和石膏发生进一步反应生成针棒状的钙矾石晶体[6]。

冻融后的砌块，如不掺入污泥，蒸压加气混凝土虽然孔隙率较高，但这些孔之间联系极少，一般通过孔径很小的毛细孔相连，或者完全独立存在。当冰冻所产生的冻胀力大于材料孔壁的承载极限时，就会使材料产生破坏，对蒸压加气混凝土来说这种破坏很难发展，因为独立的孔结构促使破坏停留在试件表面，无法深入。因此强度和质量的损失相对较小。掺入污泥后影响了部分人工发气孔的形成（见图2），使其强度相对降低较为剧烈。但是有一定的临界点，即只有掺量超过一定的临界才会从实质上影响气孔的生成。

3 结语

（1）掺污泥蒸压混凝土砌块的最佳配比：污泥掺量2.5%，粉煤灰67.5%，生石灰20%，水泥7.5%，其抗冻融性能符合GB 13544—2011的要求。

（2）直接利用污泥生产蒸压加气混凝土砌块，减少了对污泥处理中间环节的人力物力的浪费。将垃圾变废为宝，对污泥市场化制作建材具有重要的实践意义。

[1] 林子增，孙克勤．城市污泥为部分原料制作烧结普通砖[J].硅酸盐学报，2010，38（10）：63-68．

[2] 李淑展，施周，谢敏.污水厂污泥制作地砖及性能[J]．给水排水，2015，38（10）：76-78．

[3] 胡明玉，彭金生，丁成平.利用城市污泥和电厂灰渣制备生态透水烧结砖的研究[J]．新型建筑材料，2010，37（2）：41-57．

[4] 侯保林，任伯帜，陈文文.城市污水厂污泥制作蒸压加气混凝土砌块的试验研究[J]．南华大学学报（自然科学版），2012，26（1）：99-103．

[5]彭军芝.蒸压加气混凝土孔结构及其对性能的影响研究进展[J].新型建筑材料，2013，27（8）：103-118.

[6] 王崇英，焦惠毅，蔡雪军.改性材料和蒸压制度对冶金渣蒸压加气混凝土砌块性能的影响[J].新型建筑材料，2012（2）：53-59.