搅拌站新、老污泥粉对混凝土物理性能的影响

张 敏

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300450)

混凝土在生产过程中往往会产生一定量的固体废弃物，主要来源于搅拌车和实验室残留的残渣以及清洁活动后产生的复杂混合物。这些固体废弃物经简单砂石分离后，剩下的主要为搅拌站污泥。有资料表明，1个年产量约10万m3的混凝土搅拌站，每年同步产生的污泥约为1 000 t[1]。部分混凝土搅拌站将污泥随意倾倒和堆放，不仅占用了大量耕地，同时还会引起环境污染。

有研究表明[2]，混凝土搅拌站污泥的主要成分为水泥水化物和矿物掺合料二次反应后的产物，以及残存的化学外加剂、水泥和矿物掺合料等混合物。其具有一定活性，活性大小取决于污泥的生产和堆放时间以及产生污泥的废渣源，将其粉磨后，可以制成矿物掺合料。张广勇等[3]发现，搅拌站污泥可用于制备中低等级的混凝土，其掺量不宜高于12%。陈军亮等[4]发现搅拌站新、老泥浆水的活性有所不同，并研究了不同浓度的废弃泥浆对混凝土工作性能和力学性能的影响规律，提出了合理利用搅拌站废弃泥浆水的建议。但波等[5]研究发现，搅拌站污泥作为矿物掺合料时，不能取代水泥，但可取代部分粉煤灰，产生良好的填充作用。邓斌等[6]发现，搅拌站污泥取代粉煤灰的比例不超过30%时对混凝土抗压强度、抗渗性和碳化性能不会产生不利影响。张岩岩[7]证明了采用10%搅拌站污泥制备水泥胶砂具有可行性。

由此可知，将搅拌站污泥粉用作矿物掺和料制备水泥基材料具备可行性，但其对混凝土性能影响的研究很少，特别是收缩特性。当前的研究和应用忽视了新、老污泥粉的性能差异，其对混凝土性能的影响未能考虑，阻碍了污泥粉在使用量较大的中等强度等级的混凝土中的应用。为此，本文研究了新、老污泥粉对不同龄期混凝土抗压强度和干燥收缩的影响，同时探讨了影响机理，为进一步在混凝土中使用搅拌站污泥粉提供技术支持。

1 试验原材料、配合比和方法

1.1 原材料

水泥为小野田水泥有限公司生产的P·O42.5级水泥，比表面积约为351.5 m2/kg；污泥粉为浙江省某混凝土搅拌站日常生产混凝土时产生的废渣，经砂石分离后得到泥浆，再经干燥粉磨而得到粉体。从生产到堆放时间在1 d内的新鲜泥浆得到的污泥粉为新污泥粉；而从生产到堆放时间超过7 d的泥浆得到的污泥粉为老污泥粉。新、老污泥粉的比表面积相近，分别为420 m2/kg和432 m2/kg，28 d的活性指数分别为82.5%和63.2%。水泥和污泥粉的化学成分见表1。由表1可知，新、老污泥粉化学成分相近，主要为Al2O3，CaO，Fe2O3和SiO2，烧失量都高于水泥。

表1 水泥和污泥粉的化学成分 %

1.2 配合比

为研究搅拌站新、老污泥粉对混凝土抗压强度和干燥收缩的影响，设计了不掺污泥粉的基准混凝土、掺加新污泥粉的混凝土和掺加老污泥粉的混凝土3个系列。新、老污泥粉等质量取代水泥掺量，分别为10%，15%和20%，所有混凝土水胶比为0.42，砂率为41%，通过调整减水剂用量，使混凝土和易性满足泵送要求。搅拌站污泥粉混凝土配合比见表2。

表2 搅拌站污泥粉混凝土配合比 kg/m3

1.3 方法

抗压强度参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)；干燥收缩参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)；采用扫描电子显微镜测试微观形貌。

2 试验结果和分析

2.1 抗压强度

不同掺量新、老污泥粉下不同龄期混凝土抗压强度见表3。由表3可知，相比于不掺搅拌站污泥粉的基准混凝土，掺加10%新污泥粉，混凝土抗压强度增强；污泥粉掺量增加到15%，混凝土抗压强度降低，但与基准混凝土强度相近；继续增加污泥粉掺量到20%，混凝土抗压强度进一步降低，相比于基准混凝土，60 d抗压强度降低了17%。掺加老污泥粉降低了混凝土抗压强度，且随着其掺量增加，混凝土抗压强度降低幅度不断增加。相比于60 d基准混凝土，掺加10%，15%和20%老污泥粉混凝土抗压强度分别降低了11.6%，21.3%和29.5%。

表3 不同掺量新、老污泥粉下不同龄期混凝土抗压强度 MPa

2.2 干燥收缩

不同掺量新、老污泥粉对不同龄期混凝土干燥收缩的影响如图1所示。由图1可知，污泥粉混凝土的干燥收缩在早期发展较快，90 d后趋于稳定。图1(a)表明，相比于不掺搅拌站污泥粉的基准混凝土，掺加10%新污泥粉降低了混凝土干燥收缩；继续增加新污泥粉掺量时，混凝土的干燥收缩增大，掺加15%和20%新污泥粉混凝土的150 d干燥收缩分别增加5%和10%。由图1(b)可知，掺加老污泥粉增加了混凝土干燥收缩，且随着掺量增加，混凝土的干燥收缩增大。相比基准混凝土，掺加10%，15%和20%老污泥粉混凝土150 d干燥收缩分别增加7%，19%和24%。

(a) 新污泥粉

2.3 微观形貌

为揭示搅拌站污泥粉对混凝土性能的影响机理，测试了污泥粉混凝土28 d微观形貌，搅拌站污泥粉混凝土的SEM图如图2所示。

(a) C-0 (b) C-10-N

由图2可知，不掺搅拌站污泥粉的混凝土内部结构较为致密，水化产物较为丰富，互相搭接密实。掺加10%新污泥粉的混凝土水化产物互相衔接，内部结构也较为密实，同时可见新污泥粉中未水化的球状光滑粉煤灰颗粒，对应着较高的强度和较低的收缩。掺加10%老污泥粉的混凝土中可见较大的孔隙，部分裂缝搭接，结构较为疏松，劣化了混凝土性能。掺加20%老污泥粉的混凝土孔隙和裂缝较多，且尺寸较大，部分搭接形成贯穿通道，把内部结构分割为若干块，对应着最低的强度和最大的收缩。

3 结论

1)掺加10%搅拌站新污泥粉增加了混凝土抗压强度，降低了干燥收缩；继续增加新污泥粉掺量，混凝土抗压强度降低，干燥收缩增加。而掺加15%新污泥粉混凝土性能与基准混凝土相近。

2)掺加搅拌站老污泥粉降低了混凝土抗压强度，增加了干燥收缩，且随着掺量增加，劣化程度不断加剧。