燒結(jié)底泥-水泥混凝土性能提升機(jī)制研究

摘要：

為促進(jìn)生態(tài)環(huán)境和建材行業(yè)的協(xié)同發(fā)展，創(chuàng)新性地提出了一種采用硫酸鈣和氯化鈣協(xié)同水泥固化燒結(jié)底泥的綠色混凝土，并系統(tǒng)探究了硫酸鈣和氯化鈣對(duì)燒結(jié)底泥-水泥混凝土宏觀性能、微觀結(jié)構(gòu)以及經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益的綜合影響。結(jié)果表明：氯化鈣和硫酸鈣的摻加均顯著提升了混凝土的力學(xué)性能，特別是在二者復(fù)摻下，抗壓、抗折和劈裂強(qiáng)度分別提升了46.96%，34.38%和48.46%?？箖鲂阅芊矫?，二者復(fù)摻有效降低了混凝土在凍融循環(huán)過程中質(zhì)量和相對(duì)動(dòng)彈性模量的損失，降低程度最高分別可達(dá)62.63%和93.32%，使得最大凍融循環(huán)經(jīng)受次數(shù)增加25組。硫酸鈣和氯化鈣的協(xié)同工作會(huì)促進(jìn)燒結(jié)底泥-水泥漿體的微觀結(jié)構(gòu)由疏松多孔轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅芏逊e，這是鈣礬石膨脹和Friedel′s鹽填充孔隙結(jié)構(gòu)共同導(dǎo)致的結(jié)果。另外，上述混凝土提高單位強(qiáng)度所需成本和碳排放分別降低了20.86%和21.81%，是一種有前景的綠色高性能建材。

關(guān)" 鍵" 詞：

燒結(jié)底泥； 硫酸鈣； 氯化鈣； 混凝土； 力學(xué)性能； 抗凍性能； 碳排放

中圖法分類號(hào)： TU528.45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.01.026

收稿日期：2024-03-04；接受日期：2024-05-20

基金項(xiàng)目：

國(guó)家自然科學(xué)基金-山東聯(lián)合基金項(xiàng)目（U2006223）

作者簡(jiǎn)介：

吳文鑫，男，高級(jí)工程師，主要從事水務(wù)工程設(shè)計(jì)與檢測(cè)工作。E-mail：69142485@qq.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號(hào)：1001-4179（2025） 01-0193-05

引用本文：

吳文鑫，呂通.燒結(jié)底泥-水泥混凝土性能提升機(jī)制研究

［J］.人民長(zhǎng)江，2025，56（1）：193-197.

0" 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2021年中國(guó)水庫數(shù)量98 112座，總庫容量為8 983億m3。水庫在日常使用的過程中會(huì)產(chǎn)生并堆積大量底泥，嚴(yán)重影響湖庫生態(tài)系統(tǒng)［1］。傳統(tǒng)的底泥處理手段對(duì)于環(huán)境的污染程度較高，大多數(shù)為直接傾倒、掩埋或者用于農(nóng)業(yè)的堆肥，污染環(huán)境的同時(shí)還會(huì)侵占大量土地資源，并且不符合可持續(xù)發(fā)展的要求［2］。底泥的工程材料化研究是近年來固廢利用的主要突破口。通過將高溫焚燒過的底泥加入混凝土中，一方面可以為水庫底泥提供一種新型的處理手段，另一方面，可以降低水泥使用量，響應(yīng)國(guó)家“雙碳”目標(biāo)。

研究發(fā)現(xiàn)，少量的燒結(jié)底泥可以促進(jìn)水泥水化產(chǎn)物沉淀的成核點(diǎn)位形成，加速水化反應(yīng)。然而，由于其火山灰活性較低，隨著用量增加，水化產(chǎn)物生成速率也隨之下降，內(nèi)部結(jié)構(gòu)成型緩慢，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土的各項(xiàng)性能下降［3-5］。添加無機(jī)鹽是提升摻雜礦物摻合料水泥混凝土性能的一種較為經(jīng)濟(jì)且高效的方法，其中硫酸鹽和氯鹽較為常見。Poon等［6］向粉煤灰水泥中摻入硫酸鈣及石膏，探究了其對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)表明硫酸鈣水化早期生成了大量的鈣礬石（AFt），大幅提升了混凝土的早期強(qiáng)度，在3 d齡期時(shí)強(qiáng)度已經(jīng)增加了70%，但后期強(qiáng)度提高弱于石膏。王復(fù)生等［7］向粉煤灰硅酸鹽混合水泥中摻加不同濃度的氯化鈉，試驗(yàn)表明氯離子會(huì)與礦物摻合料粉生成Friedel′s鹽，進(jìn)而影響其早期強(qiáng)度。氯化鈉摻量在1%以下時(shí)水泥早期強(qiáng)度顯著提升，過多摻入會(huì)導(dǎo)致其強(qiáng)度下降。當(dāng)前對(duì)于燒結(jié)底泥-水泥混凝土關(guān)于單一或多種無機(jī)鹽摻加前后性能變化的探究仍較少，且缺乏無機(jī)鹽改性對(duì)混凝土耐久性能的考察。

為此，本文系統(tǒng)探究氯化鈣和硫酸鈣對(duì)燒結(jié)底泥-水泥混凝土抗壓、抗折、劈裂強(qiáng)度以及抗凍性能的影響規(guī)律。同時(shí)，借助差示掃描量熱分析（DSC）和掃描電子顯微鏡（SEM），從水化產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)的角度揭示氯化鈣和硫酸鈣對(duì)燒結(jié)底泥-水泥混凝土的性能提升機(jī)理。

1" 材料與方法

1.1" 原材料

試驗(yàn)所用原材料包括燒結(jié)底泥、P·I 42.5硅酸鹽水泥、氯化鈣、硫酸鈣、粗細(xì)骨料和自來水。燒結(jié)底泥為水庫底泥依次經(jīng)過105 ℃干燥、物理球磨、800℃煅燒和二次物理球磨后制得，采挖于河北省邯鄲市磁縣岳城水庫。所用氯化鈣和硫酸鈣均為分析提純所得。燒結(jié)底泥及水泥的化學(xué)成分見表1。

1.2" 配合比設(shè)計(jì)

按照水泥替代率為30%摻入燒結(jié)底泥，統(tǒng)一水灰比為0.42、膠骨比為0.29，進(jìn)行混凝土試件的制作，具體配合比詳見表2。

1.3" 試驗(yàn)方法

根據(jù)上述配合比進(jìn)行試驗(yàn)材料的稱量，通過微電腦控制攪拌機(jī)拌制混凝土。在拌制過程中，首先將水泥、燒結(jié)底泥和砂進(jìn)行均勻混合，然后加入適量的水進(jìn)行拌合，確保各成分充分接觸和結(jié)合。拌合均勻后，再加入石子和剩余的水進(jìn)行攪拌。完成攪拌后，將拌合料裝入模具內(nèi)，并在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振實(shí)。經(jīng)過24 h的常溫靜置后，拆模并進(jìn)行編號(hào)，然后將試件放入養(yǎng)護(hù)箱中，在（20±2）℃的溫度和95%的相對(duì)濕度條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d。

混凝土抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度測(cè)試試件的尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，混凝土抗折強(qiáng)度測(cè)試試件的尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。由于本試驗(yàn)中混凝土抗壓、劈裂抗拉和抗折強(qiáng)度試件為非標(biāo)準(zhǔn)試件，需要分別乘以換算系數(shù)0.95，0.85和0.85。

混凝土抗凍性試驗(yàn)采用規(guī)范中的快凍法，通過快速凍融循環(huán)次數(shù)來表示混凝土的抗凍性能，使用快速凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，每組3塊試件，試驗(yàn)采用的試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。

2" 結(jié)果與討論

2.1" 力學(xué)性能

經(jīng)過換算后混凝土力學(xué)性能如圖1所示，隨著化學(xué)試劑的摻加，混凝土的抗壓、抗折、劈拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。CS、CC、CCS組在7d時(shí)相對(duì)于RE的抗壓強(qiáng)度提升10.68%，26.14%，46.96%；抗折強(qiáng)度提升14.29%，26.34%，34.38%；劈拉強(qiáng)度提升16.35%，23.90%，41.51%。CS、CC、CCS組在28d時(shí)相對(duì)于RE組的抗壓強(qiáng)度提升5.62%，14.03%，30.72%；抗折強(qiáng)度提升5.83%，11.37%，19.24%；劈拉強(qiáng)度提升14.10%，26.43%，48.46%。 氯化鈣和硫酸鈣均能夠提升混凝土力學(xué)性能，從數(shù)據(jù)上來看，CCS組的強(qiáng)度提升量約為CS和CC組提升量的總和，即氯化鈣和硫酸鈣二者在不同方向上對(duì)燒結(jié)底泥-水泥混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行提升，通過復(fù)摻實(shí)現(xiàn)混凝土強(qiáng)度的協(xié)同發(fā)展。

2.2" 抗凍性能

如圖2所示，隨著凍融循壞次數(shù)的增加，混凝土試件的質(zhì)量損失逐漸升高。相較于RE組，CC、CS、CCS組經(jīng)25次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失減少程度為6.41%，8.97%，11.4%；50次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失減少程度為9.28%，42.27%，47.94%；75次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失減少程度為9.76%，41.41%，62.63%。其中CC、RE組的質(zhì)量損失隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加提升顯著，而CS、CCS組能夠有效降低凍脹應(yīng)力反復(fù)施加帶來的質(zhì)量損失。

如圖3所示，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土試件一致呈現(xiàn)出相對(duì)動(dòng)彈性模量逐漸減小的趨勢(shì)。相較于RE組，CC、CS、CCS組經(jīng)25次凍融循環(huán)后動(dòng)彈性模量損失減少程度為6.63%，13.77%，18.52%；50次凍融循環(huán)后動(dòng)彈性模量損失減少程度為19.89%，76.61%，93.82%；75次凍融循環(huán)后動(dòng)彈性模量損失減少程度為18.48%，52.54%，60.51%?？梢姡砑恿蛩徕}可以有效緩解凍融循環(huán)次數(shù)增加所帶來的相對(duì)動(dòng)彈性模量損失，這與上述質(zhì)量損失變化一致。

2.3" 水化產(chǎn)物

圖4展示了RE、CC、CS、CCS 4種配比下混凝土7 d和28 d的DSC曲線。相較于RE，加入的硫酸鈣與燒結(jié)底泥釋放的無定形氧化鋁反應(yīng)，在早期生成了額外的鈣礬石（AFt），CS、CCS組均可以觀察到明顯峰位；加入氯化鈣則會(huì)將一部分AFt轉(zhuǎn)化為Friedel′s鹽，如CC、CCS組所示。對(duì)比CCS組與CS、CC組發(fā)現(xiàn)，同時(shí)加入硫酸鈣及氯化鈣會(huì)導(dǎo)致氯離子與硫酸根離子競(jìng)爭(zhēng)與氧化鋁進(jìn)行反應(yīng)，使得AFt和Friedel′s鹽的生成比例得到重新分配［8］。

2.4" 微觀結(jié)構(gòu)

微觀結(jié)構(gòu)的演變對(duì)燒結(jié)底泥-水泥漿體力學(xué)性能的發(fā)展有顯著的影響。圖5展示了在5 000倍率下，摻有硫酸鈣和氯化鈣的燒結(jié)底泥-水泥漿體在7 d和28 d的微觀結(jié)構(gòu)形貌變化。燒結(jié)底泥的摻入使得微觀結(jié)構(gòu)變得疏松，且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，更多的孔洞和裂紋伴隨著自收縮的出現(xiàn)而出現(xiàn)，這是缺少水化產(chǎn)物導(dǎo)致無法填充孔隙的結(jié)果。隨著硫酸鈣的添加，生成的AFt大量膨脹，較好地填充了早期的孔隙結(jié)構(gòu)且微觀結(jié)構(gòu)逐漸致密。但對(duì)于后期而言，硬化漿體中會(huì)出現(xiàn)微裂紋，使得上述改善沒有得到穩(wěn)定保持，這可能與AFt膨脹過度導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)劣化有關(guān)。相較于硫酸鈣，氯化鈣的摻入對(duì)燒結(jié)底泥-水泥漿體早期的微觀形貌并沒有明顯的改善，但28 d的孔隙結(jié)構(gòu)得到了很好的填充，孔洞明顯減少，這是Friedel′s 鹽大量生成的結(jié)果［9］。隨著硫酸鈣和氯化鈣的共同摻入，燒結(jié)底泥-水泥漿體的孔隙結(jié)構(gòu)從疏松多孔轉(zhuǎn)換為緊密堆積，裂縫和孔洞等缺陷在最大程度上得到了減少，這是AFt膨脹和復(fù)鹽填充共同作用的結(jié)果，且隨著齡期的增長(zhǎng)，得到了很好的保持［10-11］。

2.5" 經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益

結(jié)合上述討論，本研究所提出的燒結(jié)底泥-水泥混凝土的多數(shù)性能幾乎和普通混凝土持平。為了突出其在環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益上的優(yōu)勢(shì)，計(jì)算了與抗壓強(qiáng)度建立聯(lián)系的材料成本與碳排放指數(shù)，如表3所列［12-16］。每t底泥在800 ℃下煅燒2 h所需電量為220 MJ，且產(chǎn)生碳排放為40 kg。結(jié)合國(guó)內(nèi)工業(yè)用電現(xiàn)狀，取電價(jià)為1.3元/度。單位強(qiáng)度（MPa）的RE、CC、CS、CCS組的價(jià)格與二氧化碳排放量如圖6所示。相較于RE組，CCS、CC、CS組在價(jià)格上分別降低了20.86%，10.86%，3.62%；在二氧化碳排放上分別降低了21.81%，10.6%，5.07%。在成本和環(huán)境方面，CC和CCS組均有效降低了經(jīng)濟(jì)成本和二氧化碳排放量。計(jì)算公式如下［17］：

Cc=Kc/fc（1）

Cp=Kp/fc（2）

式中：Cc為單位強(qiáng)度混凝土價(jià)格，元·MPa-1·m-3；Cp為單位強(qiáng)度混凝土排放二氧化碳，kg·MPa-1·m-3；fc為混凝土抗壓強(qiáng)度，MPa；Kc為每立方米混凝土的價(jià)格，元/m3；Kp為每立方米混凝土的二氧化碳排放量，kg/m3。

3" 結(jié) 論

本文系統(tǒng)研究了氯化鈣和硫酸鈣對(duì)燒結(jié)底泥-水泥混凝土基本性能的影響制度，對(duì)不同配比方式的混凝土各項(xiàng)性能進(jìn)行綜合分析，主要結(jié)論如下：

（1） 添加氯化鈣及硫酸鈣均可以提高燒結(jié)底泥-水泥混凝土的抗壓、抗折和劈裂強(qiáng)度，特別是二者復(fù)摻。

（2） 添加硫酸鈣可以顯著降低混凝土的質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈性模量損失，大幅提升混凝土的抗凍性。

（3） 根據(jù)水化產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)分析，單獨(dú)摻加硫酸鈣可以促進(jìn)AFt的生成，增加其早期強(qiáng)度；單獨(dú)摻加氯化鈣可以促進(jìn)AFt向以Friedel′s鹽為主的復(fù)鹽轉(zhuǎn)化，填充孔隙結(jié)構(gòu)。同時(shí)摻入硫酸鈣和氯化鈣會(huì)使硫酸根離子和氯離子競(jìng)爭(zhēng)與氧化鋁反應(yīng)，從而避免早期AFt膨脹過度導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化，促進(jìn)后期Friedel′s鹽生成，最終使得各種水化產(chǎn)物堆積緊密，裂縫和孔洞等缺陷在最大程度上得到了減少。

（4） 除了力學(xué)與抗凍性能提升顯著，二者復(fù)摻分別將經(jīng)濟(jì)成本和碳排放降低了20.86%和21.81%，是一種高性能的清潔材料。

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（編輯：劉 媛）

Performance improvement mechanism of sintered sludge-cement concrete

WU Wenxin1，LYU Tong2

（1.Shenzhen Water Engineering Testing Co.，Ltd.，Shenzhen 518000，China;

2.School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract：

To promote coordinated development of the ecological environment and the building materials industry，this study proposed an innovative approach to use CaSO4 and CaCl2 in synergy with cement to solidify sintered sludge，creating an environmentally friendly green concrete.The comprehensive effects of CaSO4 and CaCl2 on the macroscopic properties，microstructure，economic and environmental benefits of sintered sludge-cement concrete were systematically explored.The results showed that the addition of CaSO4 and CaCl2 significantly improves the mechanical properties of the concrete，especially when they were combined，the compressive，flexural，and splitting strengths can be increased by 46.96%，34.38% and 48.46%，respectively.In terms of frost resistance，the combined addition of both significantly reduced the loss of mass and relative dynamic modulus of elasticity during freeze-thaw cycles，with reductions of up to 62.63% and 93.32%，respectively，increasing the maximum number of freeze-thaw cycles by 25 times.The synergistic use of CaSO4 and CaCl2 transformed the microstructure of the sintered sludge-cement paste from loose and porous to dense and compact，which was the result of combination of calcium aluminate expansion and Friedel's salt filling the pore structure.Moreover，the cost and carbon emissions per unit strength provided by the mentioned concrete were reduced by 20.86% and 21.81%，respectively，making it a promising green high-performance building material.

Key words：

sintered sludge； CaSO4； CaCl2； concrete； mechanical properties； frost resistance； carbon emission