污泥焚烧灰对砂浆强度与干缩的影响及机理_郭澍来.pdf

第 20 卷 第 2 期2023 年 2 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 2February 2023污泥焚烧灰对砂浆强度与干缩的影响及机理郭澍来，董荣珍，龙广成，常智杨，谢友均，曾晓辉，马昆林(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)摘要：为促进市政污水污泥废弃物在水泥基材料中的资源化高值利用，助力水泥基材料可持续发展，选用长沙市当地典型污水污泥废弃物制备污泥焚烧灰(SSA)，通过砂浆强度及干燥收缩试验，结合X射线衍射、氮气吸附和扫描电镜测试方法，探讨不同污泥焚烧灰掺量及其与粉煤灰、矿渣粉复掺对砂浆强度与干缩性能影响规律及相应机理。试验结果表明，适量污泥焚烧灰可以较好地提高砂浆强度及强度增长速率，与水泥颗粒粒径相似的污泥焚烧灰等质量取代20%水泥，其90 d龄期的强度效应因子可达1.2；污泥焚烧灰与粉煤灰、矿渣粉可发挥良好的协同效应，有利于提高砂浆强度，污泥焚烧灰与粉煤灰、矿渣粉三掺试件各龄期强度接近同掺量粉煤灰与矿渣粉双掺试件的结果；污泥焚烧灰对砂浆试件干缩变形有较好的抑制作用。结合水泥-污泥焚烧灰样品水化产物和微观结构分析结果可知，污泥焚烧灰在砂浆中可发挥显著的火山灰效应，促进水泥水化，增加体系中单硫型水化硫铝酸钙晶体相，并减少50 nm以上的毛细孔，从而改善水泥基材料的性能及微结构。关键词：污泥焚烧灰；砂浆；强度；干缩；机理中图分类号：TU528；TU992.3 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）02-0576-11Influence and mechanism of sewage sludge incineration ash on mortar strength and drying shrinkageGUO Shulai,DONG Rongzhen,LONG Guangcheng,CHANG Zhiyang,XIE Youjun,ZENG Xiaohui,MA Kunlin(School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China)Abstract:To promote the resourceful and high-value utilization of municipal sewage sludge waste,and further cement-based materials sustainable development,the sewage sludge incineration ash(SSA)was prepared by typical sewage sludge waste from Changsha.The influences of SSA dosage and mixing SSA with fly ash and slag on mechanical strength and drying shrinkage of mortar,and corresponding mechanism were studied by macro and micro tests including X-ray diffraction,nitrogen adsorption method,and scanning electron microscopy.The test results show that SSA with appropriate dosage can improve the strength of mortar and the rate of strength growth.When 20%cement is replaced by equivalent mass of SSA with similar particle size,the strength-effect factor 收稿日期：2022-03-17基金项目：湖南省重点研发计划资助项目(2020wk2005)通信作者：龙广成(1973)，男，江西万载人，教授，博士，从事绿色低碳水泥基材料及固废资源化利用研究；Email：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220489第 2 期郭澍来，等：污泥焚烧灰对砂浆强度与干缩的影响及机理reaches 1.2 at 90 days.Moreover,SSA can play a good synergistic effect with fly ash and slag,improving the mechanical strength of mortar.The strength of the specimens with SSA,fly ash,and slag is close to that of the specimens with the same amount of fly ash and slag at all ages.SSA has an effective inhibitory effect on the drying shrinkage of the mortar.The results of the hydration products and microstructure analysis of the Cement-SSA samples show that SSA has a significant pozzolanic effect and promotes the hydration of the cement.The content of the monosulfate crystal phase increases in the system with SSA,and the capillary pores above 50nm are reduced in specimens.Those factors contribute to improving performance and refining the microstructure of cement-based materials.Key words:sewage sludge incineration ash;mortar;strength;drying shrinkage;mechanism 污水污泥(Sewage Sludge)产量持续增加带来的环境压力已然是一个全球性的问题。欧盟成员国每年生产1 300多万t的污泥干固体1，而我国干污泥年产生量为1 163万t2。因此，进行污泥合理化高效利用具有非常重要的意义。2017年水泥行业的二氧化碳排放量为2.2 Gt/a，占全球温室气体排放量的7%3，采用生活、工业废弃物制备水泥混凝土的替代组分是碳减排的有效途径之一4。污水污泥焚烧灰(SSA Sewage Sludge incineration Ash)用作水泥替代品具有较好优势，可大规模应用于道路、基础设施建设，降低经济成本和环境压力；其主要成分 SiO2和 Al2O3占比 45%80%57，焚烧后的污泥灰具有较高火山灰活性811。汤薇等12采用20%40%掺量的自来水厂污泥焚烧灰制备出的混凝土90 d抗压强度与纯水泥混凝土相近。也有文献报道污泥焚烧灰与粉煤灰复掺可以改善砂浆强度13。CHEN等14得到的污泥焚烧灰具有多孔的特性，干燥时孔内吸附的自由水散失使得砂浆干缩随着焚烧灰掺量提高略有增加。然而，当前有关污泥焚烧灰对水泥混凝土性能影响方面的研究成果尚不系统，现有文献主要是针对性的定性结果，亟待加强相关方面的研究。为此，本文在既有成果基础上，通过对比方法，深入分析污泥焚烧灰对水泥砂浆强度和干缩的影响，探索污泥焚烧灰在水泥砂浆中的物理、化学作用机理，以促进污泥焚烧灰在水泥基材料中的高效利用，助力水泥基材料低碳绿色发展。1 试验1.1原材料所用水泥为P.42.5硅酸盐水泥(PC)。污泥取自长沙市城西污水厂的脱水泥饼，将晒干的饼状污泥破碎为粉状，球磨机粉磨 1 h 后过 100 目筛(150 m)备用，再将该污泥粉置于高温电阻炉中以800 恒温 6 h 冷却制成污泥焚烧灰粉料(简称为SSA)；同时，还采用了湘潭电厂I级粉煤灰(FA)、S95 矿渣粉(GGBS)以及磨细石英粉(Quartz，简称Q)。污泥焚烧灰、粉煤灰及矿渣粉颗粒的微观形貌如图1所示。图1各粉体材料的微观形貌图Fig.1Micro-morphology of three powders577铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 2月图2为各粉体材料的粒度分布曲线，从中可以看 到 PC，SSA，FA，GGBS 和 Q 的 D50分 别 为14.34，10.54，20.10，13.13 和 17.62 m，污泥焚烧灰颗粒的D50稍小，总体上各粉体材料的粒径分布相似。图3为各材料的X射线衍射图谱，污泥焚烧灰主要的晶相矿物组成为石英和白云母(Muscovite)，白云母是原脱水污泥经高温煅烧后未分解残留的矿物。污泥焚烧灰粉体的 XRD 图中无明显Al2O3衍射峰，说明 Al2O3大多以非晶型的形态存在。表1给出了各粉体材料的XRF化学组成，污泥焚烧灰中 P2O5稍高，其余氧化物含量与粉煤灰接近。1.2配合比及试样制备为对比分析，试验设计了基准水泥组 PC，10%50%掺量的污泥焚烧灰组以及污泥焚烧灰与粉煤灰、矿渣双掺和三掺组。选用与污泥焚烧灰粒径相近的惰性石英粉以30%掺量替代水泥作为参考组。分别以0.4和0.5水灰比制作净浆和砂浆试件，其粉体材料组成配合比如表2。净浆试件按照上述配比称量好的干料加入净浆 搅 拌 机 中 慢 速 搅 拌 60 s 混 合 至 均 匀(转 速800 r/min)，加入自来水并继续搅拌 90 s后，手动用玻璃棒搅拌均匀，再以 1 500 r/min的转速搅拌图2原材料的粒度分布曲线Fig.2Cumulative particle size distributions of raw materials图3矿物掺合料的XRD图Fig.3XRD pattern of mineral admixtures表1原材料的化学成分Table 1Chemical composition of raw materials样品PCSSAFAGGBSSiO220.5851.5348.2526.1CaO63.573.087.3833.6Al2O34.9723.1427.6813.8Fe2O33.768.887.6714.1MgO2.291.210.918.1Na2O0.530.240.830.45K2O2.571.220.81P2O58.040.34SO32.000.311.44表2 试件粉体组成配比Table 2 Mix proportions of powder materials for samples原材料PCSSAFAGGBSQuartz组别PC100S19010S28020S37030S46040S55050S2G1702010F2G1702010S1F1G170101010Q37030578第 2 期郭澍来，等：污泥焚烧灰对砂浆强度与干缩的影响及机理90 s，最后将浆体倒入塑料瓶中密封备用。砂浆试件按照国家标准水泥胶砂强度检验方法(ISO法)GB/T 176712021制备(胶砂比 1:3)，并进行养护和后续相应测试。1.3试验方法1.3.1砂浆强度及干燥收缩试验按照国家标准水泥胶砂强度检验方法(ISO法)GB/T 176712021执行，分别测试相应龄期的试件强度。根据用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉GB/T 180462017，采用掺污泥焚烧灰等矿物掺合料的试件强度Rn与同龄期基准试件强度R0n之百分数比An，即相对强度百分比，评价掺合料对水泥胶砂试件强度的影响，见式(1)，计算结果保留至整数。An=(Rn/R0n)100%(1)砂浆干缩试验参照水泥砂浆干缩试验方法JCT6032004 进行，试件尺寸为 25 mm25 mm280 mm。试件成型后24 h脱模，将其放入20 饱和石灰水中养护48 h后取出。擦拭表面后测量原长，再将其放置于(202)湿度(605)%养护室养护，测试龄期到90 d。1.3.2微观结构测试选取 28 d 砂浆试件用于氮吸附孔结构测试，测试仪器为彼奥德SSA-4000孔径分析仪。采用扫描电子显微镜(QUANTA FEG250)在20.0 kV的加速电压下观测28 d净浆试件的微观结构。2 结果与讨论2.1污泥焚烧灰掺量对砂浆强度的影响图4(a)为污泥焚烧灰掺量对水泥胶砂试件抗压强度的影响结果，图 4(b)为各试件相对强度百分比。随着污泥焚烧灰掺量的增加，试件各龄期抗压强度呈现出先增加而后逐渐下降的变化趋势，当污泥焚烧灰等质量取代10%时，试件各龄期强度最大，且超过基准试件，90 d龄期时，高出基准试件 16%；当污泥焚烧灰的掺量为 20%时，试件90 d龄期的相对强度百分比达到了104%；污泥焚烧灰掺量在超过20%后，试件强度快速降低，且均低于基准试件，特别是当污泥焚烧灰掺量达到40%后，试件强度显著下降。值得注意的是，污泥焚烧灰掺量在30%以内时，试件3 d龄期后的强度均达到基准试件的80%以上，表明污泥焚烧灰具有较大水化活性。污泥焚烧灰在水泥体系中的强度贡献主要来自于其物理、化学方面的作用效应1516。污泥焚烧灰呈现不规则颗粒形貌且颗粒尺寸较小，也可起到微集料物理填充作用，提高体系初始堆积密实度；同时污泥焚烧灰中存在较多的无定形活性铝相及硅相17，可与Ca(OH)2反应生成二次水化产物如C-S-H，C-A-S-H凝胶等，从而提高水泥胶砂的强度。火山灰反应消耗Ca(OH)2使得溶液中Ca2+浓度降低，也会加速水泥颗粒的溶解，促进水化反应的进行18。当然，随着污泥焚烧灰取代水泥量增(a)强度值；(b)相对强度百分比图4污泥焚烧灰掺量对水泥胶砂试件抗压强度的影响Fig.4Influence of SSA dosage on compressive strength and relative compressive strength ratio of mortar579铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 2月大，体系中水泥含量降低明显，污泥焚烧灰稀释效应占主导，水化产物减少，导致强度下降。为定量分析污泥焚烧灰对水泥胶砂抗压强度的影响，将掺污泥焚烧灰砂浆强度视作由基准水泥胶砂强度和污泥焚烧灰掺合料在砂浆体系中发挥的强度效应2个部分构成，即试件强度f可表示为水泥强度fc与掺合料的强度贡献fs之和：f=fc+fs。引入强度效应因子1920，定义为：同条件下单位掺合料的强度贡献s与单位水泥胶砂强度0之比，即s=0。此时，fs等于s与其掺量(水泥替代率)之积，fc等于0与水泥含量(1)之积，试件总强度f可表示为式(2)：f=(1)0+s=(1+)0(2)以为自变量，为因变量，根据图4(a)各试件390 d龄期抗压强度结果和式(2)的数学关系，得到污泥焚烧灰在砂浆中的强度效应因子与其掺量的关系，如图5所示。由图5可知，在调查掺量范围内，随着污泥焚烧灰掺量的增加，其强度效应因子呈现出先增大而后减小的趋势，40%掺量的污泥焚烧灰强度效应因子与50%掺量时相近，且为负。当污泥焚烧灰掺量为10%30%时，0，表明该掺量下污泥焚烧灰的强度贡献为正，其中污泥焚烧灰掺量为10%时各龄期强度效应因子最大，均大于1.4，90 d则达到2.6，表明在此掺量下污泥焚烧灰的强度贡献较大。当污泥焚烧灰掺量超过30%后，值非常小。一方面，30%以上的水泥替代量使得水化产物大大减少，污泥焚烧灰的火山灰效应不足以弥补稀释效应造成砂浆强度降低，另一方面可能是污泥焚烧灰特殊的颗粒形态引入部分孔隙，2种效应叠加使得污泥焚烧灰对砂浆强度的降低高于单纯稀释效应造成的强度降低。不同龄期强度效应因子大小不同，7 d强度提升较显著，90 d最高，即污泥焚烧灰对砂浆后期强度提升更大。为进一步分析不同龄期下污泥焚烧灰对胶砂强度发展的影响规律，建立了如式(3)所示的掺污泥焚烧灰胶砂抗压强度随龄期变化的数学关系式。f=a*ln t+b(3)式中：f为胶砂抗压强度，ln为自然对数，a和b均为拟合所得常数，由式(3)所得拟合结果如图 6所示，R2均大于0.96，表明拟合结果良好。方程各拟合参数如表3所示。从图6污泥焚烧灰胶砂抗压强度随养护龄期发展趋势来看，掺污泥焚烧灰试件28 d龄期后的强度增加率较大，后期强度发展潜力较好。由表3拟合参数可知，随着污泥焚烧灰掺量的增加，曲线a呈现出先增大而后降低的趋势，当污泥焚烧灰掺图5污泥焚烧灰在砂浆中的强度效应因子与其掺量之间的影响关系Fig.5Influence of SSA dosage on the strength-effect factor in mortar图6不同试件抗压强度随龄期的变化关系Fig.6Relationships between curing period and compressive strength of samples表3由图6结果得到的公式(3)中各参数拟合结果及相关系数Table 3Results obtained from the fitted curves in Fig.6系数abR2PC7.2715.980.980S18.9314.710.969S28.0513.540.988S36.7311.320.993S44.247.140.997S53.565.250.986580第 2 期郭澍来，等：污泥焚烧灰对砂浆强度与干缩的影响及机理量为 10%时 a 最大为 8.93，超过了基准试件的7.27，表明10%污泥焚烧灰的掺入较大程度地促进了胶砂强度随龄期的增长速率。而污泥焚烧灰掺量超过20%后，a快速降低，且低于基准试件。污泥焚烧灰掺量达到40%及以上时，试件强度增长速率明显减小。由拟合曲线预测的b值判断，随着污泥焚烧灰掺量的增加，试件1 d抗压强度逐渐减小，此时强度发展较水泥缓慢，这与污泥焚烧灰试件3 d强度效应因子较低的结果大致吻合。2.2污泥焚烧灰与粉煤灰、矿渣复掺对砂浆强度的影响图 7 给出了 SSA 与粉煤灰(FA)、矿渣(GGBS)复掺对胶砂抗压抗折强度的影响结果，当SSA与GGBS双掺、SSA与FA和GGBS三掺时，试件28 d和90 d的抗压、抗折强度均有所提高。表明SSA与FA和GGBS的协同作用为水泥胶砂提供了较高的强度，并明显提高了SSA单掺试件的力学强度。一方面，多种细度、形貌特征的矿物掺合料复掺入水泥体系中发挥了物理增强效应；另一方面，FA和GGBS的高火山灰活性增加了水化产物的生成量，均使得水泥胶砂强度提高。图7(b)所示的抗折强度结果与图7(a)抗压强度结果相似。值得注意的是，S1F1G1 组 28 d 龄期的力学强度最高，抗压、抗折相对强度百分比均达到了100%，主要是因为 SSA，FA 和 GGBS 3 种颗粒对水泥体系的协同增强效应叠加达到了最优的效果。为定量比较不同掺合料对砂浆强度的贡献，采用上述强度效应因子的概念分析污泥焚烧灰与矿物掺合料复掺对强度的影响，将掺量为30%的混合掺合料视作整体计算强度效应因子如图8。由图 8 可知，30%掺量的污泥焚烧灰试件各龄期抗压、抗折强度下强度效应因子均高于Q3，表明污泥焚烧灰的化学效应有利于试件各龄期强度的提高。图 8(a)，8(b)中 S2G1 组 3 d 强度效应因子最高，这表明污泥焚烧灰与矿渣对砂浆早期强度贡献较大。从图8(a)来看，虽然F2G1组3 d强度效应因子低于掺污泥焚烧灰各组，但90 d效应因子最高，这与粉煤灰早期活性低，后期活性高有关。可以看到，S1F1G1 组各龄期强度效应因子都很高，说明多种矿物掺合料复合后可发挥良好协同作用，有利于改善试件的抗压、抗折强度。由于石英粉为仅有物理填充作用的惰性掺合料，30%掺量下各组强度效应因子与Q3组强度效应因子之差计为化学效应因子。需要注意的是，差值得到的火山灰效应是剔除了微集料填充效应后，以火山灰效应为主导，也包括颗粒特性差异等物理化学效应。为了减少矿物掺合料成核效应及稀释效应对胶凝体系早期水化的影响21，选取各试件90 d抗压强度所得效应因子，根据掺合料物理和化学效应因子与总强度效应因子的比值，分别计算各组掺合料物理填充和化学效应在掺合料强度贡献中所占的百分比如图9所示。从图9中S3组看到，污泥焚烧灰的物理填充效应分别占抗压、抗折强度效应因子的 10.8%和37.6%。与S2G1和S1F1G1组对比，随着污泥焚烧(a)抗压强度；(b)抗折强度图7SSA与FA、GGBS复掺对砂浆强度的影响Fig.7Influence of mixing SSA with FA and GGBS on the compressive and flexural strength of mortar581铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 2月灰掺量在胶凝体系中的减小，掺合料物理填充效应所占强度贡献的百分比逐次减小，说明污泥焚烧灰的物理填充效应对试件抗压、抗折强度有不同程度的贡献，但污泥焚烧灰的化学效应仍占强度贡献的主要地位。由于污泥焚烧灰中掺入了高化学活性的粉煤灰和矿渣，使得化学效应具有较高的强度贡献比。F2G1组化学效应占强度贡献百分比最大，说明试件强度主要来自于粉煤灰和矿渣的化学活性。对比图9(a)与9(b)结果可知，污泥焚烧灰的物理填充效应对试件抗折强度影响较大。2.3干缩性能图10给出了砂浆试件干缩变形随龄期的变化结果。从结果可知，所有试件干缩随龄期变化趋势相同，各干缩值随水化龄期的延长而增加。为分析干缩值随龄期的变化关系，将试件龄期分为37 d，714 d，1421 d，2128 d，2856 d和5690 d 6个区间，龄期区间内干缩值与区间长度t(单位：d)的比值为试件在该区间内的干缩变化速率V，即V=/t，结果如图11所示。从图11可看出，各组干缩变化速率随龄期延长而降低，且28 d前各试件V较大，28 d后试件V较小。与其他组别对比，S3组在37 d内干缩速率最大，而756 d内干缩速率最小，说明相较其他组，S3试件早期收缩快，后期收缩相对缓慢。从图 10 中得到，S3，S2G1，F2G1，S1F1G1各 组 28 d 干 缩 值 分 别 比 PC 组 降 低 了 22.8%，20.2%，19.2%和17.7%；90 d干缩值分别比PC组降低了32.7%，32.3%，24.6%和29.0%。显然，污泥焚烧灰水泥体系中较多的C-S-H凝胶，以及微集料填充效应，改善了体系微结构有利于抵抗干缩变形22。此外，干缩可能还与污泥灰的掺量有关，F2G1，S1F1G1，S2G1，S3 组随着污泥灰掺量的(a)抗压强度；(b)抗折强度图9物理填充效应和化学效应占强度贡献的百分比Fig.9Percentage of physical filling effects and chemical effects in the compressive and flexural strength(a)抗压强度；(b)抗折强度图8SSA与FA和GGBS复掺对砂浆抗压、抗折强度效应因子的影响Fig.8Influence of mixing SSA with FA and GGBS on the compressive and flexural strength strength-effect factor in mortar582第 2 期郭澍来，等：污泥焚烧灰对砂浆强度与干缩的影响及机理增加，试件90 d收缩依次减少。2.4物相组成及微观形貌通过XRD测试分析28 d养护龄期基准组(PC)和掺20%SSA组(S2)硬化浆体物相组成，如图12所示。从图中可知，试样中晶体物相主要有氢氧化钙Ca(OH)2，AFm 及未反应的硅酸三钙(Alite)和硅酸二钙(Belite)，S2 组还含有污泥灰中的 SiO2。与基准组对比，S2组中Ca(OH)2峰明显降低，一方面是SSA替代水泥减少了水泥熟料及其水化产物Ca(OH)2的量，另一方面是活性 SSA 也消耗了Ca(OH)2。铝酸盐水化产物主要出现在525间，与PC组相比，S2组的单硫型水化硫铝酸钙(Ms)相衍射峰强度明显提高。这是由于污泥焚烧灰中Al2O3含量较高，在水泥水化所形成的碱性溶液中，Al2O3溶解并形成Al(OH)-4，Al(OH)-4与孔溶液中的SO2-4和Ca2+结合生成了比Al(OH)3和Ett相溶解度更低的Ms相23，保持了体积稳定的Ms晶体增多，有利于体系收缩变形降低24。采用氮吸附试验测试并对比了掺污泥焚烧灰样品与纯水泥样品的孔结构特征，结果如图13所示。掺入污泥焚烧灰的 S3 样品的孔隙体积达到0.85 cc/g，高于基准组的0.42 cc/g。基于氮气物理吸附测试范围将硬化水泥浆体中的孔分为10 nm以下的凝胶孔，1050 nm的中毛细孔和50 nm以上的大毛细孔25。与PC组对比，S3样品中50 nm以下的孔隙较多，50 nm以上的孔隙较少，表明污泥焚烧灰细化了50 nm以上的孔隙，抑制了水分从大毛细孔中散失26，从而减小试件干缩变形。但550 nm孔引起较大的毛细压力是影响试件早期自收缩的主要因素27，可能导致了掺30%污泥焚烧灰试件早期干缩值较大，甚至高于PC组。分析孔隙体积变化的原因，污泥焚烧灰消耗Ca(OH)2生成较多的C-S-H水化凝胶，填充大毛细孔的同时增加了细孔的体积28。S3样品总体上较多孔隙体积也是造成试件强度降低的主要原因，掺30%污泥焚烧灰砂浆28 d强度降低了15.4%。为分析污泥焚烧灰对体系水化物相及形貌的影响，图14进一步给出了采用SEM分析的4组硬化水泥浆体28 d龄期水化产物的微观形貌特征结果。从图中可以看出，PC组水化产物较多，且总体分布均匀密实，掺污泥焚烧灰的S3组水化物相较为丰富，存在较多六方片状的Ms相，各物相之图10不同组成水泥砂浆试件干缩值结果Fig.10Drying shrinkage value of mortar图11不同组成水泥砂浆试件干缩速率结果Fig.11Drying shrinkage rate of mortar(Ett=Ettringite；Ms=Monosulfate)图12水泥污泥焚烧灰试件XRD图Fig.12XRD pattern of Cement-SSA pastes583铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 2月间紧密排列；粉煤灰与矿渣复合的F2G1组也含有较多的凝胶产物，并且周围存在较多未完全反应的粉煤灰颗粒，而掺石英粉的Q3组中可观察到水化物相较少，较大石英颗粒嵌在水化产物中。总体而言，各组样品主要水化产物形貌及类型基本相似，但掺矿物掺合料的样品中仍然存在着未反应完全的不同类型掺合料颗粒，污泥焚烧灰中由于含有较多的铝相而可观察到更多的Ms相。3 结论1)污泥焚烧灰与水泥颗粒粒径相似时，砂浆390 d龄期内的强度随污泥焚烧灰掺量增加呈现出先增加而后降低的变化规律，其中10%为污泥焚烧灰的最优掺量，28 d和90 d龄期的强度效应因子分别为1.4和2.6，20%掺量的污泥灰其90 d强度效应因子也可达1.2，污泥灰掺量超过30%后，对图13水泥污泥焚烧灰砂浆BJH孔结构分析Fig.13BJH pore size analysis of Cement-SSA mortar(a)PC；(b)S3；(c)F2G1；(d)Q3图14不同水泥体系的SEM照片Fig.14SEM micrographs of blended pastes584第 2 期郭澍来，等：污泥焚烧灰对砂浆强度与干缩的影响及机理砂浆强度有较大不利影响。2)污泥焚烧灰对砂浆力学强度的贡献主要来自其化学作用；相对于抗压强度，污泥焚烧灰的微集料效应和物理填充密实作用对砂浆抗折强度的贡献更大。3)污泥焚烧灰与粉煤灰、矿渣粉复掺有助于砂浆强度的增加，尤其是污泥灰与粉煤灰、矿渣三掺试件390 d龄期强度几乎与同掺量粉煤灰与矿渣双掺试件的结果相等。4)污泥焚烧灰对砂浆试件干缩变形有较好的抑制作用。相较基准试件，掺30%污泥焚烧灰试件90 d龄期的干缩变形降低30%以上。5)相对于基准组，污泥焚烧灰的掺入增加了体系中以单硫型水化硫铝酸钙为主的AFm晶体相，并减少了50 nm以上的孔隙。后续将进一步深入研究掺污泥焚烧灰体系物相、孔结构对其强度、干缩性能的影响关系。参考文献：1GHERGHEL A,TEODOSIU C,DE GISI S.A review on wastewater sludge valorisation and its challenges in the context of circular economyJ.Journal of Cleaner Production,2019,228:244263.2国家统计局.中国城乡建设统计年鉴 2020M.北京:中国统计出版社,2021:216.National Bureau of Statistics.China urban-rural construction statistical yearbook 2020M.Beijing:China Statistics Press,2021:216.3OSTOVARI H,MLLER L,SKOCEK J,et al.From unavoidable CO2 source to CO2 sink?A cement industry based on CO2 mineralizationJ.Environmental Science&Technology,2021,55(8):52125223.4HABERT G,MILLER S A,JOHN V M,et al.Environmental impacts and decarbonization strategies in the cement and concrete industriesJ.Nature Reviews Earth&Environment,2020,1(11):559573.5CHIOU I J,WANG K S,CHEN C H,et al.Lightweight aggregate made from sewage sludge and incinerated ashJ.Waste Management,2006,26(12):14531461.6PAN S C,TSENG D H,LEE C C,et al.Influence of the fineness of sewage sludge ash on the mortar propertiesJ.Cement and Concrete Research,2003,33(11):1749 1754.7DE AZEVEDO BASTO P,SAVASTANO H,DE MELO NETO A A.Characterization and pozzolanic properties of sewage sludge ashes(SSA)by electrical conductivityJ.Cement and Concrete Composites,2019,104:103410.8ALCOCEL E G,GARCES P,MARTNEZ J J,et al.Effect of sewage sludge ash(SSA)on the mechanical performance and corrosion levels of reinforced Portland cement mortarsJ.Materiales De Construccin,2006,56(282):3143.9CHEN Maozhe,BLANC D,GAUTIER M,et al.Environmental and technical assessments of the potential utilization of sewage sludge ashes(SSAs)as secondary raw materials in constructionJ.Waste Management,2013,33(5):12681275.10 GARCS P,CARRIN M P,GARCA-ALCOCEL E,et al.Mechanical and physical properties of cement blended with sewage sludge ashJ.Waste Management,2008,28(12):24952502.11 CYR M,COUTAND M,CLASTRES P.Technological and environmental behavior of sewage sludge ash(SSA)in cement-based materialsJ.Cement and Concrete Research,2007,37(8):12781289.12 汤薇,石锦炎,何智海,等.大掺量自来水厂污泥粉对混凝土强度和微观结构的影响J.复合材料学报,2022,39(5):23692377.TANG Wei,SHI Jinyan,HE Zhihai,et al.Influence of high-volume water treatment plant sludge powder on strength and microstructure of concreteJ.Acta Materiae Compositae Sinica,2022,39(5):23692377.13 BAEZA F,PAY J,GALAO O,et al.Blending of industrial waste from different sources as partial substitution of Portland cement in pastes and mortarsJ.Construction and Building Materials,2014,66:645653.14 CHEN Zhen,POON C S.Comparative studies on the effects of sewage sludge ash and fly ash on cement hydration and properties of cement mortarsJ.Construction and Building Materials,2017,154:791803.15 CYR M,LAWRENCE P,RINGOT E.Efficiency of mineral admixtures in mortars:Quantification of the physical and chemical effects of fine admixtures in relation with compressive strengthJ.Cement and Concrete Research,2006,36(2):264277.16 WILD S,KHATIB J M,JONES A.Relative strength,pozzolanic activity and cement hydration in 585铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 2月superplasticised metakaolin concreteJ.Cement and Concrete Research,1996,26(10):15371544.17