污泥是在处理污水过程中产生的固态或半固态沉淀物，将污泥进行填埋的一般处理方式会消耗土地资源^[1]。通过资源化利用污泥可以解决污泥填埋造成的资源消耗以及环境污染，将污泥利用于建材领域是资源化处理污泥的有效方法。污泥初步脱水后放入高温炉并达到一定温度后焙烧而成的污泥灰（sewage sludge ash, SSA）具有火山灰性质，可以作为补充胶凝材料（supplementary cementitious materials, SCM），与水以及水泥水化产物Ca（OH）₂发生二次水化反应，生成更多的水化硅酸钙凝胶（C–S–H）^[2]，产生填充效应，改善混凝土性能。大部分补充胶凝材料，其硅含量占比较大，而钙含量比水泥低，没有足够的胶凝性能，通常作为添加剂加入水泥中或者是对水泥进行部分替代^[3-4]。

将污泥灰作为补充胶凝材料，掺入到再生混凝土中，能改善再生粗骨料混凝土性能^[5-6]。将污泥灰替代水泥掺入混凝土会降低混凝土的强度^[7-9]，污泥灰对水泥替代率的增加与砂浆的抗压强度和抗弯强度呈线性负相关^[10]。因此污泥灰可在较低的替代率下使用，并通过各种配合比设计调整，包括增加水泥含量、使用高效减水剂降低混合物的水灰比^[11]、纳米材料的加入^[12]、提高污泥灰的细度^[13]从而达到与对照组相似的强度，说明污泥灰的形状、粒径大小以及替代率等会对水泥基材料性能造成影响^[14-15]。将污泥灰作为补充胶凝材料，以外加的形式掺入水泥基混凝土中，还没有具体的研究表明是否能起到积极的作用。

因此，本研究旨在将污泥灰作为补充胶凝材料，以外加的形式掺入普通混凝土和再生混凝土中，研究污泥灰对混凝土工作性能和力学性能的影响。并通过微观分析了解污泥灰对普通混凝土和再生混凝土强度影响的机理。

水泥为42.5R型水泥，细骨料为细度模数为2.3的中砂，最大粒径为4 mm。天然粗骨料和再生粗骨料采用粒径5～20 mm连续级配的天然碎石和再生碎石。再生碎石是将建筑废弃混凝土用大型机械破碎后再在实验室中进行筛分得到，测得其相关参数如表1所示。依据《混凝土用再生粗骨料》（GB/T 25177—2010），本试验使用的再生粗骨料等级为Ⅱ级。

表1(Tab. 1)

表1 再生粗骨料规格参数 Tab. 1 Properties of recycled coarse aggregate

表1 再生粗骨料规格参数 Tab. 1 Properties of recycled coarse aggregate 表观密度/ （kg·m–3） 堆积密度/ （kg·m–3） 含水率/ % 吸水率/ % 含泥量/ % 压碎指标/ % 2 715 1 435 1.68 5.52 0.37 13.03

污泥灰取自成都市第一污水污泥处理厂，将污泥在850 ℃高温的环境下通入天然气等助燃气体，使其充分燃烧后收集得到。污泥灰粒径大于50、20和10 μm的颗粒体积百分比分别为14.3%、56.4%和75.8%。

污泥灰中含有Fe、Mn等重金属物质，其化学成分如表2所示。Cyr等^[14]研究得出含有污泥灰砂浆的重金属浸出量与对照砂浆的重金属浸出量类似。主要因为污泥灰中的Al₂O₃和SiO₂与水泥中Ca（OH）₂发生火山灰反应，生成硅酸钙和铝酸钙等水合物胶体，随时间的发展逐渐硬化，最终结晶^[16]。该过程将污泥灰的重金属离子有效地固定在碱性硅酸盐水泥基质中，使重金属物质以更稳定的形式存在。

表2(Tab. 2)

表2 污泥灰的化学组成 Tab. 2 Chemical composition of recycle sewage sludge ash

表2 污泥灰的化学组成 Tab. 2 Chemical composition of recycle sewage sludge ash % SiO2 P2O5 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO TiO2 Na2O SO3 MnO 41.35 21.17 17.42 7.82 5.30 3.63 1.00 0.78 0.52 0.11

混凝土的坍落度、抗压强度和劈裂抗拉强度试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2002）。抗压强度和劈裂抗拉强度测试试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm立方体试块。混凝土配合比如表3所示。其中：OS为普通混凝土掺加污泥灰组，RS为普通再生混凝土掺加污泥灰组，0、1、3和5分别为以胶凝材料质量分数0、1%、3%和5%掺加污泥灰；未掺加污泥灰的混凝土组为对照组，掺加污泥灰的混凝土组为实验组。试件在标准养护条件即温度（20±5）℃、相对湿度（90±5）%下分别养护7、14和28 d。混凝土力学性能使用200 t电液伺服式压力机进行测试。

表3(Tab. 3)

表3 混凝土配合比 Tab. 3 Mix proportion of concrete

表3 混凝土配合比 Tab. 3 Mix proportion of concrete 编号 水泥/ （kg·m–3） 污泥灰/ （kg·m–3） 再生粗骨料/ （kg·m–3） 自然骨料/ （kg·m–3） 水/ （kg·m–3） 减水剂/ （kg·m–3） 细 粗 OS0 552 0 — 700 1008 171 1.656 OS1 552 5.52 — 700 1008 171 1.656 OS3 552 16.56 — 700 1008 171 1.656 OS5 552 27.60 — 700 1008 171 1.656 RS0 552 0 1008 700 — 171 1.656 RS1 552 5.52 1008 700 — 171 1.656 RS3 552 16.56 1008 700 — 171 1.656 RS5 552 27.60 1008 700 — 171 1.656

本次实验使用四川大学分析测试中心SU3500型号扫描电子显微镜（SEM）。试样取烘干的污泥灰试样以及本实验中8个混凝土配合比的试样共9组。混凝土试样取试件进行28 d抗压强度破坏时的碎块留取表面平整的薄片，经干燥脱水、固定和喷金处理后进行SEM 观测。

掺入污泥灰的混凝土坍落度以及抗压强度试验结果如表4所示。

表4(Tab. 4)

表4 混凝土的坍落度及抗压强度 Tab. 4 Slump and compressive strength of concrete

表4 混凝土的坍落度及抗压强度 Tab. 4 Slump and compressive strength of concrete 编号 坍落度/mm 抗压强度/MPa 7 d 14 d 28 d OS0 125 48.47 57.67 61.60 OS1 100 48.63 50.42 53.91 OS3 95 55.31 65.15 67.20 OS5 90 48.94 51.48 53.72 RS0 60 42.48 58.51 59.39 RS1 60 46.64 47.42 51.99 RS3 45 46.39 49.93 59.81 RS5 20 55.82 55.87 58.81

试验结果表明，当污泥灰掺量为1%、3%和5%时，普通混凝土坍落度相较对照组分别降低20%、24%和28%。当污泥灰掺量为1%时，再生混凝土的坍落度没有明显降低。当污泥灰掺量达到3%和5%时，再生混凝土的坍落度相较对照组降低了25%和67%。说明新拌混凝土坍落度随着污泥灰掺量的增加而降低。同时当污泥灰掺量大于1%时，相比普通混凝土，再生混凝土的坍落度下降幅度更大。

相同配比的再生混凝土坍落度比普通混凝土坍落度降低52%。主要是因为再生骨料表面黏附的旧砂浆孔隙较多，吸水率比天然骨料高，旧砂浆包裹的未反应水泥颗粒的继续水化^[17]导致的流动性下降。

不同污泥灰掺量对普通混凝土和再生混凝土随龄期发展的抗压强度的影响如图1、2所示。

图1(Fig. 1)

图1 不同污泥灰掺量对普通混凝土随龄期发展的抗压强度影响 Fig. 1 Effect on compressive strength with age of OPC under different amount of SSA

图2(Fig. 2)

图2 不同污泥灰掺量对再生混凝土随龄期发展的抗压强度影响 Fig. 2 Effect on compressive strength with age of RAC under different amount of SSA

通过用强度比来表示不同污泥灰掺量对普通混凝土和再生混凝土的影响。强度比K按照以下公式计算：

式中，R和R₀为相同养护龄期下，掺加了污泥灰的混凝土抗压强度和未掺污泥灰的混凝土抗压强度。

由图1、2可见，掺加污泥灰的混凝土抗压强度均随着龄期的增长而增加。污泥灰对普通混凝土和再生混凝土早期（7 d）抗压强度有明显的促进作用。当污泥灰掺量在1%～5%范围内变化时，对于普通混凝土的作用呈现先抑制后促进再抑制的波动趋势。对于再生混凝土7 d抗压强度，随着污泥灰掺量的增加，促进作用增强。随着污泥灰掺量的增加，对于再生混凝土14 d和28 d抗压强度的抑制作用也逐渐减弱。作者考虑是因为再生粗骨料表面附着的旧砂浆孔隙率高，部分污泥灰会填充到旧砂浆多余的孔隙中，从而导致剩余污泥灰的量减少，对混凝土均匀性的影响也减弱。

未掺污泥灰的再生混凝土相较普通混凝土抗压强度平均降低4.83%，是因为再生骨料与天然骨料之间的性能差异。再生骨料表面附着的旧砂浆导致再生混凝土密度低、孔隙率高、吸水率高^[18-20]，增加了再生混凝土的界面过渡区数量^[21]，从而导致再生混凝土强度较低。再生混凝土14 d强度略高于普通混凝土是由于再生骨料中本身残存的水泥颗粒继续水化促进强度的发展所致^[17]。

在0～28 d的养护龄期内，污泥灰掺量为1%和3%的再生混凝土抗压强度低于相同污泥灰掺量下普通混凝土抗压强度。污泥灰掺量为5%的再生混凝土0～28 d的抗压强度均高于相同污泥灰掺量下的普通混凝土抗压强度，7 d抗压强度最高，达到55.82 MPa，相较普通混凝土对照组显著提高了15.17%。

掺加1%污泥灰的再生混凝土和普通混凝土在14、28 d养护龄期下的抗压强度相较对照组下降明显，分别降低12.57%、12.48%和18.95%、12.45%，说明在污泥灰掺量较小的情况下会抑制混凝土14～28 d抗压强度的发展。掺加3%污泥灰的再生混凝土7 d抗压强度接近普通混凝土对照组水平。对于14 d和28 d抗压强度：掺加1%和3%污泥灰的再生混凝土均低于污泥灰同掺量下的普通混凝土以及对照组混凝土；掺加5%污泥灰的再生混凝土抗压强度相较对照组抗压强度降低程度较小。

对于普通混凝土，当污泥灰掺量为3%时，相较对照组在7、14和28 d的抗压强度分别提高了14.12%、12.97%和9.09%，说明掺加3%污泥灰能显著提高普通混凝土在0～28 d养护龄期的抗压强度；相较对照组，掺加1%和5%污泥灰的普通混凝土7 d抗压强度分别提高了0.34%和0.96%，但14和28 d的抗压强度下降明显，分别降低12.57%、10.74%和12.48%、12.79%，说明掺加污泥灰能普遍提高普通混凝土的早期（7 d）抗压强度；当污泥灰掺量为1%和5%时，会显著降低普通混凝土14～28 d的抗压强度。

二次水化反应速率取决于颗粒的细度和无定形二氧化硅、水和氢氧化钙（CH）的可用性^[14]。掺加1%污泥灰的混凝土组由于污泥灰掺量太少提供的无定形二氧化硅偏少，发生的二次水化反应速率慢，未反应的剩余污泥灰偏多影响了混凝土试件均匀性，从而导致强度下降。掺加5%污泥灰能提供二次水化反应所需的充足无定形二氧化硅，但由于CH可用性的限制，剩余污泥灰偏多影响混凝土试件的均匀性，从而抗压强度没有达到掺加3%污泥灰普通混凝土的水平。同时说明3%污泥灰提供的无定形二氧化硅同水泥水化产生的可用CH含量在一定程度上是相互匹配的。

污泥灰掺量为1%、3%和5%的再生混凝土试件相较未掺污泥灰的再生混凝土试件，7 d抗压强度分别增长9.8%、9.21%和31.41%。养护龄期14 d时，1%、3%和5%污泥灰掺量的实验组抗压强度分别下降18.95%、14.66%和4.51%。1%和5%污泥灰掺量的实验组28 d强度分别下降12.45%和0.97%；3%污泥灰掺量的实验组抗压强度增长0.71%。1%、3%和5%污泥灰掺量的实验组在7～14 d的抗压强度增长率最高达到7.63%，低于对照组的37.74%。1%、3%和5%污泥灰掺量的实验组在14～28 d的强度增长率分别为9.64%、19.78%和5.27%，均高于对照组增长率1.50%，说明掺加污泥灰能明显提高再生混凝土的早期（7 d）抗压强度以及在14～28 d养护龄期的抗压强度增长率。综上所述，掺加5%污泥灰能更好地提高再生混凝土早期（7 d）的抗压强度，但对再生混泥土28 d抗压强度无明显促进作用。掺量为3%的污泥灰能提高普通混凝土和再生混凝土的抗压强度。

不同污泥灰掺量对混凝土劈裂抗拉强度及拉压比的影响如表5所示。

表5(Tab. 5)

表5 混凝土劈裂抗拉强度及拉压比 Tab. 5 Splitting strength of concrete and the ratio of splitting and compressive strength

表5 混凝土劈裂抗拉强度及拉压比 Tab. 5 Splitting strength of concrete and the ratio of splitting and compressive strength 编号 劈裂抗拉强度/MPa 拉压比 7 d 14 d 28 d OS0 4.05 4.20 4.34 0.07 OS1 3.29 3.51 4.44 0.08 OS3 3.33 4.25 4.48 0.07 OS5 3.21 3.23 3.26 0.06 RS0 2.97 3.35 3.52 0.06 RS1 2.55 2.77 3.09 0.06 RS3 2.40 2.76 4.18 0.07 RS5 2.57 2.61 3.39 0.06

由表5可知：1）掺加1%、3%和5%污泥灰的普通混凝土7d劈裂抗拉强度相较对照组分别下降18.86%、17.87%和20.77%；掺加1%和5%污泥灰的普通混凝土14 d劈裂抗拉强度相较对照组分别下降16.45%和23.09%；掺加3%污泥灰的普通混凝土14 d劈裂抗拉强度相较对照组上升1.16%；掺加1%和3%污泥灰的普通混凝土28 d劈裂抗拉强度相较对照组分别上升2.27%和3.19%；掺加5%污泥灰的普通混凝土28 d劈裂抗拉强度相较对照组下降24.88%。说明：掺加污泥灰会明显降低普通混凝土的7 d劈裂抗拉强度；掺入5%污泥灰明显降低普通混凝土在7～28 d的劈裂抗拉强度；掺入3%污泥灰能促进普通混凝土14和28 d劈裂抗拉强度，对于劈裂抗拉强度的发展是较优掺量。

2）拉压比为28 d养护下抗拉强度与抗压强度的比值，主要反应试件的抗裂性能^[22]。掺加1%污泥灰的普通混凝土试件拉压比达到0.08，相较对照组增长16.85%；掺加3%和5%污泥灰的普通混凝土试件拉压比相较对照组下降5.41%和13.87%。说明：掺加1%污泥灰的普通混凝土抗裂性能最高，掺加3%污泥灰的普通混凝土抗裂性能接近对照组水平。

3）掺加1%、3%和5%污泥灰的再生混凝土7 d劈裂抗拉强度相较对照组分别下降14.04%、19.06%和13.48%；掺加1%、3%和5%污泥灰的再生混凝土14 d劈裂抗拉强度相较对照组分别下降17.20%、17.62%和22.17%；掺加1%和5%污泥灰的再生混凝土28 d劈裂抗拉强度相较对照组分别下降12.22%和3.69%；掺加3%污泥灰再生混凝土试件28 d劈裂抗拉强度相较对照组增长18.72%。说明：掺加污泥灰会明显降低再生混凝土的7和14 d劈裂抗拉强度；掺入1%污泥灰会显著降低再生混凝土在7～28 d的劈裂抗拉强度。

4）相较对照组，掺加1%和3%污泥灰的再生混凝土试件拉压比分别提高0.27%和17.89%，掺加5%污泥灰的再生混凝土试件拉压比下降2.75%。综上所述，掺加3%污泥灰能显著提高再生混凝土28 d劈裂抗拉强度，同时也能提高再生混凝土的抗裂性能。

5）污泥灰掺量为0、1%、3%和5%时，再生混凝土相较同污泥灰掺量的普通混凝的7 d劈裂抗拉强度下降26.74%、22.39%、27.80%和20.00%，14 d劈裂抗拉强度下降20.26%、20.98%、35.07%和19.30%。污泥灰掺量为0、1%和3%时，再生混凝土相较普通混凝土28 d劈裂抗拉强度下降18.92%、30.41%和6.72%。掺加5%污泥灰经28 d养护后的再生混凝土试件劈裂抗拉强度相较普通混凝土劈裂抗拉强度提高3.95%。说明当污泥灰掺量为0、1%和3%时，再生混凝土的7～28 d劈裂抗拉强度以及当污泥灰掺量为5%时，再生混凝土的7～14 d劈裂抗拉强度均低于普通混凝土。只有污泥灰掺量为5%的再生混凝土28 d劈裂抗拉强度略高于相同掺量下普通混凝土水平。主要原因是随着养护龄期的增加，再生混凝土中旧砂浆的存在，再生混凝土相较普通混凝土的污泥灰剩余量减少，对再生混凝土的均匀性影响较小。

污泥灰微观形貌如图3所示。由图3可见，污泥灰是表面粗糙多孔隙的不规则颗粒。这种微观结构使得污泥灰极易吸收水分，因此在水泥基质中污泥灰常作为吸收混合物中自由水的结构^[23]。污泥灰颗粒的粒度特性和颗粒形态也是造成混凝土坍落度降低的主要原因之一。

图3(Fig. 3)

图3 污泥灰微观形貌 Fig. 3 Micromorphology of SSA

混凝土微观结构如图4所示。从图4（a）、（e）可见，再生混凝土由于旧砂浆的存在降低了均匀性，普通组砂浆界面更加均匀，因此强度相较再生组的高。

图4(Fig. 4)

图4 混凝土微观结构 Fig. 4 Microstructure of concrete

由图4（b）～（d）、（f）～（h）可以看出：污泥灰一部分填充在水化产物的孔隙中，当混凝土试件被压碎后，由于水泥水化产物与不规则污泥灰颗粒堆积不够紧密，从而导致部分污泥灰从孔隙中脱离，故污泥灰颗粒起到的物理填充作用有限；一部分污泥灰被C–S–H凝胶包裹，故有部分污泥灰仍在进行反应。污泥灰掺量为3%和5%的砂浆界面相较掺加1%污泥灰和对照组的砂浆界面更加密实，结晶更加平整。

比较图4（c）和（d）可发现：掺加5%污泥灰的普通混凝土砂浆界面上剩余污泥灰颗粒更多，均匀性更差；而掺加3%污泥灰的普通混凝土强度更高，则污泥灰剩余较多会降低混凝土的均匀性，从而降低强度。

比较图4中污泥灰掺量相同的普通混凝土与再生混凝土的微观结构发现，再生混凝土中剩余污泥灰量偏少，主要是因为部分污泥灰填充到旧砂浆的孔隙中，同时再生骨料表面的旧砂浆含有多余的CH层状结构碱性物质，会激发污泥灰的火山灰活性^[24]，产生二次水化反应，从而消耗更多的污泥灰。由此可见，再生粗骨料的存在会提高污泥灰的利用率。

通过试验以及微观结构分析，得到以下结论：

1）污泥灰掺量越高，混凝土的坍落度下降越大。当污泥灰掺量为3%和5%时，与普通混凝土相比，再生混凝土的坍落度下降幅度更大。

2）掺加污泥灰的混凝土抗压强度以及劈裂抗拉强度均随龄期增长而增加。掺入污泥灰提高了普通混凝土和再生混凝土的7 d抗压强度，降低了7 d抗拉强度。掺加1%污泥灰的普通混凝土拉压比为0.08，抗裂性能最好。

3）掺加3%污泥灰的普通混凝土7～28 d抗压强度分别提高14.12%、12.97%和9.09%，28 d劈裂抗拉强度提高3.19%。掺加3%污泥灰提高了再生混凝土28 d抗压强度，28 d劈裂抗拉强度提高18.72%，拉压比提高17.89%。说明3%污泥灰掺量对于普通混凝土和再生混凝土的强度发展是较优掺量。同时说明3%污泥灰提供的无定形二氧化硅同水泥水化产生的可用CH含量在一定程度上是相互匹配的。

4）掺加3%和5%污泥灰的普通混凝土和再生混凝土相较对照组，强度提高和下降趋势不同，结合微观结构分析可得：混凝土中多余的未反应污泥灰会降低微观结构的均匀性，从而降低混凝土的强度；再生粗骨料表面旧砂浆的存在能提高污泥灰的利用率。