不同淤泥掺量和活化方式下泡沫混凝土的性能探究
(天津大学 建筑工程学院, 天津 300072)
摘要: 淤泥作为一种城市固废, 因其含有一定的火山灰活性, 常被用作辅助胶凝材料。同时, 过氧化氢能够和淤泥中的部分成分如碳酸盐发生反应, 固化淤泥的同时生成气体, 能够在泡沫混凝土中起到发泡作用。本研究将淤泥应用于泡沫混凝土改性, 探究了不同活化方式和掺量下淤泥改性泡沫混凝土的性能。本研究评估了淤泥改性泡沫混凝土的抗压强度、吸水率和孔隙率, 并利用TOPSIS法对其进行评价, 以获得合适的淤泥掺量和活化方式。试验结果表明, 淤泥改性泡沫混凝土的抗压强度随着淤泥掺量的增加而下降。煅烧和球磨均能有效提升抗压强度, 且煅烧的提升效果更为明显。吸水率随淤泥掺量的提高和活化方式的增加而略有上升, 从32%提升至37%。伴随着活化方式从仅球磨到“两磨一烧”, 淤泥改性泡沫混凝土的机械性能得到了提升, 但发泡效果发生了下降。综合考虑抗压强度、吸水率强度和发泡效果, 10%淤泥掺量下, 煅烧后不经球磨的淤泥平衡了淤泥对强度和孔隙的影响, 获得了最佳的综合性能。
关键词: 泡沫混凝土, 淤泥活化, 过氧化氢, TOPSIS, 孔隙率
引用格式: 杨佳澎, 李志鹏. 不同淤泥掺量和活化方式下泡沫混凝土的性能探究[J]. 工程材料与结构, 2024, 3(3): 38-45.
文章类型: 研究性论文
收稿日期: 2024-07-18
接收日期: 2024-08-09
出版日期: 2024-09-28
随着全球对环境保护和可持续发展的关注不断增加，建筑行业面临着减少碳排放和降低资源消耗的双重挑战。传统水泥生产过程中产生的大量二氧化碳是温室气体的重要来源之一，因此，探索和开发替代性建筑材料成为了当前研究的热点[1]。在此背景下，淤泥作为一种新型辅助胶凝材料，因其在降低水泥用量、减少碳排放方面的潜力得到了广泛关注[2]。
淤泥，作为一种广泛存在的城市固体废弃物，具有丰富的资源储量和多样的化学成分。据估算，目前全国每年大约有50亿吨泥沙进入江河，其中淤积到水库的大约有16亿吨[3]。通过科学合理的处理和利用，淤泥不仅可以替代部分水泥，从而降低水泥的使用量，减少碳排放，还能将废弃资源加以再利用，实现资源的循环利用和环境的可持续发展。淤泥中的多样化成分为其在发泡过程中的反应提供了丰富的化学基础[4,5]。在合适的条件下，淤泥中的部分碳酸盐可以与过氧化氢发生反应，产生二氧化碳等气体，从而在混凝土中形成均匀分布的气泡结构[6-8]。
发泡方式依据不同的发泡原理可分为物理发泡、化学发泡。物理发泡是通过发泡机生产气泡，再将气泡通入正在进行搅拌的水泥中。由于物理发泡是从外界发泡再将泡沫打入浆体中，在制备的过程中会导致泡沫的破灭消散以及泡沫位置的分布不均，与实际生产有差异。化学发泡是直接将发泡剂混合在浆体中，在搅拌过程中发泡剂自身分解产生气体。与此同时，淤泥作为一种成分复杂的辅助胶凝材料，其成分中的部分碳酸盐会与过氧化氢发生反应，进而提升发泡效果[9-11]，故本实验采用过氧化氢作为化学发泡剂。
在淤泥改性泡沫混凝土的制备过程中，淤泥的活化方式是一个关键参数。通过调控淤泥的不同活化方式，可以有效控制其发泡程度，进而影响混凝土的各项性能。本研究中，我们系统地探讨了不同活化方式和掺量下淤泥改性泡沫混凝土的性能变化。通过一系列试验和测试，分析了淤泥的活化方式和掺量对混凝土抗压强度、吸水率、孔隙率等性能的影响。由于淤泥内的部分碳酸盐可以与过氧化氢发生反应，进而提升发泡效果，但这些成分可能伴随着煅烧发生分解，而仅球磨不进行煅烧又会导致强度下降。如何平衡发泡效果和强度是本文主要的研究对象[12]。
本研究验证了淤泥在泡沫混凝土中的可行性，为进一步开发低碳环保的建筑材料提供了新的思路和方法。为实际工程应用中优化淤泥改性泡沫混凝土的配比设计提供了理论基础。
1 试验材料及方法
1.1 原材料
试验中水泥为辽宁抚顺生产的普通硅酸盐水泥，强度为PO 42.5，化学组成详见表1。
试验所用过氧化氢为河南省百汇德有限公司生产的浓度30%的过氧化氢。
淤泥产自河北省保定市安新白洋淀。淤泥直接由白洋淀挖掘获得，未经任何处理保持原状直接运输，活化处理方式由试验室统一进行。
为保证发泡效果，本文选择硬脂酸钠作为稳泡剂。所用的硬脂酸钠为济南斯维尔实验器材有限公司生产的分析纯硬脂酸钠。
1.2 试验方法
1.2.1 淤泥活化处理
首先，对淤泥进行为期一天的自然晾晒初步干燥。初步晾晒后，将块状淤泥放入101-2EBS型电热鼓风干燥箱中彻底干燥。干燥的淤泥块取出后，进行球磨处理，使用北京中科路达试验仪器有限公司生产的SM500×500型号水泥试验磨进行5分钟球磨，制备成第一种“仅球磨的淤泥”(B)。
接着，取“仅球磨的淤泥”，在SX2-12-10型箱式电阻炉中进行高温煅烧处理。煅烧温度为800℃，高温炉升至对应温度后，保持1小时后自动断电，待降温至常温后取出淤泥，制备成第二种“球磨后煅烧的淤泥”(BC)。
最后，取“球磨后煅烧的淤泥”再次进行5分钟的球磨作业，制备成第三种“煅烧后球磨的淤泥”(BCB)[13]。
1.2.2 抗压强度测试
抗压强度试验采用YAW-300C多功能压缩试验仪，将尺寸为100mm×100mm×100mm 的试块置于试验机夹板中心处，试验加载速率为2.4kN/s。
1.2.3 吸水率测试
首先将待测试件在干燥箱内烘干48小时，然后静置冷却至室温，并测量其初始质量。接着，将试件放入水温为20℃的盛水容器中，确保水浴过程中温差不超过5℃。加水至试件高度的1/3，保持24小时后，再加水至试件高度的2/3，再保持24小时。最后，水位应高出试件30mm，并保持24小时。取出试件，将其表面水分擦干后，测量其质量变化。吸水率技术公式为:
(1)
式中，W为吸水率，G为试件干燥后的重量，以千克为单位，B为试件饱水以后的重量，以千克为单位。
表1 原材料各成分的质量分数(%)
Table 1 Weight percentage of each component in the raw materials(%)
|
Chemical composition |
SiO2 |
Al2O3 |
CaO |
Fe2O3 |
MgO |
SO3 |
K2O |
Na2O |
LOI |
|
Cement |
20.85 |
4.44 |
63.52 |
3.32 |
2.85 |
2.21 |
0 |
0.61 |
2.01 |
|
Sludge |
58.92 |
18.71 |
6.21 |
7.14 |
3.68 |
0.21 |
2.77 |
1.12 |
0.36 |
1.2.4 孔隙结构测试
为了探究泡沫混凝土不同位置的孔隙率，将尺寸为100mm×100mm×100mm的试块进行了切片，获得4块厚度为25mm的试块。取中间两块进行编号，并将其按顺序置于干燥箱内烘干48小时，对截面进行拍照。每种配合比有两块试块，三种断面，利用图像分析软件image J进行图片分析。其中25、50、75表示切片距离试块底部的距离分别为25mm、50mm、75mm。
1.2.5 TOPSIS多目标优化分析
TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution)方法是一种多准则决策分析方法，它通过比较各个方案与理想解和负理想解的距离来进行排序。TOPSIS方法的基本思想是选择一个最接近理想解且最远离负理想解的方案。本文使用的具体操作步骤如下[14-15]。
首先根据实验数据构建决策矩阵，并将决策矩阵向量
归一化:
(2)
接着根据各指标的重要性赋予不同的权重
本文根据熵权法构建加权标准化决策矩阵
(3)
随后确定理想解和负理想解，并根据分别计算每个方案与理想解
和负理想解
的欧氏距离:
(4)
(5)
最终计算各方案相对理想解的接近度
根据对各方案进行排序，值越大，方案越优。
(6)
2 配合比设计
配合比如表2所示，其中淤泥掺量为10%~30%，水灰比为0.5，过氧化氢掺量为胶凝材料质量分数的4%，硬脂酸钠掺量为胶凝材料质量分数的0.15%。淤泥活化方式根据球磨(Ball milling)和煅烧(Calcination)分为三种，分别为仅一次球磨(B)，球磨后仅煅烧(BC)，两磨一烧(BCB)。其中B1，B2，B3分别代表淤泥掺量为10%，20%，30%，BC、BCB同理。
表2 配合比设计(%)
Table 2 Mix design(%)
|
Cement |
Sludge |
Water |
H2O2 |
Sodium Stearate |
|
90 |
10 |
50 |
4 |
0.15 |
|
80 |
20 |
50 |
4 |
0.15 |
|
70 |
30 |
50 |
4 |
0.15 |
3 结果与讨论
3.1 抗压强度
对比相同活化方式下，不同淤泥掺量下的抗压强度，可以发现随着淤泥掺量的增加，抗压强度降低。但随着淤泥活化方式由仅球磨(B)变为“两磨一烧”(BCB)，这种下降幅度逐渐降低。这是由于其火山灰活性提升，抗压强度随之提高，能够更好地取代水泥。在相同淤泥掺量、不同活化方式的情况下，高温煅烧大幅提升了淤泥改性泡沫混凝土的抗压强度，球磨同样对抗压强度有所提高，同时随着淤泥掺量增加，球磨的提升效果越明显。这是由于球磨能够提升淤泥颗粒的比表面积，促进水化产物沉淀的成核位点的形成，同时由于淤泥和水泥颗粒大小不同，能够更好地发挥级配效应。同时，参与反应的淤泥颗粒比表面积提升加速了早期反应的速率，进而提升泡沫混凝土的抗压强度[16,17]。
3.2 吸水率
如图2所示，淤泥改性泡沫混凝土的吸水率主要在32%~37%之间，变化幅度较小。随着淤泥掺量的增加和活化方式的简化，其吸水率呈升高趋势。可以看到经过“两磨一烧”的BCB组吸水率几乎不随淤泥掺量增加变化，而省去最后一步球磨的BC组吸水率明显升高。这是由于球磨打散了一部分烧结导致的成块淤泥，使得淤泥的颗粒更加圆润均匀，能够更好地发生反应，减少了大孔的形成，进而提升了吸水率。而未经煅烧的淤泥中部分碳酸盐与过氧化氢发生氧化反应，使得气泡生成更剧烈，增加了气孔的数量和大小，同样提升了吸水率[18]。
图1 抗压强度测试结果
Fig.1 Experimental results of compressive strength testing
图2 吸水率测试结果
Fig.2 Experimental results of water absorption testing
3.3 孔隙结构
本文通过Image J分析了泡沫混凝土内部孔隙率的变化，其孔隙率测试结果如图3所示，Image J处理后图片如图4所示。孔隙率测试结果与抗压强度和吸水率趋势相符，即更多的淤泥掺量和更简易的活化方式会导致孔隙率的增加。观察不同高度的孔隙率变化，可以发现除淤泥掺量在10%的试块，其余试块孔隙率由大到小排序一般为距离试块底部50mm、75mm、25mm。但在淤泥掺量为10%的试块中，无论何种活化方式，50mm处的孔隙率都会发生骤降至最低。在一般情况下，底部由于重力作用，可能导致气泡被挤压孔隙率较低。同时上部由于气泡密度较低上升发生逸散会损失一部分孔隙率，而中心处由于处于二者之间，其孔隙率较大。由于骤降现象并不受活化方式影响，仅发生在10%淤泥掺量情况下，推测可能是淤泥和水泥混合不均，同时二者在接触过氧化氢时发泡的速率和程度不同，导致浆体中心处生产气体较少[19,20]。
图3 孔隙率测试结果
Fig.3 Experimental results of porosity testing
图4 Image J处理
Fig.4 Image J processing
表3 测试结果数据
Table 3 Test result data
|
Number |
Compressive strength(MPa) |
water absorption(%) |
Porosity-25mm(%) |
Porosity-50mm(%) |
Porosity-75mm(%) |
|
B1 |
3.88 |
33.85 |
31.15 |
29.91 |
32.17 |
|
B2 |
3.37 |
35.21 |
31.78 |
35.75 |
34.53 |
|
B3 |
2.895 |
37.65 |
35.54 |
38.56 |
37.13 |
|
BC1 |
4.45 |
32.46 |
30.81 |
27.75 |
29.24 |
|
BC2 |
3.97 |
34.25 |
28.71 |
32.01 |
29.45 |
|
BC3 |
3.53 |
36.35 |
31.01 |
32.92 |
31.59 |
|
BCB1 |
4.57 |
32.29 |
30.5 |
26.35 |
28.03 |
|
BCB2 |
4.13 |
32.51 |
27.45 |
31.42 |
28.3 |
|
BCB3 |
3.86 |
33.71 |
30.25 |
32.54 |
31.37 |
3.4 TOPSIS法多目标优化
采用熵权法进行权重赋值，对不同配合比下的泡沫混凝土进行TOPSIS法多目标优化。其中泡沫混凝土以高强度，多孔隙为正向指标，以高吸水率为负向指标。其中，熵权法计算结果如表4所示，名指标权重如图5所示。将熵权法的权重进行代入，进行评价指标方向处理后，得到如表5所示各个性能的信息熵、信息效用值及权重。
表4 熵权法计算结果
Table 4 Entropy weighting method calculation results
|
|
Information entropy value |
Information utility value |
Weighting (%) |
|
Compressive Strength |
0.916 |
0.084 |
24.944 |
|
Water absorption test |
0.832 |
0.168 |
49.731 |
|
Porosity |
0.915 |
0.085 |
25.325 |
图5 各指标权重
Fig.5 Weight of each indicator
表5 TOPSIS评价法计算结果
Table 5 TOPSIS evaluation method calculation results
|
Number |
Distance to positive ideal solution |
Distance tonegative ideal solution |
Comprehensive score index |
Ranking |
|
B1 |
0.543919 |
0.51330818 |
0.48552306 |
6 |
|
B2 |
0.51323847 |
0.53286496 |
0.50938076 |
2 |
|
B3 |
0.70900338 |
0.70520508 |
0.49865709 |
5 |
|
BC1 |
0.6282799 |
0.67714349 |
0.51871561 |
1 |
|
BC2 |
0.61931167 |
0.47401079 |
0.43355077 |
8 |
|
BC3 |
0.64671281 |
0.36308915 |
0.35956471 |
9 |
|
BCB1 |
0.70520508 |
0.70900338 |
0.50134291 |
4 |
|
BCB2 |
0.65747172 |
0.61011786 |
0.48132129 |
7 |
|
BCB3 |
0.52086357 |
0.53038989 |
0.50453093 |
3 |
根据TOPSIS法计算的结果(图6)，最优解为第4种配合比，即10%掺量下，煅烧后不经球磨的淤泥。其中排名二、三的配合比分别为第2和第9种配合比，分别为20%掺量下的仅球磨淤泥(B)和30%掺量下的“两磨一烧”淤泥(BCB)。这表明不同活化方式下的淤泥的最优掺量不同，即经过“两磨一烧”的淤泥能够在保证强度的情况下增加水泥的取代率，而仅球磨的淤泥可以在较低掺量下起到更高掺量下“两磨一烧”淤泥的发泡效果。正因如此，本文将淤泥与发泡混凝土结合，由于淤泥本身的性质，“两磨一烧”的活化会导致其强度上升发泡效果的下降。活化本身需要消耗能源，但活化可以提升淤泥的掺量，而增加淤泥掺量能够减少水泥用量，起到减碳的目的。本文综合考虑了其机械性能和发泡效果，选择合适的活化方式和掺量，最大程度上发挥了淤泥改性泡沫混凝土的性能。
图6 TOPSIS综合评价指标
Fig.6 TOPSIS comprehensive evaluation index
4 结论
本文研究了不同活化方式和掺量下淤泥改性泡沫混凝土的性能，对淤泥改性泡沫混凝土的机械性能和发泡效果进行了探究，主要结论如下:
(1)淤泥改性泡沫混凝土的抗压强度随着淤泥掺量的增加而下降，煅烧相较于球磨对于抗压强度的提升较为明显。淤泥掺量越高，球磨对于抗压强度的提升越明显。
(2)淤泥改性泡沫混凝土的吸水率受掺量影响较小，受活化方式影响较大。这可能与不同活化方式所产生的气孔大小和含量有关。
(3)伴随着活化方式从仅球磨到“两磨一烧”，淤泥改性泡沫混凝土的机械性能得到了提升，但发泡效果发生了下降。在本文中，10%煅烧后不经球磨的淤泥平衡了淤泥对强度和孔隙的影响，获得了最佳的综合性能。
利益冲突: 作者声明无利益冲突。
[①] *通讯作者 Corresponding author:杨佳澎，Aatrox_Y4396@163.com
收稿日期:2024-07-18; 录用日期:2024-08-09; 发表日期:2024-09-28
基金项目:天津市自然科学基金资助项目(21JCZDJC00410;22JCYBJC00620)
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Research on the Performance of Foam Concrete with Different Sludge Contents and Activation Methods
(School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)
Abstract: Sludge, a type of urban solid waste, is commonly used as an auxiliary cementitious material due to its inherent volcanic ash activity. Furthermore, hydrogen peroxide can react with certain components in the sludge, such as carbonates, solidifying the sludge while generating gas, which can act as a foaming agent in foam concrete. This study explores the performance of sludge-modified foam concrete under different activation methods and sludge content. The compressive strength, water absorption, and porosity of the modified sludge foam concrete are evaluated, and the TOPSIS method is employed for assessment to determine the appropriate sludge content and activation method. The experimental results indicate that increasing the sludge content and simplifying the activation method result in decreased compressive strength but improved foaming effect of the modified sludge foam concrete. Calcination has a significant impact on compressive strength, while grinding has a more pronounced effect on water absorption. Taking into account compressive strength, water absorption, and foaming effect, this study concludes that sludge with a 10% content, subjected to a single calcination process, can maximize the performance of the modified sludge foam concrete.
Keywords: Foam concrete, sludge activation, hydrogen peroxide, TOPSIS, porosity
Citation: YANG Jiapeng, LI Zhipeng. Research on the performance of foam concrete with different sludge contents and activation methods[J]. Engineering Materials and Structures 2024, 3(3): 38-45.