采石场污泥废弃物作为结构混凝土完整细-粗轻骨料系统的资源化利用

《Journal of the American Ceramic Society》：Valorization of Quarry Sludge Waste as a Complete Fine-to-Coarse Lightweight Aggregate System for Structural Concrete

　　

采石场污泥的积累与天然骨料的持续需求构成了快速城市化地区相互关联的环境管理挑战。本研究考察了来自伊斯坦布尔两个地区（标记为GM和CA）的细粒采石场污泥废弃物作为结构轻混凝土完整骨料来源的资源化利用。通过X射线荧光光谱（XRF）、X射线衍射（XRD）和激光衍射对废弃物进行了表征，仅用水进行造粒，并通过在1150°C下膨胀或在1120°C下烧结进行热处理。破碎强度筛选导致排除了大于8 mm的颗粒，并开发了一种0–8 mm骨料系统，将烧结粗颗粒与破碎分级细颗粒相结合。该系统实现了天然细骨料和粗骨料的完全替代。所得GM和CA混凝土的吸水率分别为8.0 ± 0.1%和11.2 ± 0.1%。其28天体积密度分别为1756 ± 5和1704 ± 21 kg/m³，抗压强度分别达到31.35 ± 3.47和26.49 ± 1.41 MPa。两种骨料系统的14天ASTM C1260膨胀率均低于0.03%。扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDX）观察进一步揭示了致密的界面过渡区（ITZ），水泥浆体部分渗透进入表面可及的骨料孔隙中。这些发现证明了将采石场污泥作为完整细-粗骨料资源进行管理的技术可行路径，支持废弃物分流并减少对原生骨料的依赖，且在造粒过程中无需使用化学添加剂。

**研究背景与问题**

快速城市化的大都市地区对混凝土需求的持续增长加剧了对天然骨料资源的压力，并增加了采石活动带来的环境负担。这一问题在伊斯坦布尔尤为突出：人口增长、持续的基础设施建设和城市改造项目对建筑骨料形成了持续需求；同时，该城市位于主要地震带，脆弱建筑存量的替换进一步增加了对可靠且可持续骨料供应的需求。然而，供应伊斯坦布尔的大多数骨料采石场靠近人口稠密的居民区，使得开采活动日益困难、环境敏感且受到社会制约。在碎石生产过程中，尤其是洗砂和压滤操作，会产生大量细粒废弃物——即采石场污泥或压滤废弃物，其颗粒一般小于100 μm，经济价值有限。据报告，伊斯坦布尔欧洲侧Cendere地区的一座砂岩骨料采石场每年从约100万吨碎砂加工中产生约10万吨洗砂污泥。考虑到该地区多个采石场开采类似岩性，区域采石场污泥废弃物的总产生量可能更高。这些废弃物的堆积占用储存区域、干扰采石作业，并可能因风力扩散和雨水输送至周边居民区而引发环境问题。

天然骨料资源的枯竭和采石的环境负担推动了混凝土生产中替代性和人工骨料的发展。其中，膨胀黏土骨料和由工业副产品（特别是粉煤灰）生产的轻骨料在结构和非结构轻混凝土应用中受到了广泛关注。膨胀黏土骨料传统上由选定的富黏土或沸石原料经高温热处理制备。根据原料的化学和矿物学特征，膨胀可能在烧制过程中自然发生，而在某些情况下需加入煤粉、SiC、MnO₂或氧源等气体释放或辅助添加剂以促进膨胀。因此，轻骨料的生产通常依赖于合适原料的可用性以及在热处理过程中气体释放与黏性相形成之间达到适当平衡。除天然黏土外，多项研究探索了利用废弃物衍生材料生产轻骨料，包括污水污泥、采矿和工业废弃物、洗砂污泥与粉煤灰、水处理污泥等。此类废弃物的适用性强烈取决于其化学组成、矿物相组合、粒度分布和热行为。在某些情况下，可能需要成分调整或辅助添加剂以促进充分膨胀或获得具有合适物理力学性能的骨料。这使得采石场污泥废弃物的资源化利用尤为重要，因为这些材料并非精选的天然黏土矿床，而是骨料生产过程中产生的细粒副产品。

人工骨料生产的另一重要方法是冷粘结法，即将废弃物材料与水泥或碱性粘结剂（如NaOH、Na₂SiO₃或H₃BO₃）在倾斜旋转滚筒中造粒。粉煤灰通常作为这些骨料的主要前驱体。尽管冷粘结骨料可在相对较低的温度下生产，但其通常表现出高吸水率和相对较低的力学强度。此外，水泥或化学活化剂的使用引入了额外的环境和经济负担。GM地区的采石场废弃物也曾被评估用于添加高炉矿渣或水泥的冷粘结骨料生产。

尽管轻骨料生产已有广泛研究，但其在混凝土混合料中的应用通常遵循保守方法。在大多数研究中，轻骨料主要用作粗骨料，而天然砂保留为细骨料组分以维持混凝土混合料的工作性和力学稳定性。例如，膨胀黏土骨料如LECA通常用于4–12 mm粒径范围，而天然砂仍为细骨料组分。类似地，粉煤灰衍生轻骨料如烧结粉煤灰骨料和结合硅灰的粉煤灰空心微珠通常作为粗骨料替代物引入。在许多情况下，需要化学外加剂、硅灰或其他添加剂来改善所得轻混凝土的力学性能。因此，当前轻混凝土文献表明，废弃物衍生轻骨料通常仅用作粗骨料组分的替代，而天然砂被保留为细骨料组分。因此，使用单一废弃物衍生轻骨料系统替代天然细骨料和粗骨料的可能性在很大程度上尚未被探索。

在此背景下，本研究的新颖性在于仅从采石场污泥开发完整的细-粗轻骨料系统，将无添加剂造粒与混凝土中天然骨料的完全替代相结合。研究使用伊斯坦布尔欧洲侧采石场碎石生产过程中产生的采石场污泥废弃物作为轻骨料生产的唯一原料，不使用化学添加剂、发泡剂或胶凝粘结剂。所得骨料覆盖整个0–8 mm粒径范围，允许完全替代天然砂和粗骨料，同时在所得轻混凝土中实现结构级抗压强度。据此，本研究考察了完全由采石场污泥废弃物生产轻骨料的可行性，并评估其作为结构轻混凝土中完全骨料替代物的性能。该方法引入了一种完全基于废弃物的骨料系统，同时实现采石场污泥废弃物的资源化、减少与骨料生产相关的环境负担，并为伊斯坦布尔正在进行的城市改造所需的建筑材料可持续供应做出贡献。

**关键技术方法**

研究人员从伊斯坦布尔欧洲侧两个采石场区域（?iftalan地区标记为CA，Cendere地区标记为GM）获取采石场污泥废弃物。采用XRF（PANalytical Axios）测定化学组成，XRD（Rigaku MiniFlex，Co Kα辐射）结合Rietveld精修进行定量物相分析，激光衍射（Malvern Mastersizer 3000）测定粒度分布。采用圆盘造粒机仅用水作为粘结剂进行造粒，通过调整圆盘倾角控制粒径分布。热处理采用两种路线：1150°C膨胀3 min和1120°C烧结4 min。热处理后破碎筛分为<0.125 mm、0.125–2 mm、2–4 mm、4–5.6 mm和5.6–8 mm粒径分数。采用Zwick/Roell万能试验机测定颗粒破碎强度。按照ASTM C1260进行加速砂浆棒试验评估碱-硅酸反应（ASR）潜力。混凝土混合料使用CEM I 52.5R水泥（360 kg/m³）和偏高岭土（40 kg/m³），水胶比0.35，骨料以饱和面干（SSD）状态使用。采用氦气比重瓶（AccuPyc II 1340）测定真密度和表观密度。采用SEM-EDX（15 kV，SE2探测器）分析界面过渡区微观结构和化学组成。

**研究结果**

**3.1 污泥废弃物的化学与矿物学特征**

XRF结果表明GM和CA废弃物主要由SiO₂（分别为53.86%和54.12%）组成，其次为大量Al₂O₃（17.95%和17.44%）和Fe₂O₃（7.62%和6.68%），并含有中等水平的MgO、CaO、Na₂O和K₂O。烧失量（LOI）分别为7.12%和7.43%。XRD结果与化学数据一致，主要矿物相为石英、钠长石、斜绿泥石和白云母，方解石为次要组分。根据经典膨胀概念，膨胀需要同时形成足够黏性的熔体并释放可被捕获在熔体中的挥发性物质。本材料中XRD识别的含水层状硅酸盐（主要为白云母和斜绿泥石）以及少量方解石为加热过程中挥发性物质的释放提供了合理的矿物学来源。因此，XRF和XRD结果共同表明两种污泥废弃物含有轻骨料生产所需的主要组成和矿物学特征，无需额外化学添加剂。

**3.2 污泥废弃物的粒度分布**

GM和CA污泥废弃物的中位粒径（d₅₀）分别为11.06 μm和11.56 μm，90%以上颗粒细于60 μm，99%以上低于120 μm。这种细小且均匀的粒度分布有利于造粒，促进均匀成型并增强颗粒间的结合。

**3.3 基于破碎强度的骨料粒径选择**

破碎强度测量表明，随着粒径增大，破碎强度系统性降低。大于8 mm的骨料表现出较低的中位强度值，表明机械可靠性降低。该趋势在两种骨料来源和两种热处理路线中一致。烧结骨料因更致密的外层结构而表现出更高的破碎强度，膨胀骨料因更多孔的内部结构而强度较低。因此，4–8 mm粗骨料组分仅选自烧结骨料，而小于4 mm的组分由膨胀和烧结后过大颗粒（>8 mm）破碎再筛分制得。本研究中烧结4–5.6 mm和5.6–8 mm组分的平均破碎强度分别为11.82和9.14 MPa，表明仅用采石场污泥即可获得与其他污泥基骨料相当的强度水平。

**3.4 混凝土的物理性能**

GM混凝土的真密度为2.45–2.46 g/cm³，表观密度约为2.23 g/cm³。总孔隙率为28.2%–28.6%，其中开孔率占主要部分（21.1%–21.5%），闭孔率仅为7.0%–7.4%。GM混凝土的吸水率为7.9%–8.1%。CA混凝土表现出略高的孔隙率：总孔隙率30.3%–31.7%，开孔率22.5%–23.9%，闭孔率7.7%–7.8%，吸水率11.2%–11.3%。GM混凝土28天体积密度为1750–1759 kg/m³，CA混凝土为1681–1721 kg/m³，均处于结构轻混凝土的密度范围内。CA混凝土较低的体积密度伴随较高的孔隙率和吸水率，表明所测物理性能之间存在一致的关系。

**3.5 碱-硅酸反应**

14天后GM和CA的膨胀率分别约为0.024%和0.027%，远低于ASTM C1260规定的0.10%标准。7至14天之间的有限增长以及狭窄的误差棒表明重复试样间行为一致。这些结果表明两种骨料在加速试验条件下均未产生有害的ASR相关膨胀。

**3.6 微观结构与SEM-EDX结果**

SEM观察显示GM混凝土中界面过渡区（ITZ）致密、连续且整合良好，未观察到明显的微裂纹、脱粘或大的界面孔隙。骨料表面呈现粗糙且不规则的形貌，促进了与周围水泥基体的有效机械互锁。EDX点分析表明从水泥基体到ITZ再到骨料内部存在清晰但渐变的化学过渡，而非突变的组成边界。值得注意的是，在骨料-浆体界面未检测到Ca的急剧贫化；相反，在骨料表面和近表面孔隙中识别出具有中间Ca含量和混合Si-Al化学特征的区域。这种组成连续性表明水泥浆体部分渗透进入表面可及的骨料孔隙，产生局部化学锚固而非骨料核心的广泛渗透。CA骨料混凝土表现出类似的界面形貌，但CA骨料显示出更明显的内部孔隙率，与其较高的吸水率和总孔隙率一致。尽管存在这一差异，ITZ仍保持致密且无可见缺陷。EDX分析显示骨料表面和近表面孔隙中存在与水泥水化产物相关的富Ca区域，Ca含量约为40–67 wt.%。骨料内部以Si-Al-Mg-Fe富集组成为主。两种废弃物的化学组成大体相似，因此性能差异不能仅归因于化学组成，孔隙结构和界面特征也必须考虑。

**3.7 与先前轻骨料混凝土研究的比较**

先前关于结构轻骨料混凝土的研究通常遵循半轻（sand-lightweight）方法，即保留天然砂作为细骨料，轻骨料主要用作粗骨料。对347个结构轻骨料混凝土混合料数据库的分析表明，全轻混凝土的28天抗压强度范围为11–40 MPa，而半轻混凝土为15–57 MPa，表明当细骨料和粗骨料组分均被轻骨料替代时，实现可比力学性能变得更加困难。本研究结果提供了评估细骨料和粗骨料均被采石场污泥衍生轻骨料替代的混凝土的有用基础。在本研究混合料中未掺入天然砂，整个0–8 mm骨料组分均来自热处理采石场污泥。在此条件下，GM基混凝土28天抗压强度达到28.06–34.98 MPa，体积密度为1750–1759 kg/m³；CA基混凝土抗压强度为25.09–27.90 MPa，体积密度为1681–1721 kg/m³。这些结果与结构全轻混凝土的强度和密度范围一致，且高于结构轻混凝土通常采用的最低抗压强度阈值。尽管本研究的抗压强度低于含商业膨胀黏土骨料的优化半轻混凝土，但比较应谨慎解读，因为先前高强度轻混凝土研究在骨料类型、骨料替代策略、混合料优化和商业轻骨料使用方面与本工作不同。所得强度和密度值表明，采石场污泥衍生轻骨料在全骨料替代方案下可提供结构级轻混凝土性能，支持将采石场污泥作为完整骨料来源而非仅作为部分替代材料的资源化利用潜力。

**讨论与结论**

研究人员成功将GM和CA采石场污泥废弃物转化为完整的0–8 mm轻骨料系统，无需化学添加剂或外部发泡剂，实现了混凝土中天然细骨料和粗骨料的完全替代。烧结产生的颗粒比膨胀更强，破碎强度随粒径增大而降低的趋势支持选择8 mm最大骨料粒径。两种骨料系统均生产出具有结构级抗压强度的轻混凝土：GM混凝土28天抗压强度为28.06–34.98 MPa，体积密度为1750–1759 kg/m³；CA混凝土为25.09–27.90 MPa，体积密度为1681–1721 kg/m³。两种系统中开孔率均超过闭孔率，GM混凝土表现出较低的吸水率（7.9%–8.1%）相比CA混凝土（11.2%–11.3%）。两种骨料系统在加速砂浆棒试验中膨胀率均低于0.10%，表明在试验条件下具有低ASR潜力。SEM-EDX观察显示连续的骨料-浆体界面以及浆体渗透进入表面可及孔隙的证据，与机械互锁一致。这些发现证明了使用采石场污泥作为完整轻骨料系统唯一原料的可行性，减少了对天然骨料的依赖。结论指出，仍需进一步研究长期耐久性和生产规模化。