掺入稻壳灰和干燥油污泥的沙丘砂混凝土的力学性能、耐久性和微观结构

《Journal of Composites Science》：Mechanical Performance, Durability, and Microstructure of Dune-Sand Concrete Incorporating Rice Husk Ash and Dried Oil Sludge

　　

研究人员评估了使用当地沙丘砂、稻壳灰（RHA）和干燥油污泥生产的可持续沙丘砂混凝土。实验方案包括一个对照混合物（C0）和三个改性混合物（M1–M3）。RHA以20、40和60 kg/m³的含量部分替代波特兰水泥，而干燥油污泥分别以10、15和20 kg/m³的含量作为废物衍生添加剂引入。总胶凝材料含量（定义为波特兰水泥加RHA）保持在350 kg/m³，拌合水含量和水胶比分别恒定在185 kg/m³和0.53。RHA在800 °C下热处理60分钟，立即在水中淬冷，随后在105 ± 5 °C下干燥至恒重。在所研究的配合比中，M2（含有310 kg/m³波特兰水泥、690 kg/m³沙丘砂、1110 kg/m³碎石、40 kg/m³ RHA和15 kg/m³干燥油污泥）表现出最均衡的整体性能。其抗压强度在7天、28天和90天分别达到27.8 MPa、42.5 MPa和47.7 MPa，静弹性模量为32.7 GPa。M2还显示出最低的吸水率（3.63%）、该研究系列中最高的水密性等级（W10）以及最大的冻融循环次数（223次）。光学显微镜和X射线衍射（XRD）观察表明，改性混凝土中基质更连续，且几个氢氧化钙（portlandite）峰的相对强度降低。对于重复性试验的性能，混合物组成具有统计学显著影响（p < 0.001）。由于RHA和干燥油污泥同时变化，结果代表它们的联合效应。因此，M2被确定为当前有限试验系列中最均衡的配合比，而非普遍最优解。

**研究背景、问题与意义**
在干旱地区，传统骨料的质量和可用性常限制耐久性混凝土的生产。当地沙丘砂储量丰富，但其细粒度和圆颗粒形态使其难以作为唯一细骨料使用。为改善堆积密度和降低渗透性，需将当地原材料与矿物掺合料结合的配合比设计。稻壳灰（RHA）是一种富含无定形二氧化硅的矿物掺合料，在受控燃烧条件下可发挥火山灰活性，细化孔结构并提升强度。然而，RHA的掺量存在最佳范围：中等掺量可改善强度和抗渗性，但过量会增大需水量并稀释熟料组分。油污泥是石油工业残留物，需经预处理后方可应用。少量干燥或热处理后的油污泥已被研究用于水泥基材料，但需关注其残留烃、化学稳定性及长期行为。目前，在沙丘砂结构混凝土中同时使用干燥油污泥和RHA的研究尚属空白，尤其是污泥掺量、RHA火山灰活性、强度发展、耐久性及污染物固定化之间的关联尚未系统建立。因此，本研究旨在评估不同RHA和干燥油污泥掺量下沙丘砂混凝土的力学性能、耐久性和微观结构，以确定进一步发展的合理配合比。该论文发表在《Journal of Composites Science》。

**关键技术与方法**
本研究采用当地沙丘砂（来自哈萨克斯坦克孜勒奥尔达州Belkul地区，粒径0.16–0.315 mm为主，细度模数0.7–1.3）和碎石（Zhanakorgan矿床，粒径5–20 mm）。RHA经800 °C热处理60分钟、水淬后干燥至恒重；油污泥在105 ± 5 °C下干燥至恒重。试验包括对照C0（无掺合料）和M1–M3（RHA掺量20、40、60 kg/m³，油污泥掺量10、15、20 kg/m³），总胶凝材料350 kg/m³，水胶比0.53。主要方法：坍落度试验（GOST 10181-2014）测定工作性；抗压强度（GOST 10180-2012，100 mm立方体，龄期3–90天）；四点弯曲抗拉强度（GOST 10180-2012，100×100×400 mm棱柱体，28天）；吸水率（GOST 12730.3-2020）；水密性（湿斑法，GOST 12730.5-2018，W2–W12等级）；冻融循环（GOST 10060-2012，–18 °C冻结/20 °C水融）；静弹性模量（GOST 24452-2023，棱柱体，100×100×400 mm）；光学显微镜（×50倍）和X射线衍射（XRD，CuKα辐射，2θ 10–70°）进行微观结构分析。采用单因素方差分析（ANOVA）和Tukey HSD检验进行统计比较（α=0.05）。

**研究结果**
**3.1 工作性与平均密度**：C0坍落度为60 mm（P2级），M1和M2降至40 mm（P1级），M3为50 mm（P2级）。所有混合物均可浇筑密实，无可见离析。C0平均密度为2335.0 kg/m³，改性混合物降至2271.3–2286.3 kg/m³，M2最轻（降低约2.7%）。ANOVA表明混合物组成对密度有显著影响（F=29.51，p=1.12×10^–4），Tukey检验显示C0显著高于M1–M3，但M1–M3间无显著差异。
**3.2 抗压强度发展**：所有混合物强度随龄期增长。3天时，C0为13.8 MPa，M1–M3为20.5–21.3 MPa（提高48.6–54.3%）。7天时，C0为18.4 MPa，M1–M3为27.1–27.8 MPa（提高47.3–51.1%），M2最高（27.8 MPa）。28天时，C0为32.4 MPa，M1–M3为40.0–42.5 MPa（提高23.6–31.2%），M2最高（42.5 MPa）。90天时，C0为37.9 MPa，M1–M3为46.7–47.7 MPa（提高23.3–25.9%），M2最高（47.7 MPa）。ANOVA显示各龄期混合物组成对抗压强度有显著影响（p<0.001），Tukey检验将C0与所有改性混合物分开，M1–M3在3天和7天时无显著差异，28天时两两显著，90天时又归为一组。
**3.3 抗弯拉强度**：28天时，C0为4.39 MPa，M1–M3为5.00–5.07 MPa（提高14.0–15.5%），M2最高（5.07 MPa）。ANOVA显著（F=353.03，p=7.75×10^–9），Tukey检验将C0与改性混合物分开，但M1–M3间无显著差异。
**3.4 吸水率与水密性**：C0吸水率为4.80%，M1–M3为3.63–3.70%，M2最低（3.63%，降低24.3%）。水密性等级：C0为W6，M1为W8，M2为W10（最高），M3为W6。吸水率与水密性结果一致，表明M2毛细网络更致密。
**3.5 冻融循环**：C0完成143次循环，M1–M3完成216–223次，M2最高（223次，较C0提高55.9%）。M2与M3仅差2次，但M2结合了最低吸水率与最高循环次数，表明孔结构细化与可能的油污泥拒水效应。
**3.6 静弹性模量**：C0为26.5 GPa，M1–M3为32.0–32.7 GPa（提高20.8–23.4%），M2最高（32.7 GPa）。比模量（弹性模量/密度）从C0的11.35 GPa/(Mg/m³)增至M2的14.40 GPa/(Mg/m³)，表明刚度质量比提升。
**3.7 微观结构分析**：光学显微镜（×50倍）显示，C0基质较不均匀，可见较多孔隙与局部不连续；M1基质更连续；M2基质最均匀，孔分布更均质，骨料-浆体界面更模糊。
**3.8 X射线衍射与相分析**：XRD图谱显示，C0、M1、M2均存在石英（Q）、方解石（C）、氢氧化钙（P）和钙矾石（E）晶相。M1和M2中多个氢氧化钙衍射峰相对强度较C0降低，表明可能发生火山灰反应消耗Ca(OH)₂，但未出现新晶相，油污泥未引入额外晶相。
**3.9 统计分析**：ANOVA证实混合物组成对所有重复性性能（各龄期抗压强度、抗弯拉强度、密度、吸水率）均有显著影响（p<0.001）。Tukey检验一致将C0与改性混合物分开，但M1–M3间部分差异不显著。
**3.10 可持续性与实际意义**：M2中波特兰水泥用量从350 kg/m³降至310 kg/m³（减少11.4%），共利用55 kg/m³二次材料（RHA和油污泥），但需全生命周期评估量化环境效益。
**3.11 局限性**：研究未包含氯离子渗透、硫酸盐侵蚀、碳化、长期尺寸稳定性及环境浸出测试；静态模量无个体数据；新鲜混凝土未测含气量和坍落度损失；RHA无定形二氧化硅含量未定量；微观结构仅限于光学显微镜和定性XRD；重复样本仅3个，统计功效有限。

**讨论与结论**
讨论部分整合了结果：工作性降低归因于RHA的高比表面积细颗粒增加需水量，但所有混合物仍可施工。密度适度降低（2.1–2.7%）伴随强度与刚度显著提升，表明改性混合物形成了更高效的承重基质。早期强度增益（3天提高约50%）主要源于RHA的物理填充和成核效应，而非纯火山灰反应。M2在RHA和油污泥掺量间达到最佳平衡，过高的掺量（M3）导致强度下降。抗弯拉强度虽整体提高，但改性混合物间无显著差异。弹性模量提升20.8–23.4%，比模量提高23.3–26.9%，表明基质刚度效率改善。吸水率降低、水密性提升（W10）和冻融循环增加（223次）共同支持M2毛细网络更致密的机制。微观结构观察和XRD结果一致：更连续的基质和氢氧化钙峰相对强度降低与火山灰反应和填充效应相符。油污泥未单独分离效应，但未损害性能。M2被确定为后续研究的最合理配比，但非普遍最优。

**研究结论**（翻译并总结）：
1. 实验表明，掺入RHA和干燥油污泥可制备沙丘砂结构混凝土，且保持实用稠度（坍落度40–60 mm，P1–P2级），密度降低2.1–2.7%。
2. 改性混凝土在各龄期强度均高于C0。M2（310 kg/m³波特兰水泥，40 kg/m³ RHA，15 kg/m³干燥油污泥）抗压强度最高：3天21.3 MPa，7天27.8 MPa，28天42.5 MPa，90天47.7 MPa，分别较C0提高54.3%、51.1%、31.2%和25.9%。
3. 抗弯拉强度从C0的4.39 MPa增至5.00–5.07 MPa，M2最高（5.07 MPa，提高15.5%），但M1–M3间无统计差异。
4. 静弹性模量从C0的26.5 GPa增至32.0–32.7 GPa（提高20.8–23.4%），M2最高（32.7 GPa），比模量也最大。
5. 水阻力和循环耐久性协同改善：吸水率从4.80%降至3.63–3.70%，M2达3.63%，水密性等级W10，冻融循环223次（较C0提高55.9%），机制与RHA孔细化和油污泥可能拒水效应相关。
6. 光学显微镜显示改性基质更连续均匀；XRD保留石英、方解石、氢氧化钙和钙矾石主晶相，且氢氧化钙峰相对强度降低，与填充和火山灰反应一致，但均为定性观察。
7. 单因素方差分析表明混合物组成对各龄期抗压强度、抗弯拉强度、密度和吸水率均有显著影响（p<0.001），Tukey检验一致将C0与改性混凝土分开，但M1–M3间部分差异不显著。
8. 综合强度、模量、吸水率、水密性和冻融性能，M2是下一步工作的合理配合比，但需生产规模验证、长期暴露测试、氯离子和硫酸盐抗性、碳化、浸出、残余烃表征及全生命周期评估后方可推荐实际应用。