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                再生胶凝材料应用研究进展

                作者:www.bitpakkit.com 更新时间:2019/1/20 11:06:42

                水泥作为混凝土主要的胶凝材料,能够胶结沙、石通过养护形成混凝土。水泥是混凝土中经济成本最高,能源和资源消耗最大,对环境危害最大的部分[1]。每生产1 t水泥熟料需要消耗0.08 t石膏,0.3 t粘土,1.2 t石灰石以及大量的燃料和电能。同时向大气排放0.81 t CO2、0.86 kg SOx、1.75 kg NOx和30 kg粉尘[2-3]。我国已经连续多年温室气体排放总量位居世界第一,仅2011年约有63亿吨碳排放量,其中水泥行业碳排放量占碳排放总量的15%[4]。我国于2015年加入巴黎协定,并向世界承诺2030年CO2的排放量为35%~40%[5]。而我国在将来很长一段时间内仍然难以有效减少CO2的排放量[6]。另外,2014年我国水泥产量约为25亿吨,占全球水泥产量的60%,连续29年水泥产量位居世界第一[7]。每年我国需要大量的石灰石用于水泥生产,仅2011年我国水泥生产消耗的石灰石约为16亿吨。除此之外,石灰石在冶金和医药等其他行业消耗量也十分巨大[8]。我国探明的石灰石储量为500亿~700亿吨[9]。石灰石属于不可再生资源,如果按目前的开采量计算,可利用的石灰石资源只能维持20余年[10-11]。因此,再生胶凝材料的研究和应用能减少水泥产量,使更多建筑垃圾再次利用,从而更有利于节约资源,;せ肪,顺应我国的可持续发展道路。国内外对于再生胶凝材料已开展了一定研究,由于不同集料种类的加入,各类再生胶凝材料的制备工艺、设备和性能有所差别,本文在大量文献对比分析的基础上,对再生胶凝材料的力学性能、活性、流动性、抗碳化性、抗渗性、抗冻性、制备加水量等进行了系统深入的总结,同时,针对再生胶凝材料发展过程中出现的制备工艺发展滞后,设备有待更新改进,性能研究不够深入,缺少应用标准和技术规范等问题提出解决对策,以推动再生胶凝材料的理论研究和工程领域的实践应用。

                1 再生胶凝材料的性能

                再生胶凝材料能够解决自然资源消耗和建筑垃圾污染的问题,目前我国专家学者对再生胶凝材料的研究主要针对其力学性能、活性、流动性、抗碳化性、抗渗性、抗冻性、制备等问题也开展了部分研究。

                1.1 再生胶凝材料的力学性能

                郑芳宇[12]将废弃混凝土中的水泥石相在1 350 ℃的温度下煅烧成水泥熟料,并将水泥熟料磨成粉末与5%的二水石膏均匀混合制成再生水泥试件,对试件进行了物理性能测试。发现再生水泥与原始水泥的强度增长趋势和力学性能没有太大差别。马纯涛等[13]用不同掺量的废弃混凝土微粉对水泥砂浆的强度影响进行研究,发现当废弃混凝土微粉掺量小于10%时会在一定程度上促进水泥砂浆强度的增长。当废弃混凝土微粉掺量大于10%,水泥砂浆的力学性能有下降趋势,当废弃混凝土微粉掺量大于50%,砂浆的工作性能极差。孙岩[14]往再生水泥微粉中加入不同比例的碳酸钠、石膏粉、粉煤灰、石灰粉和减水剂来提高再生水泥微粉砂浆的抗压强度,发现当碳酸钠掺量为0.6%、石膏粉掺量为0.6%、粉煤灰掺量为15%、石灰粉掺量为10%、减水剂掺量为0.5%时,再生水泥微粉砂浆抗压强度达到最大值。刘小艳,高志楼等对掺再生微粉的混凝土的早期抗裂性进行了研究,发现再生微粉可以改善混凝土的早期开裂和收缩,效果随着微粉细度的增加而增加[15-17]。陈伟[18]发现一种聚合氯化铝外加剂,聚合氯化铝的加入能增加界面处胶凝材料的水化程度,增加水化产物的数量,减少砂与水泥浆粘结界面的空隙。从而提高了RCM激发矿粉再生胶凝材料的力学性能。李琴[19]发现相较于其他养护温度,20 ℃养护碱激发再生微粉砂浆的抗压强度较高,孔隙率较低。彭春元等[20]发现C30混凝土劈裂强度和抗折强度随着再生胶凝材料掺量的增加而小幅衰减,C40混凝土劈裂强度和抗折强度随着再生胶凝材料掺量的增加变化不大。

                1.2 再生胶凝材料的活性

                吴中伟[21]研究表明,当水灰比为0.35时,混凝土水泥石相中未水化的水泥颗粒占总水泥石相的理论比例为16.2%。在实际工程中的未水化水泥颗粒所占比例会比理论值高出很多;并且混凝土等级越高,未水化的水泥颗粒所占比例越高,未水化的水泥颗粒遇水会重新具备胶凝性能。Alonso[22]和Mueller[23]对已水化水泥颗粒中的CH,C-S-H,单硫型硫铝酸钙等水化产物通过高温进行处理,发现这些水化产物经过处理重新具有再水化的胶凝性能。Kurdowski[24]通过无规则形状的Ca(OH)2和SiO2做为原材料制取出C-S-H,并通过高温对C-S-H进行处理,得到了具有水化能力的C2S。潘国耀[25]对水化硅酸钙脱水相进行了水化热分析,发现水化硅酸钙脱水相具备再水化的胶凝性。Guerrero[26]在水热条件下利用粉煤灰和CaO反应制备出水化铝酸钙和水化硅酸钙,并将水化铝酸钙和水化硅酸钙在700 ℃~900 ℃的温度下进行煅烧,发现产物具有较强的水化胶凝性。钟白茜[27]和杨南如[28]详细研究了C-S-H脱水形成β-C2S的过程。其中发现CH在450 ℃左右分解为CaO,然后遇水重新水化生成Ca(OH)2。单硫型硫铝酸钙等铝相物质受热脱水也会生成具有再次水化能力的产物,比如C12A7等。邓洋[29]通过试验发现用碱和盐进行复合激发对废弃混凝土胶凝材料的活性有明显的提高。杨琳[30]提出了再生混凝土微粉的最佳活化方法和提高掺合料活性指数效果的顺序,其最佳活化方法为:将再生混凝土细骨料初级研磨,然后过0.15 mm筛,使用球磨机研磨60 min,马弗炉中750 ℃煅烧2 h;为提高掺合料的活性指数,与再生混凝土微粉混合制备复合掺合料,复合效果顺序依次为:再生玻璃微粉>凹凸棒石粘土>纳米SiO2>再生粘土砖微粉。

                1.3 再生胶凝材料的水化作用和流动性

                孟姗姗[31]用废弃混凝土的胶凝组分作为水泥原料进行煅烧,研究了熟料煅烧,水泥粉磨,水泥水化的作用机理。易超[32]用不同取代率的废弃混凝土微粉制成再生胶砂,发现随着废弃混凝土微粉取代率的增加,再生胶砂的流动程度先减小后增加。取代率为20%和100%分别为再生胶砂流动程度的最低点和最高点。赵计辉[33]利用转炉热焖钢渣制备了复合胶凝材料,并对材料的水化作用等性能进行了深入的研究,研究表明钢渣粉对复合水泥的填充效应随粒径的减小而增强,钢渣粉的掺量和粒径均对复合水泥的化学作用和水化程度有一定的影响,其规律表现为复合水泥的化学作用和水化程度随钢渣粉掺量的增加而增强,化学作用随钢渣粉粒径的减小而增强。强卫等[34]发现在保持制品蒸养、蒸压强度不变,并用低流动性混凝土和易性的情况下,增大聚羧酸减水剂的掺量,可以相应减少胶凝材料用量,降低混凝土的生产成本。陈瑾祥[35]基于可压缩堆积模型建立了胶凝材料颗粒间隙指数BSF和用水量富余指数W来反映拌合用水填充混合料空隙后的富余程度和胶凝材料颗粒与骨料颗粒的紧密程度,水量富余指数与流动性的贡献呈反比关系,胶凝材料颗粒间隙指数越大,则水化形成的结构更加致密。

                1.4 再生胶凝材料的抗碳化性

                肖建庄等[36]研究了国内外大量的再生胶凝材料文献,提出再生混凝土抗碳化性能可能低于同水灰比的普通混凝土,而同强度等级的再生混凝土与普通混凝土的抗碳化性能可能较接近。Otsuki等[37]通过试验证明了随水灰比的增加,再生胶凝材料的碳化深度不断增大,且采用二次搅拌工艺也可提高再生胶凝材料的抗碳化性能。孙丽蕊[38]发现混凝土的抗碳化性随着再生混凝土微粉的增加而逐渐降低。吕雪源[39]对混凝土碳化深度进行了定量研究,发现再生混凝土微粉产量低于30%时,28 d时的混凝土碳化深度不超过1 mm,120 d时的混凝土碳化深度不超过2 mm。王忠星等[40]研究了再生粗骨料强化处理方式对胶凝材料抗碳化性能的影响,发现胶凝材料的抗碳化性能随颗粒整形次数的增加而增强,并逐渐接近天然骨料制备的普通混凝土的抗碳化性能;再生粗骨料颗粒整形的次数一定,经过有机硅烷浸渍会进一步增强胶凝材料的抗碳化性能,并且三类颗粒整形有机硅烷浸渍的再生粗骨料混凝土抗碳化性能均高于天然骨料制备的普通混凝土的抗碳化性能。

                1.5 再生胶凝材料的抗渗抗冻性

                吕雪源等[41]用不同掺量的废弃混凝土微粉对水泥砂浆的抗渗性进行研究,发现当混凝土微粉掺量为10%时,在一定程度上可以提高水泥砂浆的抗渗性能;当混凝土微粉掺量大于30%时,水泥砂浆的抗渗性能显著下降。李建勇[42]通过试验发现掺有再生微粉的C30混凝土抗冻能力降低,但可以达到F250的标准。Gokce等[43]对再生混凝土试块进行冻融试验,发现原始混凝土是否引气对再生混凝土的抗冻性能有着很大影响,其中,由非引气混凝土破碎而成的再生粗集料配制的再生混凝土引气后, 其抗冻性能明显低于普通混凝土,而由引气混凝土破碎而成的再生粗集料配制的再生混凝土的抗冻性能则优于普通混凝土。刘发明等[44]通过改变胶凝材料中的粉煤灰和再生粗骨料的取代率研究其抗冻性,发现再生混凝土在受到冻融破坏时,粉煤灰能起到一定的改善作用;再生粗骨料的取代率主要影响再生混凝土的质量损失率、抗压强度损失率和相对动弹性模量下降率。王晨霞等[45]对胶凝材料在不同冻融循环次数下的抗压强度和质量损失率进行了研究,建立了考虑再生粗骨料取代率、粉煤灰掺量因素的冻融循环作用下胶凝材料抗压强度指数衰减规律预测模型,研究发现再生粗骨料取代率对试块的抗冻性影响高于粉煤灰掺量。刘天奇[46]以建筑废弃混凝土制作的再生混凝土砌块为研究对象,进行了冻融循环试验,发现粉煤灰掺量在15%~25%时,抗压强度随粉煤灰掺量的增加而增强,再生粗骨料掺量在35%~55%时,抗冻性随再生粗骨料的增加而减弱。

                1.6 制备再生胶凝材料的需水量

                孙岩[47]对再生混凝土微粉粒径与球磨时间的关系进行了研究,发现球磨时间150 min后,微粉在0.075 mm的通过率为78%,能够达到规范要求;时间继续增长,球磨效率会降低,导致成本增加。华天星[48]对废弃混凝土中硬化水泥石相制备再生胶凝材料过程中需水量大,产物中含有较多的f-CaO的问题进行深入研究,发现用部分高活性硅质原料取代部分水泥石粉,加入适量水进行水化,之后将其放入烘箱烘干,最后将混合料放入600 ℃~750 ℃温度下煅烧2 h,采用此方法制备的再生胶凝材料中f-CaO较低,具有水化胶凝性能的β-C2S含量较高,从而很好的解决了再生胶凝材料生产过程中需水量大的问题。彭春元[49]通过试验发现再生胶凝材料的需水量,活性指数,流动程度满足GB/T1596-2005中关于用二级粉煤灰制备混凝土的相关要求。刘凤利[50]发现陶瓷的棱角粒型能增强骨料之间的咬合摩擦力,提高强度,将废陶瓷用于胶凝材料的制备,并通过将陶瓷再生骨料与特细砂有效级配的方法,解决了陶瓷再生骨料因多孔性,需水量多的问题。王金邦[51]利用废弃的可循环混凝土制备了再生水泥,发现废弃混凝土再生胶凝材料的抗渗性能影响因素主要有水灰比、粉煤灰、硅灰,当水灰比与设计强度等级相同时,再生胶凝材料的抗渗性比普通混凝土的抗渗性能强,水灰比降低时,再生胶凝材料的抗渗性增强,当添加粉煤灰、硅灰时,可提高再生胶凝材料的抗渗性,最佳掺量分别为30%、15%。

                2 再生胶凝材料在应用中存在的问题

                2.1 再生胶凝材料制备工艺落后

                废弃混凝土中的胶凝材料重新处理后具有水化胶凝的潜质,利用废弃混凝土的微粉制备再生胶凝材料在技术上是可行的。不同废弃混凝土因成分不同而具有不同活性,再生混凝土微粉的活化有机械化,复合化和热处理三种方式。对于具有一定活性的废弃混凝土胶凝材料,可直接采用机械化处理把材料球磨到一定细度进行利用。而对于活性较低的废弃混凝土胶凝材料,除了球磨到一定细度之外,还要采用复合化处理(采用活性矿渣和粉煤灰等与再生微粉进行不同比例复合利用),或者采用热处理(对再生微粉进行不同工艺的加热处理)来提高再生胶凝材料的活性。而目前没有一个明确的废弃混凝土胶凝材料活性分类的界定,且缺少系统的制备工艺体系,能够根据废弃混凝土的活性,选定最优的处理方法及相关参数,从而有效提升再生胶凝材料制备效率和质量。

                2.2 再生胶凝材料生产设备有待更新

                目前,日本小野田水泥公司研发的标准淤渣回收系统,能将废弃物淤泥通过连续式离心分离机脱水分离后得到淤渣和水,并加入外加剂来保持其活性[52]。韩国的利福姆系统,能先将建筑垃圾中混凝土和钢筋分离,再将水泥成分和骨料分离,提取水泥成分。在已提取的水泥成分中添加特殊反应物质,经过700 ℃的煅烧生产再生水泥[53]。整体来看,目前再生水泥加工系统由于智能化较低,兼容性较差,并不能实现对不同废弃混凝土制定不同的制备方案,所以回收系统的应用由于材料来源不同所受局限性较大,导致转化率较低。例如利福姆系统生产再生水泥的转化率为30%,平均1 t废弃胶凝能生产0.3 t再生水泥。而且该系统只能对不含或含有少量掺合料的废弃混凝土加工生产再生水泥,但当废弃混凝土中含有大量粉煤灰、硅灰、矿渣等一些掺合料时,该系统生产的再生胶凝材料活性较低,拌合的混凝土不能达到工程的要求。此外,骨料与胶凝材料的高效分离技术也有待于提高[54-55]。

                2.3 再生胶凝材料的性能研究有待深入

                目前国内外大部分研究主要集中在再生胶凝材料的力学性能方面,而活性、流动性、抗碳化性、抗渗性、抗冻性等其他相关性能的研究报道较少。再生胶凝材料的性能是解释其作用机理及应用范围的关键所在,因此需要对再生胶凝材料混凝土的活性、流动性、抗碳化性、抗渗抗冻性、稳定性、耐久性等性能全面深入地开展研究,以满足研究和应用要求。

                2.4 再生胶凝材料应用标准和技术规范有待完善

                德国和苏联在二战之后率先尝试从废弃混凝土中得到再生骨料,拉开了再生骨料混凝土研究的序幕[56]。再生骨料的研究经过几十年的发展已经十分成熟,在许多国家的实际工程中应用广泛。比如美国、加拿大、日本等国家在工程中充分利用再生骨料混凝土作回填材料和路基材料,甚至在建筑结构材料中使用再生骨料混凝土[57-58]。各国也相继制定了相关技术规程和技术标准。日本是亚洲最早制定废弃混凝土再生骨料相关规定的国家。日本在2005、2006、2007年分别制定了高、低、中品质的再生骨料混凝土国家标准。即:《混凝土用再生骨料H》(JIS A 5021),《使用再生骨料L的混凝土》(JIS A 5023)和《使用再生骨料M的混凝土》(JIS A 5022)。在日本之后,韩国的交通部和环境部分别制定了《建筑废弃物再利用要领》《再生骨料最大值数以及杂志含量限定》,对废弃混凝土的不同用途,废弃混凝土骨料的粒径,杂质含量进行了详细的界定。丹麦、德国、荷兰、美国等一些欧美国家也都很早制定了再生骨料混凝土的技术规范,标准和应用范围[59]。我国于2011年制定了《再生骨料应用技术规程》(JGJ/T240-2011),再生胶凝材料仍缺少相应的应用标准和技术规范等相关准则。

                3 再生胶凝材料应用的展望

                结合国内外再生胶凝材料的研究成果和我国发展实际,针对存在的问题,为再生胶凝材料今后的研究发展方向提出建议,具有一定的现实意义。

                3.1 优化再生胶凝材料制备工艺

                不同胶凝材料具有不同的成分和含量,以废弃混凝土胶凝材料为例,不同种类的废弃混凝土的处理方式不同,对于某种废弃混凝土胶凝材料的处理方式可能是单一或者是多种的。综合考虑经济、环保、高效和快捷,构建不同废弃混凝土再生胶凝材料最佳制备工艺体系,提出明确的废弃混凝土胶凝材料活性分类的界定,为不同活性的废弃混凝土胶凝材料选定对应的制备方法,并根据制备方法给定合理的关键技术参数,例如,机械处理中的球磨时间,复合处理中的活性材料的比例,热处理中的温度等。优化再生胶凝材料最佳制备工艺,构建再生胶凝材料最佳制备工艺体系,能为再生胶凝材料生产、加工及应用提供技术保障。

                3.2 改进再生胶凝材料生产设备

                不同再生胶凝材料最佳制备工艺的研究成熟以后,用于其生产的设备系统也要及时更新。再生胶凝材料生产系统要高效的分离,收集骨料和再生微粉。同时要兼容不同的活化处理方式,能够对再生微粉进行单一或复合处理。从而高效地利用不同废弃混凝土,大量、快速、一体化地生产符合工程要求的再生胶凝材料。再生胶凝材料生产的一体化机械设备是再生胶凝材料广泛运用的核心。

                3.3 深入研究再生胶凝材料的性能

                再生胶凝材料混凝土的宏观性能与作用机理、影响因素有着紧密的联系。对再生胶凝材料混凝土活性、流动性、抗碳化性、抗渗抗冻性、稳定性、耐久性等性能全面深入的开展研究,应从宏观和微观相结合入手,将再生胶凝材料和普通混凝土进行相关性能的对比研究,对现有的模型参数进行修正或者建立新的模型,并详细分析差异性产生的机理。为今后再生胶凝材料在实际工程中的应用提供理论依据。

                3.4 完善再生胶凝材料的技术规范

                随着再生胶凝材料研究和发展日趋成熟,再生胶凝材料相关的技术规程,技术标准和应用范围趋于完善。在研究分析国内外再生胶凝材料应用标准规范现状的基础上,从再生胶凝材料的研发、生产、应用等各方主体对标准规范的实际需要出发,制定相关准则,技术规程,技术标准和应用范围,为再生胶凝材料在工程中得到广泛推广和应用提供重要依据。

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