废弃混凝土全组分建材化再生利用的关键技术研究

发布时间：2020-06-03 08:44

【摘要】：大规模的城市基础设施造成了砂石、水泥等资源巨大的消耗;同时对旧混凝土建筑物和工程结构的拆除改造,废弃混凝土的堆放量将逐年增多。为缓解水泥混凝土原材料资源日益紧缺的状况,解决急剧增加的废弃混凝土所引起的一系列环境、社会问题,迫切需要对废弃混凝土进行建材化再生利用。本文针对废弃混凝土资源化再生利用需求,按照建筑垃圾处理“减量化、重复使用、循环再生”的3R(Reduce,Reuse,Recycle)的原则展开实验研究。首先开展废弃混凝土全组分的分离研究,实现粗细集料与硬化水泥石相微细粉的高效分离;然后着重分析再生粗集料混凝土界面过渡区特有的双界面特性以及再生细集料内养护对混凝土抗收缩性能的影响;最后重点进行硬化水泥石相胶凝性再生试验研究,即制备新型复合再生胶凝材料。从工作性能、力学性能、流变性能等角度,深入的研究分析再生胶凝材料的水化硬化特性,并揭示其内在机理,从而实现废弃混凝土全组分的建材化再生利用。在以下几个方面做了探索性和创新性的工作:(1)再生粗集料砂浆剥离和界面过渡区双界面结构研究研发了一种锥盘式废弃混凝土再生粗集料砂浆剥离装置,能够充分去除废弃混凝土再生粗集料表面所附着的硬化砂浆,提高其表观密度,降低其吸水率和孔隙率,使其性能接近于天然集料。并从细微观角度研究了再生粗集料混凝土过渡区特有的双界面结构(新拌浆体-旧水泥石界面,旧水泥石-原生集料界面显微结构),对比普通集料混凝土的界面过渡区,分析探讨了双界面结构特性影响再生混凝土宏观强度的原因。研究结果表明,旧水泥石-原生集料界面是旧水泥砂浆与集料长期机械咬合作用产生的界面,两者之间形成了紧密的粘结作用。新拌浆体-旧水泥石界面中旧水泥石已参与了水泥水化过程,表面活性较高,与新拌浆体接触的表面上存在化学作用。因此,新拌浆体-旧水泥石界面为新水泥石与旧水泥石的水化产物通过化学作用后形成的界面,且在界面处形成了比机械咬合力作用更强的化学粘结。通过在界面过渡区形成以化学作用为主的双界面结构,强化了再生集料混凝土的界面过渡区。(2)再生细集料内养护对混凝土抗收缩性能的影响利用再生细集料孔隙率高、吸水性大的特点,将其作为混凝土的内养护剂,研究了再生细集料掺量对混凝土力学性能和抗收缩性能的影响,并通过与常用混凝土内养护剂-高吸水树脂配制的混凝土的力学性能、抗收缩性能比较,分析了再生细集料内养护的特点和优势。研究结果表明,随着再生细集料掺量的增加,混凝土的早期力学性能明显提升,不存在高吸水树脂内养护混凝土早期强度降低的负影响。但再生细集料掺量过高时,对混凝土的后期强度有一定的影响。再生细集料内养护区域随着其掺量的增加逐渐增大,使得混凝土的自收缩大幅降低。与高吸水树脂相比,再生细集料的粒径范围更广,在内养护效果的层次上要明显多于后者;分散性更好,对混凝土的内养护效果更均匀且不易受水泥浆体离子浓度的影响。(3)复合再生胶凝材料的组成设计与水化机理研究从当前脱水水泥石(DCP)胶凝体系性能的不足入手,进行了脱水水泥石-矿渣复合再生胶凝材料(DCRCM)的组成设计,并对复合再生胶凝材料的力学性能、水化进程和微观形貌进行了研究,同时对复合再生胶凝材料的水化硬化机理进行了深入的分析。根据复合再生胶凝材料宏观性能的变化,验证了复合再生胶凝材料在组成设计上的合理性。研究结果表明,利用矿渣的微球磨效应,克服了脱水水泥石单独粉磨时出现的“粘球粘磨”、“微团聚”等问题。同时,矿渣的微集料效应使得在复合再生胶凝材料胶凝体系形成了有效的密实骨架网络结构,对整个胶凝体系起到足够的支撑作用,制备出高力学性能的复合再生胶凝材料,解决了脱水水泥石反应活性较高但质地松软,使得胶凝体系中不能形成有效的骨架支撑,无法达到高强胶凝材料的使用要求的难题。(4)缓凝剂对复合再生胶凝材料早期水化的调控机理研究研究了不同缓凝剂(石膏、柠檬酸钠、葡萄糖酸钠和硼砂)对复合再生胶凝材料凝结时间、抗压强度的影响,确定缓凝效果与力学性能两方面综合性能最佳的缓凝剂;并通过水化热和扫描电镜分析,研究了不同掺量的、综合效果最佳的缓凝剂对复合再生胶凝材料的水化硬化特性的影响,揭示其对于复合再生胶凝材料早期水化过程和初始结构形成的影响机理。研究结果表明,不同的缓凝剂对复合再生胶凝材料的缓凝效果差异较大:柠檬酸钠、石膏的对复合再生胶凝材料的缓凝效果较差,葡萄糖酸钠的缓凝效果较好,但早期强度较低。硼砂缓凝作用较为明显,能够有效抑制复合再生胶凝材料初期水化速率,凝结时间和工作性能大幅提高。同时硼砂对复合再生胶凝材料的早期硬化过程有较大的加速作用,促进了其力早期强度的较快建立和发展,且对后期强度有较大的增进作用。硼砂的缓凝机理是硼砂水解产生的硼酸盐与复合再生胶凝材料水解产物反应产生络合物膜层和硼酸钙的包裹层,有效的阻止了水分进入到胶凝材料颗粒的内部,并通过改变浆体初始的离子浓度以及生成硼砂钙,有效的抑制了Ca(OH)2的结晶析出,延长了复合再生胶凝材料的凝结过程。(5)复合再生胶凝材料的流变性能研究通过对复合再生胶凝材料流变性能的测试研究,探索了缓凝剂硼砂对复合再生胶凝材料浆体的屈服应力、塑性粘度的影响,揭示其作用机理。研究了提高复合再生胶凝材料流变性能的方法,旨在更好地从流变学角度对复合再生胶凝材料在砂浆、混凝土的配合比进行优化设计。研究结果表明,减水剂或硼砂单掺几乎对新拌复合再生胶凝材料浆体流动性能的没有提升作用;而两者复掺可大幅提高新拌复合再生胶凝材料浆体流动性能。随着硼砂掺量的增加,复合再生胶凝材料浆体的胶凝颗粒分散越均匀,颗粒之间的作用力大大减小,屈服应力大幅降低,浆体的流变性能极大提高;相同剪切速率下硼砂质量分数越大,复合再生胶凝材料浆体的屈服应力越小。硼砂参与生成的络合物膜层和硼酸钙的包裹层,减少了胶凝体系中的絮状结构,使胶凝材料颗粒均匀分散在浆体中,颗粒之间的作用力大大减小,屈服应力越小,相应的塑性粘度也越低,是硼砂改善复合再生胶凝材料浆体流变性能的根本原因。
【图文】：

研究尺度

混凝土的三个研究尺度Figure1-1Threestudyscalesforconcrete

体积变化,泥石,煅烧过程,中水

[112-118]，进而影响脱水后生成的脱水水泥石胶凝体系的性能（见图1-2）。随着煅烧温度的升高，水泥石相中的水分不断脱除。煅烧温度小于400℃时，水泥石相的体积变化不明显，但由于吸附水和层间水的脱出，水泥石相的孔隙率开始增大。当煅烧温度在500-700℃范围时，水泥石相由于Ca(OH)2和C-S-H凝胶结合水的脱除，体积出现小幅降低，出现结晶不完全的矿物相。煅烧温度继续升高，水泥石相出现轻微的烧结现象，体积变化明显。煅烧后生成的DCP的颗粒疏松多孔，，这就使得DCP遇水后的水化反应可在胶凝颗粒原始周界的两侧同时进行
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU526;X799.1

【参考文献】