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建筑用绿色环保胶凝材料研制及性能评价

2024-08-24 68 上传者：管理员

摘要：为提高工业固体废弃物的利用率，降低建筑行业中水泥的使用量，以废弃泡沫混凝土、钢渣和矿渣为原料，研制出了适合建筑混凝土用的绿色环保型胶凝材料。以材料的流动度和抗压强度为评价指标，考察了废弃泡沫混凝土、钢渣和矿渣的掺量对绿色胶凝材料性能的影响。实验结果表明，随着废弃泡沫混凝土掺量的逐渐增大，绿色胶凝材料的流动度和养护不同龄期的抗压强度均逐渐减小；随着钢渣掺量的逐渐增大，绿色胶凝材料的流动度先减小后增大，抗压强度逐渐减小；随着矿渣掺量的逐渐增大，绿色胶凝材料的流动度先增大后减小，抗压强度逐渐减小。其中废弃泡沫混凝土对绿色胶凝材料的流动度和抗压强度的影响相对较大，而钢渣和矿渣的影响则相对较小。推荐绿色环保胶凝材料中废弃泡沫混凝土的掺量为20%，钢渣的掺量为15%，矿渣的掺量为30%，水泥的掺量为35%。绿色环保胶凝材料的使用能够大幅降低建筑材料中水泥的使用量。

关键词：
力学性能
工作性能
掺量
混凝土
绿色胶凝材料
钢渣和矿渣
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随着我国经济社会的高速发展和工业化进程的不断加快，工业固体废弃物的排放量也在不断增大，其中水泥和混凝土等建筑材料的大量使用不仅带来了大量的资源消耗，相应的也产生了大量的水泥混凝土类固体废弃物[1-3]。水泥作为建筑行业最常用的一种胶凝材料，其使用量通常较大，据有关统计数据显示，我国的水泥年产量连续多年占据世界第一的位置，水泥的生产制造产生了大量的CO2排放，严重阻碍了我国实现“碳达峰”和“碳中和”目标的进程[4-7]。因此，使用各种工业固体废弃物研究更加绿色低碳环保的胶凝材料，在推动工业固体废弃物资源化利用的同时，也可以尽可能的降低建筑行业中水泥的使用量，有助于实现我国高质量发展的目标。目前，我国主要的工业固体废弃物种类主要包括高炉矿渣、煤矸石、煤渣、钢渣、尾矿、脱硫石膏以及各种有色金属渣等，工业固体废弃物的总量超过了600亿t，并且每年还在以30亿t左右的速度持续增加[8-11]。另一方面，我国的工业固体废弃物综合利用率相对还较低（仅为50%左右），工业固体废弃物的大量存放不仅会占用大量的土地资源，还可能对周边生态环境造成严重的污染威胁。建筑行业需要消耗大量的混凝土材料，具备消耗大量工业固体废弃物的潜能，近年来，已不断有学者开展了工业固体废弃物制备胶凝材料来代替水泥的相关研究，也取得了一定的研究成果和经验[12-15]。工业固体废弃物制备的胶凝材料降低了混凝土中水泥的使用量，从而降低了碳排放量，减少了环境污染风险，并节约了大量的生产成本。因此，本文以废弃泡沫混凝土、钢渣和矿渣为研究对象，通过将其进行处理和掺量优化，研制出了适合应用于建筑混凝土中的绿色环保胶凝材料，并对其工作性能和力学性能进行了评价，为我国工业固体废弃物的高效利用提供了一定的参考。

1、实验部分

1.1主要材料及仪器

实验用绿色环保胶凝材料由废弃泡沫混凝土、钢渣和矿渣复合而成；实验用废弃泡沫混凝土、钢渣，均经过破碎、筛分、粉磨以及化学改性处理制备而成（其中化学改性剂为Na2SO4）；实验用矿渣为灵寿县云石矿产品加工厂生产的S95级矿渣粉；水泥（P.I.42.5水泥基3d和28d的抗压强度分别为28.2MPa和59.6MPa，北京北创华宇科技有限公司）。

YH-40B型标准恒温恒湿养护箱（河北中仪伟创试验仪器有限公司）；NJ-160型水泥净浆搅拌机（上海魅宇试验仪器有限公司）；NLD-5型水泥胶砂流动度测定仪（沧州鸿浩杰科建筑仪器有限公司）；HDW-5型微机控制万能试验机（济南恒旭试验机技术有限公司）。

1.2实验方法

1.2.1工作性能测定方法

参照国家标准GB/T8077-2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》中的“水泥净浆流动度”部分规定，以流动度为评价指标，测定绿色环保胶凝材料中废弃泡沫混凝土、钢渣和矿渣掺量对工作性能的影响。

1.2.2力学性能测定方法

参照国家标准GB/T17671-2021《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》中的规定，以抗压强度为评价指标，使用不同绿色环保胶凝材料制备试件，然后将其在标准条件下养护不同龄期后，使用万能试验机测定其力学性能。

2、结果与讨论

2.1废弃泡沫混凝土掺量优化结果

固定水泥的掺量为50%（质量分数，下同），水胶比设计为0.55，胶砂比设计为1∶3，考察废弃泡沫混凝土掺量对绿色环保胶凝材料工作性能和力学性能的影响，具体的实验配合比见表1。

表1废弃泡沫混凝土掺量优化实验配合比

2.1.1工作性能

按照1.2.1中的实验方法和表1中的配合比，考察废弃泡沫混凝土掺量对绿色环保胶凝材料流动度的影响，结果见图1。

图1废弃泡沫混凝土掺量对流动度的影响

由图1可见，随着废弃泡沫混凝土掺量的逐渐增大，绿色环保胶凝材料的流动度呈现出逐渐减小的趋势。当废弃泡沫混凝土的掺量由10%增大至50%时，绿色环保胶凝材料的流动度可由145mm减小至116mm，降低幅度达到20%。这是由于废弃泡沫混凝土的比表面积相对较大，同时其内部的孔隙含量也相对较多，在砂浆的制备过程中需水量较多，因此，导致绿色环保胶凝材料的流动度有所降低。而当废弃泡沫混凝土的掺量为20%时，绿色环保胶凝材料的流动度仍能达到138mm，与10%掺量时相比流动度仅降低了4.8%，降低幅度较小。

2.1.2力学性能

按照1.2.2中的实验方法和表1中的配合比，考察废弃泡沫混凝土掺量对绿色环保胶凝材料抗压强度的影响，结果见图2。

图2废弃泡沫混凝土掺量对抗压强度的影响

由图2可见，随着废弃泡沫混凝土掺量的逐渐增大，绿色环保胶凝材料制备的砂浆试件抗压强度（3d和28d）均呈现出逐渐降低的趋势。当废弃泡沫混凝土的掺量由10%增大至50%时，试件养护3d后的抗压强度值可由12.1MPa降低至8.5MPa，降低幅度达到了29.8%；养护28d后的抗压强度值则可由30.8MPa降低至16.3MPa，降低幅度达到了47.1%，降低幅度更大。这是由于废弃泡沫混凝土的粒径较小、比表面积较大，使其更加容易填充到砂浆试件内部结构中，但其惰性较强；并且当废弃泡沫混凝土的掺量较高时，矿渣和钢渣等活性较高的物质含量相应就会减少，导致水化产物的生成量降低，影响材料的强度。因此，从材料的强度角度考虑，应尽可能的降低废弃泡沫混凝土的掺量，但从提高固废物质的利用率以及降低材料成本等角度出发，应适当提高废弃泡沫混凝土的掺量。当废弃泡沫混凝土的掺量为20%时，试件养护3d和28d后的抗压强度值分别为11.5MPa和28.7MPa，与10%掺量时相比抗压强度分别降低了5.0%和6.8%，降低的幅度并不大。因此，结合2.1.1中的实验结果，推荐绿色环保胶凝材料中废弃泡沫混凝土的掺量为20%。

2.2钢渣掺量优化结果

固定水泥的掺量为50%，废弃泡沫混凝土的加量为20%，水胶比设计为0.55，胶砂比设计为1∶3，考察钢渣掺量对绿色环保胶凝材料工作性能和力学性能的影响，具体的实验配合比见表2。

表2钢渣掺量优化实验配合比

2.2.1工作性能

按照1.2.1中的实验方法和表2中的配合比，考察钢渣掺量对绿色环保胶凝材料流动度的影响，结果见图3。

图3钢渣掺量对流动度的影响

由图3可见，随着钢渣掺量的逐渐增大，绿色环保胶凝材料的流动度呈现出“先减小后增大”的趋势。当钢渣的掺量在5%～20%之间时，绿色环保胶凝材料的流动度变化范围在135～143mm之间，变化幅度比较小。这说明钢渣的掺入对绿色环保胶凝材料流动度的影响相对较小。

2.2.2力学性能

按照1.2.2中的实验方法和表2中的配合比，考察钢渣掺量对绿色环保胶凝材料抗压强度的影响，结果见图4。

图4钢渣掺量对抗压强度的影响

由图4可见，随着钢渣掺量的逐渐增大，绿色环保胶凝材料制备的砂浆试件抗压强度（3d和28d）均呈现出逐渐降低的趋势，这与2.1.2中废弃泡沫混凝土对抗压强度的影响实验结果趋势基本相似。当钢渣的掺量由5%增大至25%时，试件养护3d后的抗压强度值可由12.8MPa降低至8.7MPa，降低幅度达32.0%；养护28d后的抗压强度值则由30.8MPa降低至24.9MPa，降低幅度为19.2%。这说明钢渣掺量的增大对材料的早期强度影响较大，而对后期强度的影响相对较小。这是由于在材料的水化后期，钢渣的水化反应会产生较多的Ca2+，创造出一定的碱性环境，从而使矿渣更易水化，两者发生良好的协同增效作用。从实验结果还可以看出，钢渣掺量较高时对材料的强度影响程度较大，而当其掺量较低时（15%以内），其对材料强度的影响相对较小。因此，结合2.2.1中的实验结果，推荐绿色环保胶凝材料中钢渣的掺量为15%。

2.3矿渣掺量优化结果

固定废弃泡沫混凝土的加量为20%，钢渣的掺量为15%，水胶比设计为0.55，胶砂比设计为1∶3，考察矿渣掺量对绿色环保胶凝材料工作性能和力学性能的影响，其中具体的实验配合比见表3。

表3矿渣掺量优化实验配合比

2.3.1工作性能

按照1.2.1中的实验方法和表3中的配合比，考察矿渣掺量对绿色环保胶凝材料流动度的影响，结果见图5。

图5矿渣掺量对流动度的影响

Fig.5 Effect of slag content on fluidity

由图5可见，随着矿渣掺量的逐渐增大，绿色环保胶凝材料的流动度呈现出“先增大后减小”的趋势。当矿渣的掺量在10%～40%之间时，绿色环保胶凝材料的流动度变化范围在132～146mm之间，变化幅度比较小。而当矿渣的掺量达到50%时，绿色环保胶凝材料的流动度明显降低，仅为120mm。这说明当矿渣的掺量过大时会对绿色环保胶凝材料的流动度产生不利影响，而掺量在10%～40%时，对材料流动度的影响相对较小。

2.3.2力学性能

按照1.2.1中的实验方法和表3中的配合比，考察矿渣掺量对绿色环保胶凝材料抗压强度的影响，结果见图6。

图6矿渣掺量对抗压强度的影响

由图6可见，随着矿渣掺量的逐渐增大，绿色环保胶凝材料制备的砂浆试件抗压强度（3d和28d）均呈现出逐渐降低的趋势，这与2.1.2中废弃泡沫混凝土和2.2.2中钢渣掺量对抗压强度的影响实验结果趋势基本相似。当矿渣的掺量由10%增大至50%时，试件养护3d后的抗压强度值可由12.3MPa降低至8.1MPa，降低幅度达34.1%；养护28d后的抗压强度值则可由31.6MPa降低至25.6MPa，降低幅度为19.0%。可以看出矿渣掺量的增大与钢渣掺量的增大对材料抗压强度的影响趋势基本相似，这是由于和水泥相比，矿渣的活性相对较低，当固定废弃泡沫混凝土和钢渣的掺量时，矿渣掺量增大，会相应的减少水泥的用量，从而导致材料的抗压强度有所降低。但当矿渣的掺量为30%时，试件养护3d和28d后的抗压强度值分别为11.3MPa和29.3MPa，与10%掺量时相比抗压强度分别降低了8.1%和7.3%，降低的幅度并不大。因此，结合2.3.1中的实验结果，并综合考虑固废物质的利用率和经济等因素，推荐绿色环保胶凝材料中矿渣的掺量为30%。

3、结论

(1）采用废弃泡沫混凝土、钢渣和矿渣复合制备出一种绿色环保胶凝材料，其能够替代混凝土中的部分水泥。其中废弃泡沫混凝土的掺量对材料的工作性能影响相对较大，而钢渣和矿渣的掺量对工作性能的影响相对较小。废弃泡沫混凝土、钢渣和矿渣的掺量越大，砂浆试件养护3d和28d的抗压强度相对就越小。

(2）绿色环保胶凝材料中废弃泡沫混凝土的掺量为20%，钢渣的掺量为15%，矿渣的掺量为30%，水泥的掺量为35%。胶凝材料中固废物质的掺量达到了65%，提高了固废的利用率，有助于实现低碳环保的目标。

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