發(fā)布時間：2020-06-03 08:44

【摘要】：大規(guī)模的城市基礎(chǔ)設(shè)施造成了砂石、水泥等資源巨大的消耗;同時對舊混凝土建筑物和工程結(jié)構(gòu)的拆除改造,廢棄混凝土的堆放量將逐年增多。為緩解水泥混凝土原材料資源日益緊缺的狀況,解決急劇增加的廢棄混凝土所引起的一系列環(huán)境、社會問題,迫切需要對廢棄混凝土進行建材化再生利用。本文針對廢棄混凝土資源化再生利用需求,按照建筑垃圾處理“減量化、重復使用、循環(huán)再生”的3R(Reduce,Reuse,Recycle)的原則展開實驗研究。首先開展廢棄混凝土全組分的分離研究,實現(xiàn)粗細集料與硬化水泥石相微細粉的高效分離;然后著重分析再生粗集料混凝土界面過渡區(qū)特有的雙界面特性以及再生細集料內(nèi)養(yǎng)護對混凝土抗收縮性能的影響;最后重點進行硬化水泥石相膠凝性再生試驗研究,即制備新型復合再生膠凝材料。從工作性能、力學性能、流變性能等角度,深入的研究分析再生膠凝材料的水化硬化特性,并揭示其內(nèi)在機理,從而實現(xiàn)廢棄混凝土全組分的建材化再生利用。在以下幾個方面做了探索性和創(chuàng)新性的工作:(1)再生粗集料砂漿剝離和界面過渡區(qū)雙界面結(jié)構(gòu)研究研發(fā)了一種錐盤式廢棄混凝土再生粗集料砂漿剝離裝置,能夠充分去除廢棄混凝土再生粗集料表面所附著的硬化砂漿,提高其表觀密度,降低其吸水率和孔隙率,使其性能接近于天然集料。并從細微觀角度研究了再生粗集料混凝土過渡區(qū)特有的雙界面結(jié)構(gòu)(新拌漿體-舊水泥石界面,舊水泥石-原生集料界面顯微結(jié)構(gòu)),對比普通集料混凝土的界面過渡區(qū),分析探討了雙界面結(jié)構(gòu)特性影響再生混凝土宏觀強度的原因。研究結(jié)果表明,舊水泥石-原生集料界面是舊水泥砂漿與集料長期機械咬合作用產(chǎn)生的界面,兩者之間形成了緊密的粘結(jié)作用。新拌漿體-舊水泥石界面中舊水泥石已參與了水泥水化過程,表面活性較高,與新拌漿體接觸的表面上存在化學作用。因此,新拌漿體-舊水泥石界面為新水泥石與舊水泥石的水化產(chǎn)物通過化學作用后形成的界面,且在界面處形成了比機械咬合力作用更強的化學粘結(jié)。通過在界面過渡區(qū)形成以化學作用為主的雙界面結(jié)構(gòu),強化了再生集料混凝土的界面過渡區(qū)。(2)再生細集料內(nèi)養(yǎng)護對混凝土抗收縮性能的影響利用再生細集料孔隙率高、吸水性大的特點,將其作為混凝土的內(nèi)養(yǎng)護劑,研究了再生細集料摻量對混凝土力學性能和抗收縮性能的影響,并通過與常用混凝土內(nèi)養(yǎng)護劑-高吸水樹脂配制的混凝土的力學性能、抗收縮性能比較,分析了再生細集料內(nèi)養(yǎng)護的特點和優(yōu)勢。研究結(jié)果表明,隨著再生細集料摻量的增加,混凝土的早期力學性能明顯提升,不存在高吸水樹脂內(nèi)養(yǎng)護混凝土早期強度降低的負影響。但再生細集料摻量過高時,對混凝土的后期強度有一定的影響。再生細集料內(nèi)養(yǎng)護區(qū)域隨著其摻量的增加逐漸增大,使得混凝土的自收縮大幅降低。與高吸水樹脂相比,再生細集料的粒徑范圍更廣,在內(nèi)養(yǎng)護效果的層次上要明顯多于后者;分散性更好,對混凝土的內(nèi)養(yǎng)護效果更均勻且不易受水泥漿體離子濃度的影響。(3)復合再生膠凝材料的組成設(shè)計與水化機理研究從當前脫水水泥石(DCP)膠凝體系性能的不足入手,進行了脫水水泥石-礦渣復合再生膠凝材料(DCRCM)的組成設(shè)計,并對復合再生膠凝材料的力學性能、水化進程和微觀形貌進行了研究,同時對復合再生膠凝材料的水化硬化機理進行了深入的分析。根據(jù)復合再生膠凝材料宏觀性能的變化,驗證了復合再生膠凝材料在組成設(shè)計上的合理性。研究結(jié)果表明,利用礦渣的微球磨效應(yīng),克服了脫水水泥石單獨粉磨時出現(xiàn)的“粘球粘磨”、“微團聚”等問題。同時,礦渣的微集料效應(yīng)使得在復合再生膠凝材料膠凝體系形成了有效的密實骨架網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),對整個膠凝體系起到足夠的支撐作用,制備出高力學性能的復合再生膠凝材料,解決了脫水水泥石反應(yīng)活性較高但質(zhì)地松軟,使得膠凝體系中不能形成有效的骨架支撐,無法達到高強膠凝材料的使用要求的難題。(4)緩凝劑對復合再生膠凝材料早期水化的調(diào)控機理研究研究了不同緩凝劑(石膏、檸檬酸鈉、葡萄糖酸鈉和硼砂)對復合再生膠凝材料凝結(jié)時間、抗壓強度的影響,確定緩凝效果與力學性能兩方面綜合性能最佳的緩凝劑;并通過水化熱和掃描電鏡分析,研究了不同摻量的、綜合效果最佳的緩凝劑對復合再生膠凝材料的水化硬化特性的影響,揭示其對于復合再生膠凝材料早期水化過程和初始結(jié)構(gòu)形成的影響機理。研究結(jié)果表明,不同的緩凝劑對復合再生膠凝材料的緩凝效果差異較大:檸檬酸鈉、石膏的對復合再生膠凝材料的緩凝效果較差,葡萄糖酸鈉的緩凝效果較好,但早期強度較低。硼砂緩凝作用較為明顯,能夠有效抑制復合再生膠凝材料初期水化速率,凝結(jié)時間和工作性能大幅提高。同時硼砂對復合再生膠凝材料的早期硬化過程有較大的加速作用,促進了其力早期強度的較快建立和發(fā)展,且對后期強度有較大的增進作用。硼砂的緩凝機理是硼砂水解產(chǎn)生的硼酸鹽與復合再生膠凝材料水解產(chǎn)物反應(yīng)產(chǎn)生絡(luò)合物膜層和硼酸鈣的包裹層,有效的阻止了水分進入到膠凝材料顆粒的內(nèi)部,并通過改變漿體初始的離子濃度以及生成硼砂鈣,有效的抑制了Ca(OH)2的結(jié)晶析出,延長了復合再生膠凝材料的凝結(jié)過程。(5)復合再生膠凝材料的流變性能研究通過對復合再生膠凝材料流變性能的測試研究,探索了緩凝劑硼砂對復合再生膠凝材料漿體的屈服應(yīng)力、塑性粘度的影響,揭示其作用機理。研究了提高復合再生膠凝材料流變性能的方法,旨在更好地從流變學角度對復合再生膠凝材料在砂漿、混凝土的配合比進行優(yōu)化設(shè)計。研究結(jié)果表明,減水劑或硼砂單摻幾乎對新拌復合再生膠凝材料漿體流動性能的沒有提升作用;而兩者復摻可大幅提高新拌復合再生膠凝材料漿體流動性能。隨著硼砂摻量的增加,復合再生膠凝材料漿體的膠凝顆粒分散越均勻,顆粒之間的作用力大大減小,屈服應(yīng)力大幅降低,漿體的流變性能極大提高;相同剪切速率下硼砂質(zhì)量分數(shù)越大,復合再生膠凝材料漿體的屈服應(yīng)力越小。硼砂參與生成的絡(luò)合物膜層和硼酸鈣的包裹層,減少了膠凝體系中的絮狀結(jié)構(gòu),使膠凝材料顆粒均勻分散在漿體中,顆粒之間的作用力大大減小,屈服應(yīng)力越小,相應(yīng)的塑性粘度也越低,是硼砂改善復合再生膠凝材料漿體流變性能的根本原因。
【圖文】：

混凝土的三個研究尺度Figure1-1Threestudyscalesforconcrete

[112-118]，進而影響脫水后生成的脫水水泥石膠凝體系的性能（見圖1-2）。隨著煅燒溫度的升高，水泥石相中的水分不斷脫除。煅燒溫度小于400℃時，水泥石相的體積變化不明顯，但由于吸附水和層間水的脫出，水泥石相的孔隙率開始增大。當煅燒溫度在500-700℃范圍時，水泥石相由于Ca(OH)2和C-S-H凝膠結(jié)合水的脫除，體積出現(xiàn)小幅降低，出現(xiàn)結(jié)晶不完全的礦物相。煅燒溫度繼續(xù)升高，水泥石相出現(xiàn)輕微的燒結(jié)現(xiàn)象，體積變化明顯。煅燒后生成的DCP的顆粒疏松多孔，，這就使得DCP遇水后的水化反應(yīng)可在膠凝顆粒原始周界的兩側(cè)同時進行
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TU526;X799.1

【參考文獻】

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本文編號：2694577