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人造骨料可循环混凝土中界面过渡区结构演变及其对性能的影响

人造骨料可循环混凝土中界面过渡区结构演变及其对性能的影响

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作者：张军华济南大学

学位级别：硕士

采用钢渣等废渣及少量组分调整原料，制备废弃物基人造骨料和矿物组成类似水泥熟料的类熟料组成人造骨料，代替天然砂石配制类熟料组成人造骨料可循环混凝土和废弃物基人造骨料可循环混凝土。两类可循环混凝土废弃后，不需要进行骨料与... 详细信息

采用钢渣等废渣及少量组分调整原料，制备废弃物基人造骨料和矿物组成类似水泥熟料的类熟料组成人造骨料，代替天然砂石配制类熟料组成人造骨料可循环混凝土和废弃物基人造骨料可循环混凝土。两类可循环混凝土废弃后，不需要进行骨料与水泥浆的分离处理，粉磨后添加少量校正原料可直接作为水泥生料，还原再生为水泥，真正实现混凝土的可循环利用。可循环混凝土采用人造骨料配制，人造骨料的组成和性能与天然骨料有着很大的差异，它们与水泥石之间的界面过渡区(ITZ)的组成、结构及其随龄期的演变等，必然与天然骨料与水泥石之间的ITZ有所不同。而ITZ的变化又对混凝土的力学性能有着重要的影响。分别制备了类熟料组成人造骨料可循环混凝土和废弃物基人造骨料可循环混凝土，采用SEM-EDS、XRD、显微硬度计和压力试验机等测试手段，通过对两种可循环混凝土中ITZ的微观形貌、钙硅比、CH晶体取向性、显微硬度和力学性能等测试分析，系统研究了人造骨料可循环混凝土中界面过渡区结构演变及其对性能的影响，取得的主要研究结果与结论如下： 1、可循环混凝土界面过渡区微观结构研究类熟料组成人造骨料的主要矿物为CS、CS、CA、CAF，类似于水泥熟料;与普通混凝土相比，类熟料组成人造骨料可循环混凝土ITZ只有少量的CH定向排列，绝大部分空间被致密的水化产物填充。ITZ内的Ca/Si均值低于普通混凝土;ITZ宽度约为45μm，小于普通混凝土ITZ的50μm;ITZ内CH取向性为1.70小于普通混凝土的2.34;显微硬度值略高于普通混凝土。不同原料配比的废弃物基人造骨料对可循环混凝土ITZ有较大影响，配比为钢渣40%、矿渣40%、煤矸石20%的人造骨料的主要矿物为CS、CS、CA、CF、CaAlO，具有较高的吸水率，表面有一定孔隙，其制成的可循环混凝土的ITZ中钙硅比最小，微观结构相对更好;与普通混凝土相比，废弃物基人造骨料可循环混凝土ITZ孔隙较少、结构致密，Ca/Si均值较小;ITZ宽度约为40μm，小于普通混凝土ITZ的50μm;CH取向性为1.64，小于普通混凝土的2.34;显微硬度明显高于普通混凝土。 2、水灰比对可循环混凝土界面过渡区微观结构的影响类似普通混凝土，水灰比对可循环混凝土界面过渡区结构和性能也有较大影响，水灰比增大会造成可循环混凝土ITZ微观结构变差、性能降低。随水灰比增大，微区泌水效应加剧，并导致人造骨料与水泥石结合处的裂缝宽度增加、人造骨料与水泥石的粘结性降低;同时，ITZ中的孔隙尺寸、孔隙率、Ca/Si值、界面宽度等增加，而显微硬度明显降低。 3、可循环混凝土界面过渡区微观结构演变过程龄期为1d、7d、14d时，可循环混凝土ITZ中孔隙较多、Ca/Si相对较大，ITZ宽度约为60-80μm，龄期为28d时， ITZ结构发展已较为完善，绝大部分空间被致密的水化产物填充，Ca/Si大幅下降，ITZ宽度约为40-50μm;龄期为56d、120d时，Ca/Si变化幅度较小，ITZ趋于稳定，ITZ宽度约为40μm;龄期从1d到28d，CH逐渐生长，取向性增大;28d到120d，随着二次水化的进行，CH取向性逐渐降低。 4、可循环混凝土界面过渡区微观结构对力学性能的影响类熟料组成人造骨料可循环混凝土和废弃物基人造骨料可循环混凝土ITZ结构与普通混凝土相比都有一定程度的改善，ITZ结构的改善对其力学性能有极为有利的影响，与普通混凝土相比，类熟料组成人造骨料可循环混凝土28d抗压强度提高7.4%，废弃物基人造骨料可循环混凝土28d抗压强度提高16.4%。水灰比是影响混凝土抗压强度的最主要因素之一，水灰比增加，导致可循环混凝土界面过渡区钙硅比、CH取向性和界面宽度增加，显微硬度降低。微观性能的降低最终导致可循环混凝土抗压强度的下降。

关键词：人造骨料可循环混凝土界面过渡区微观结构力学性能

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人造骨料可循环混凝土的循环过程与原理

人造骨料可循环混凝土的循环过程与原理

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作者：张志刚济南大学

学位级别：硕士

混凝土是当今用量最大的人造建筑材料，为人类生活带来便利的同时，也给环境带来了巨大的负面影响。混凝土的应用消耗大量砂石资源。而且作为混凝土重要组分的水泥，它的生产会消耗大量石灰石资源。每年的建筑及道路工程的拆除产生大量... 详细信息

混凝土是当今用量最大的人造建筑材料，为人类生活带来便利的同时，也给环境带来了巨大的负面影响。混凝土的应用消耗大量砂石资源。而且作为混凝土重要组分的水泥，它的生产会消耗大量石灰石资源。每年的建筑及道路工程的拆除产生大量的废弃混凝土，它们的排放，不仅侵占了土地面积，破坏了人们的生活环境，同时也造成了巨大的资源浪费。针对这些问题，本文利用石灰石和部分工业废渣制备组成类似水泥熟料的人造骨料，配制可以循环利用的混凝土。这种可循环混凝土减少了对天然骨料的依赖，而且还可以利用工业废料，并且在混凝土建筑废弃以后，可以重新制成水泥熟料。可循环混凝土养护一定龄期后，经过破碎、粉磨，掺加少量或不掺加校正原料，制得再生水泥生料。通过热重–差示扫描量热(TG-DSC)分析与不同温度煅烧样品的XRD分析，研究再生熟料在煅烧过程中不同温度段发生的物理化学变化。测定一定温度再生熟料的烧失量和游离氧化钙，计算形成反应速率常数K和表观活化能Ea，辅以XRD、SEM分析，研究再生熟料煅烧过程的形成动力学。制备再生水泥，并研究其性能。实验的主要结果如下： (1)利用废弃的类熟料骨料可循环混凝土煅烧再生熟料过程中发生的物相变化。主要的物相变化为：150°C左右，钙矾石发生脱水反应;500°C左右，Ca(OH)2分解;800°C左右，CaCO3发生分解;低温阶段(300°C-800°C)，水化硅酸钙凝胶发生脱水反应，并在800°C开始生成CS;在1000°C附近，CAF开始生成;1300°C左右，CS开始生成，CS的形成温度较传统熟料要低;1450°C时，主要的矿物为CS、CS和CAF，并且CS的结晶最好。 (2)利用废弃的废弃物基骨料可循环混凝土煅烧再生熟料过程中发生的物相变化。废弃物基骨料可循环混凝土都不能满足煅烧熟料的率值要求，需加入石灰石，黏土等校正原料。煅烧过程中的主要物相变化为：800°C左右，可循环混凝土和石灰石中的CaCO3发生分解;低温阶段(300°C-800°C)，水化硅酸钙凝胶发生脱水反应，并在800°C附近开始生成CS;1000°C左右，CAF开始生成;1200°C左右，可循环混凝土中一直未水化的CaAlO和CF2消失，推测在此温度附近CaAlO和CF2反应生成C3A、CAF等矿物;1300°C左右，CS开始生成，CS的形成温度较传统熟料要低;1400°C时，主要的矿物为CS、CS和CAF，并且CS的结晶最好。 (3)再生水泥熟料的动力学研究。利用类熟料组成骨料可循环混凝土微粉煅烧再生水泥熟料的反应表观活化能Ea分别为258kJ/mol和333kJ/mol，分别比传统水泥熟料的反应表观活化能Ea下降50.2%和36.71%。利用废弃物基骨料可循环混凝土微粉煅烧再生水泥熟料的反应表观活化能Ea分别为199kJ/mol、146kJ/mol，分别比传统水泥熟料的反应表观活化能Ea下降61.58%和71.81%。再生熟料烧成的优势作用归结为水泥水化产物脱水相的促进作用、水化产物独特的高温热特性以及可循环混凝土微粉中未水化颗粒的晶种作用，促进了熟料的烧结，减小了煅烧难度。 (4)再生水泥的性能研究。配制可循环混凝土的传统水泥的28d抗折强度和抗压强度分别为8.45MPa和52.02MPa。利用类熟料组成骨料可循环混凝土煅烧的再生水泥率值和矿物组成与传统水泥有一定差距，从而再生水泥浆体28d抗折强度和抗压强度分别下降了6.98%、3.91%和9.53%、5.48%。虽然再生水泥的力学性能较原来使用的传统水泥要差一点，但其性能满足42.5普通硅酸盐水泥的性能要求。利用废弃的废弃物基可循环混凝土制备的再生水泥比相同率值的传统水泥，28d抗折强度和抗压强度分别增加15.27、10.65%和13.49%、9.78%。总之，利用石灰石和工业废渣制备两类高性能骨料，代替天然砂石配制混凝土。在可循环混凝土废弃后经过破碎、粉磨，不添加或添加部分校正原料，在通过煅烧处理得到再生熟料，其矿物组成与硅酸盐水泥熟料相近，从而可重新制备水泥混凝土，达到混凝土的可循环利用。在整个过程中，虽然利用废弃物基骨料可循环混凝土煅烧再生熟料需要添加石灰石等校正原料，但是制备的再生熟料比传统熟料性能优异，降低了熟料的煅烧难度。如果说废弃物基骨料可循环混凝土完成了部分完成了混凝土循环利用，那么类熟料组成骨料混凝土是真正的完成了混凝土的循环利用，不仅降低了熟料煅烧的能耗，而且节省了砂石资源，并且充分利用了钢渣等工业废渣，减少了环境污染和资源浪费。

关键词：可循环混凝土再煅烧物相变化形成动力学再生水泥

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废弃物基人造骨料可循环混凝土再煅烧熟料过程中的物相变化

废弃物基人造骨料可循环混凝土再煅烧熟料过程中的物相变化

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中国硅酸盐学会水泥分会第四届学术年会

作者：张志刚周宗辉山东省建筑材料制备与测试技术重点实验室教育部先进建筑材料工程研究中心济南大学材料科学与工程学院

利用煤矸石等工业废渣制备人造骨料,代替天然砂石配制混凝土。制备的可循环混凝土废弃后,可用作煅烧水泥熟料原料,达到混凝土的循环利用。将混凝土在室温养护90d后,进行破碎、粉磨,测定其化学成分,并据此添加适当的校正原料,配合混匀后... 详细信息

利用煤矸石等工业废渣制备人造骨料,代替天然砂石配制混凝土。制备的可循环混凝土废弃后,可用作煅烧水泥熟料原料,达到混凝土的循环利用。将混凝土在室温养护90d后,进行破碎、粉磨,测定其化学成分,并据此添加适当的校正原料,配合混匀后,再用于煅烧水泥熟料。运用XRD对不同温度下的煅烧产物进行分析,研究可循环混凝再煅烧过程中的物相变化。结果表明:(1)废弃物人造骨料混凝土的率值不能满足水泥熟料的要求,不能直接煅烧再生水泥熟料。1350°C时,最终煅烧矿物为C2A、C2S、C2F和CaAl8Fe4O19。(2)添加校正原料后,煅烧过程包含了熟料矿物的煅烧和水泥水化产物的脱水。低温阶段,XRD图谱变化不大,推测发生了物理水蒸发和部分矿物的晶型转变。CaCO3在800°C附近发生分解并生成CaO。CSH在1000°C之前逐渐脱水生成C2S,并且C2S在1100°C时结晶程度最好,C2S和CaO在1300°C以后开始生成C3S。在1450°C,主要矿物是C3A、C3S和C2S。

关键词：可循环混凝土再煅烧物相变化工业废渣

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人造骨料可循环混凝土体积稳定性的研究

人造骨料可循环混凝土体积稳定性的研究

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作者：张杰济南大学

学位级别：硕士

水泥混凝土作为最广泛应用的建筑材料,在制备过程中消耗大量天然砂石资源,破坏生态环境。目前废弃建筑垃圾和工业废渣利用率低,其随意堆放不但占用耕地,而且造成粉尘污染,废渣中的重金属离子会污染土壤和水资源。针对这些问题,本课题组... 详细信息

水泥混凝土作为最广泛应用的建筑材料,在制备过程中消耗大量天然砂石资源,破坏生态环境。目前废弃建筑垃圾和工业废渣利用率低,其随意堆放不但占用耕地,而且造成粉尘污染,废渣中的重金属离子会污染土壤和水资源。针对这些问题,本课题组将钢渣、煤矸石、矿渣等工业废渣处理后,制备高性能人造骨料,进而替代天然砂石骨料配制可循环混凝土,该混凝土废弃后可直接破碎、粉磨,添加部分校正原材料,按水泥率值配制生料经高温煅烧后可得到再生水泥熟料,实现混凝土的循环利用,该循环过程中不但降低了石灰石用量,而且还有效利用废渣等废弃资源,同时还能有效降低CO2气体的排放量。为了可循环混凝土实际应用的推广,本实验室开展了可循环混凝土耐久性的研究。本文主要针对高性能人造骨料的潜在活性,研究其对可循环混凝土体积稳定性及自修复性能的影响。借助岩相和X射线衍射分析人造骨料的性能,利用比长仪测试可循环混凝土的体积干燥收缩,借助裂纹宽度测量仪、超声波无损检测等测试手段研究可循环混凝土裂缝自修复的能力,同时利用孔结构和扫描电镜图片分析可循环混凝土内部微观结构变化,取得的主要实验结论如下:(1)人造骨料的基本性能及碱-骨料反应测试类熟料组成人造骨料中的主要有C2S、C3S、C3A及C4AF等矿物组分,废弃物基人造骨料的主要矿物为C2S、CS、CA2、CF2及Ca3Al10O18等,其吸水率分别为1.38%、1.89%,压碎指标分别为11.20%、10.60%,表观密度分别为2623kg/m3、2605 kg/m3,其均能满足建筑用卵石国标的压碎指标小于12%、表观密度大于2500 kg/m3的要求;人造骨料的潜在活性能使其发生水化后的产物起到填充孔隙的作用;高性能人造骨料不存在潜在的碱-骨料反应,即碱性条件下人造骨料不会造成可循环混凝土体积的破坏。(2)人造骨料可循环混凝土力学性能的研究相同水灰比时,可循环混凝土的抗压强度高于普通混凝土抗压强度。水灰比为0.47时,类熟料组成、废弃物基可循环混凝土28d时抗压强度为62.4MPa、57.4MPa,相比于普通混凝土(48.7MPa)提高28.1%和17.9%;类熟料组成、废弃物基可循环混凝土及普通混凝土界面过渡区显微硬度为80kg·mm-2、70kg·mm-2、40kg·mm-2,即可循环混凝土界面过渡区硬度更高;人造骨料的高硬度提高了可循环混凝土抵御体积收缩的能力。(3)温度、水灰比和砂率对可循环混凝土体积干燥收缩的影响温度从20℃升至40℃过程中,可循环混凝土未发生体积的明显膨胀,膨胀值均小于0.25%,且在200个冻融循环内,可循环混凝土也未发生明显膨胀,膨胀值均小于0.0%;水灰比从0.42至0.62,混凝土试件养护至180d时,与普通混凝土相比较,类熟料组成可循环混凝土体积干燥收缩率分别下降了19.2%、16.4%、15.7%,废弃物基可循环混凝土体积干燥收缩率分别下降了16.1%、18.2%、15.1%;当砂率分别取35%、40%、45%时,相比较与普通混凝土,类熟料组成可循环混凝土体积干燥收缩率分别下降了16.0%、16.4%、14.1%,废弃物基可循环混凝土体积干燥收缩率分别下降了18.3%、18.2%、16.6%;孔径分布表明,随着水灰比和砂率增大,混凝土内部有害孔及多害孔分布增多。(4)矿物掺合料对可循环混凝土体积干燥收缩的影响随着矿物掺合料掺量的增加,可循环混凝土体积干燥收缩率均有不同程度的下降。养护至180d龄期时,与空白试样(矿物掺合料掺量为0%)相比,掺加10%、20%、30%、40%粉煤灰的类熟料组成可循环混凝土干燥收缩率分别下降了5.2%、15.2%、28.5%、42.7%,而废弃物基可循环混凝土体积干燥收缩率分别下降了6.3%、11.0%、22.9%、38.5%;掺加10%、20%、30%、40%矿粉的类熟料组成、废弃物基可循环混凝土体积干燥收缩率分别下降了-1.0%、7.7%、15.2%、20.4%,1.4%、5.5%、10.1%、16.0%;掺加5%硅灰,对可循环混凝土干燥收缩率基本没有影响,当掺加10%硅灰后,可循环混凝土干燥收缩略小于空白试样,对其体积干燥收缩影响不大;粉煤灰对可循环混凝土体积干燥收缩率的影响最大,能够有效的降低可循环混凝土试件的体积干燥收缩率,矿粉对可循环混凝土的早期体积收缩率影响较大,但后期体积干燥收缩率下降的不明显,低掺量的硅灰对可循环混凝土体积稳定性的影响不大。(5)可循环混凝土微裂纹自修复性能的研究随着水灰比的增加,可循环混凝土微裂纹自修复性能降低。水灰比为0.5时,类熟料组成、废弃物基砂浆试件及普通砂浆试件自修复后强度增长率为30.44%、28.0%、24.96%,超声波波速增长率为13.06%、15.83%、12.23%,微裂纹愈合率为100%、79.6%、55.

关键词：可循环混凝土人造骨料体积稳定性干燥收缩自修复性能

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