陶瓷作为混凝土掺合料的可行性研究.pdf
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1、2 0 1 4年 第 1 1期 (总 第 3 0 1期 ) Nu mb e r l 1 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 3 0 1 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM I NI CL E d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 4 1 1 0 2 9 陶瓷作为混凝土掺合料的可行性研究 陈梦成 ,方苇,许开成 ( 华东交通大学 土木建筑学院,江西 南 昌 3 3 0 0 1 3 ) 摘要: 随着绿色混凝土的发展, 人们 已经不再局限于再生骨料的研究
2、, 把 目光投向采用新型掺合料的研发中。 结合各种矿物掺 合料研究历史和现状 , 指出当前研究的主要方向以及存在不足之处 , 提出陶瓷掺合料的理念 。 基于掺合料作用原理分析陶瓷掺合料 的工作性能, 并展望了陶瓷掺合料利用前景。 关键词: 再生骨料 ;矿物掺合料 ;陶瓷掺合料 ;工作性能 中图分类号: T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码: A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 1 1 - 0 1 0 7 0 4 Re s e a r c h o n f e a s i b i l i t y o f u s i n g c e r a m i c a
3、 s a d m i x t u r e i n c on c r e t e CHEN M e n gc he n g, F ANG We i , XUKa i c he n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n dA r c h i t e c t u r e , E a s t C h i n a J i a o t o n g U n i v e r s i t y , N a n c h a n g 3 3 0 0 1 3 , C h i n a ) Abs t r ac t : W i t h t h e d
4、 e v e l o p me nt of g r e e n c o nc r e t e, p e o p l e a r e n o l o ng e r c on fin e d t o r e s e arc h r e c y c l e d a g gre g a t e, a nd t u r n t he i r g a z e t o t he r e s e arc h a n d d e v e l o p me nt o fn e w a d mi xt u r e s Co mb i n e d wi t h t h e h i s t o r y a nd c u
5、 r r e n t s i t u i o n ofv a r i o us mi n e r a l a dm i x t ur e s s tud y i t po i n t e d o u t t h e c u r r e n t r e s e a r c hS ma i n d i r e c t i o n an d de fic i e nc i e s an d p r o p o s e d the i d e a of c e r a mi c a dm i x tur e An a l yz e d c e r a mi c a dm i x tur e pe r
6、f o r ma n c ef r o m t he pe r s p e c t i ve of t h e a dmi x tur e s a c t i o np r inc i p l e, a n dp r e d i c tt h ep r o s pe c t sf or t h eu s e o fc e r a mi c a dmi x t u r e s Ke y w or ds : r e c y c l e d a g gre g a t e; mi n e r a l a dm i xt u r e; c e r am i c a dm i xt u r e; p e
7、 r f o r man c e 随着生产力 的发展和可持续发展战略 目标的实施 , 绿 色高性能混凝土将是未来混凝土 的发展方 向。 吴 中伟 院士 在 1 9 9 7 年 3 月的“ 高强与高性能混凝土” 会议 上 , 将 “ 绿色 高性 能混凝 土” 的概念引入 中国, 即在再生混凝土 中掺人 足够数量的活性细掺料如粉煤灰 、 矿渣等和加入高效外加 剂 的混凝 土。 此 后 , 很 多学者从多个方面 以不 同的因素为 参数, 进一步深入的研究和探讨了绿色高性能混凝土的各 项性能以及应用优势。 针对传统掺合料存在的资源有限且 大多是含有有 害杂质 的工业副产 品, 其 中可 以直接使 用并
8、 能保证混凝土工作性能的工业废渣所 占比例较低等问题 。 人们普遍的做法是在矿物掺合料 的加工过程 中, 通过各种 相应 的物理及化学措施激发矿物掺合料的活性 。 水泥混凝 土强度得到些微提高的同时却引发了一系列耐久性能降 低的隐患。 不仅增加 了矿物掺合料 的使用成本 , 还偏离 了 环保及可持续发展战略的基本方针 。 生产力快速提高 的今天 , 高性能混凝土的广泛应用引 导着矿物掺合料的研究和推广。 传统矿物掺合料的改性研 究遇到瓶颈的同时, 很多学者把眼光投向了新型掺合料研 发中, 如陶瓷 、 锂矿渣等含有大量 S i O 的富有地方特色的 废弃物, 研磨后稍加利用即可以用作掺合料的原材
9、料。 1 矿物掺合料的研究历史 矿物掺合料的制备 、 应用 已涉及水泥基材料科学研究 的各个方面 , 关于传统矿物掺合料性能 的研究也 已经相当 成熟 。 从 以往 的报道 中可 以发现 , 对矿物掺合料 的研究 推 动 了混凝土技术 的发展 ; 相应地 , 混凝土技术 的发展需 求 也为矿物掺合料的研究指明方向。 近年来 , 传统矿物掺合 料的研究趋于饱和 , 相较与飞速发展 的混凝土技术 已经 明 显落后 , 达不到混凝土技术所需要 的性能要求。 最初的混凝 土掺合料 纯粹是 从处理工业废 渣的角度 出发 , 人们普遍认 为在混凝土 中掺入掺合料损伤 了混凝土 的性能。 直到 2 0 世纪
10、 7 0 年代 , 资源枯竭 、 环境污染和能源 危机等问题 的 日益严峻 以及可持续发展道路的提 出, 才又 激发人们对掺合料的高效利用进行研究 。 世界上 大多数工 业发达国家开始研究和推进废弃物替代天然资源 的工作 , 并且取得了良好进展 1 。 此后, 矿物掺合料的发展迎来了一 次高潮 。 对量大面广 的各种掺合料 的综合利用 愈加成 熟 , 已经形成 了系列的综合利用技术 ; 现在通过质量控制和 收稿 日期 :2 0 1 4 - 0 5 - 0 9 基金项目:国家自然科学基金( 5 1 3 7 8 2 0 6 ) ; 江西省重大科技创新基金项 目( 2 0 1 1 4 A C B 0
11、 1 0 0 0 ) ; 江西省优势科技创新团队项目( 2 0 1 0 D Q B 0 1 9 0 0 , 2 0 1 3 3 BC B 2 4 0 0 8 ) ; 江西省科技计划落地项 目( 赣财教( 2 0 1 1 ) 2 4 3 号 ) 1 07 一 定 的制备技术获得 的优质矿物掺合料可 以有效 的提 高 混凝土的耐 久性能和工作性 , 改变 了矿物掺合料只起到鸡 肋作用的传统观念 , 使其成为混凝土的第六组分 。 2 矿 物掺 合料 的掺 合料 效应 1 9 8 1 年沈旦 申圈 通过对粉煤 灰基本性质及其在混凝 土中性状的评述 以及现象学研究 , 提 出的“ 粉煤灰效应” 的 假说
12、已成 为现代矿物掺合料作用原理 的基本理论。 “ 粉煤 灰效应 ” 主要指“ 形态效应” 、 “ 活性效应 ” 和“ 微集料效应” 。 形态效应是指由矿物掺合料 的表面性质 、 颗粒级配等物理 性状所产生的减水效应 , 使得混凝土内部形成更均匀致密 的微观结构。 活性效应是指矿物掺合料中的活性成分与混 凝土拌合物 中的水化产物 C H发生二次水 化反应 , 生成水 化硅酸钙凝胶 , 填充 于混凝土 的空 隙, 提高混凝土微结构 的密实度 , 使矿物掺合料粒子在水泥石体 系内的黏结性能 增强 、 混凝土 内不利于耐久性 的晶相含量减少 , 有效地改 善混凝土的孑 L 结构和界面过渡区 , 从而提
13、高混凝土的耐久 性 3 。 微集料效应是指 矿物掺合料颗粒均匀 分布于水泥浆 体 的基相之 中 , 就像微 细的集料一样 , 具有增强硬化浆体 的作用 。 但是“ 三大效应 ” 所处 的地位不 同。 在众多“ 粉煤灰效应” 的理论研究 中, 大部分学者普遍 认为活性效应 处于主导地位 , 微 集料次之 , 形态效应的贡 献度最小 ; 随着掺合料理论研究的深入 , 对于矿物掺合料 的应用和作用效应 的研究也趋于成熟 ; 但是大多侧重 于研 究掺合料对混凝 土材料性 能的影响 , 矿物掺合料对水泥浆 体 的物理填充密实效应则鲜于报道刚 。 早在 1 9 9 5 年就有 学者提 出质疑 , 随着矿物
14、掺合料掺量的增加水泥混凝土强 度反而呈下降趋势 ; 通过研究证实导致这种现象的原因是 矿物掺合料仅具有潜在的水化活性, 掺合料参与反应生成的 c S H凝胶量过 少 , 不足 以弥补水 泥石 中水化产物 的“ 浓 度损失 ” o - 12 1 。 复合 材料 的强度 理论认 为 , 混 凝土强度与其 亚微结构密切相关 , 孔隙率才是影响其性能的决定性因素 1 3 。 同时热压水泥 、 D S P材料等超高强水泥基材料的出现更是 改变了人们认 为化学能释放 的越多 , 胶凝材料强度越高的 传统观念。 因此研究矿物掺合料颗粒体 系与水泥浆体填充 密实性能 的关系 , 优化颗粒组成 , 埘于制备高性
15、能 的水泥 基材料具有 卜 分重要 的意义| l 4 l。 材料 的宏观性能与其 微观 组分及结构密切相关 ; 矿物掺合料颗粒粒径越小 , 其物理 填充作用越好 ; 而矿物掺合料的掺人不仅能改善水泥浆体 的流动性 、 密实性 , 还可 以有效 提高混凝 土的各项力 学性 能 1 5 - 16 。 有学 者利用矿物掺合料 的填 充效应和减水作用 , 通过对掺合料 的优选 处理 , 可 以胶凝材料粒子形成致密结 构 , 混凝土的抗压强度也显著提高 1 7 - 1 8 。 K u t t i T等 利用致 密原理来制备掺有矿物掺合料的超高强水泥基材料 , 有力 证实 了微集料效应对水泥混凝土强度 的
16、贡献 。 另外 , 对矿 物掺合料复合超叠加效应的研究表明 , 在混凝土 中掺入适 当比例及 总掺量 的矿物掺合料 , 可 以调节用水量 , 有效提 高其抗折 、 抗压强度 ; 同时还可以减少混凝土收缩 、 改善耐 久性 删。 1 08 3陶瓷废料 的应 用 随着社会经济及陶瓷工业的发展 , 陶瓷废料对环境影 响的问题 日益严峻 , 它不仅对城市环境造成压力还限制 了 城市经济发展和陶瓷工业的可持续发展 , 陶瓷工业废料 的 处理成 了环保工作 中的一大毒瘤 。 作为陶瓷生产和消耗大国, 将陶瓷废料应用于混凝 土 中 , 实现 陶瓷建材两大工业 的有机结合 , 无 疑是解决 环境 保护和能源枯
17、竭问题的最优方案 , 可 以产生 良好 的社会效 益 和经济效益 ; 近年来 , 国内外对 陶瓷废料 的再生 利用研 究增 多 , 一 系列针对 陶瓷 固体废料 的再 利用 的方案被 提 出。 对于陶瓷生产乃至使用 阶段产生的废料皆有了再利用 的价值 , 陶瓷生产过程中废弃的泥水经 回收再处理可重复 利用 , 高温煅烧过的废 品和废窑具重新粉碎加工可用于瓷 砖配料 ; 对于企业一直头痛 的陶瓷废料采用不 同的处理方 法和制备工艺可开发 、 生产仿古艺术砖和多空陶瓷 , 不需 要增添设备就可 以高效 的利用废料 , 经济效益高 , 社会效 益好 。 随着研究 的推广 , 国内外开始利用工业废料生
18、产 陶 粒 , 充分利用了陶瓷容重小 、 内部 多孔等特点 , 制备混凝土 和墙体保温板取得 良好的效果 ; 利用一些陶瓷厂 的废料做 成 的陶粒可 以达到更 多特殊性能的要求 , 如耐腐蚀 、 抗冻 、 抗震 、 隔热保温 、 吸收噪音等效果 。 陶瓷制 品使用过程中产生 的废料经过破 碎碾磨成至 不 同粒径 再辅 以相应 的改性 处理可以广泛应用于混凝土 中 , 目前 已有很多这方 面的研究 , 万超l2 1 通过 大量的试验 得出 : 经适当处理后的陶瓷再生粗骨料制备 的混凝土抗压 强度和劈拉强度均稍低于普通混凝土 , 但仍满足工作性能 要求 ; 在掺量不高于 6 0 时制备 的混凝土抗
19、压及劈裂抗拉 强度较原碎石混凝土均有所提高 , 甚至 当掺量 达到 1 0 0 时 的再生混凝土试块强度仍 可以满足要求。 陶瓷废料的再 利用 中 , 陶瓷再生砂是 目前取得效果最好 的 , 通过采 用陶 瓷废料做不同掺量 的细骨料试验发现 , 陶瓷再生混合砂 砂浆能够达到工程应用的强度要求 且后期强度较高 , 且有 利 于提高抗裂性 。 甚至有学者得出 陶瓷再生砂制备 的混 凝 土抗氯离子渗透能力强于原生混凝土的结论 ; 尽管陶瓷 再生骨料的研究取得了喜人 的效果 , 但是针对陶瓷废料本 身存在强度低 、 种类繁多 、 空 隙率及吸水性偏大 、 与水泥石 界面黏结性能差等缺陷 , 在制备 陶
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