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【讲座回顾】基于废弃物再循环利用的低碳混凝土制备

2023-05-16 15:35 作者:多样化结构实验室VSL  | 我要投稿

导读


华南理工大学土木学科海外学者前沿讲座第六十一期,我们邀请到来自新加坡国立大学土木与环境工程系的高级研究员杜宏建博士为大家带来“基于废弃物再循环利用的低碳混凝土制备”的报告。本期讲座录播链接见文末或点击阅读原文

首先,杜老师简单介绍了在新加坡开展混凝土研究的局限性和特殊性。混凝土在全世界范围内的用量十分庞大,仅次于水资源,而水泥制备过程中产生的二氧化碳约占全球碳排放总量的7~10%,因此近年来混凝土也被认为是一种环境不友好型的建筑材料。新加坡人少地狭,土地使用、人工费用非常昂贵,其建筑要求“上天入地”,填海造地,使得政府的建造规划需要大量的建筑材料。在新加坡,由于自然资源的极度匮乏,建筑材料的进口率达到了100%。而另一方面,大量的生活垃圾包括回收率很低(仅占13%)的废弃玻璃,和填海造陆挖出的海泥无法得到有效的处理。

本次讲座,杜老师基于新加坡特色国情,针对混凝土工业生产过程中制备水泥产生的碳排放过高问题,因地制宜地探索了使用废旧玻璃粉和海洋粘土制备低碳混凝土的方法。希望利用新加坡本地的废弃玻璃和新加坡海泥作为水泥的取代物,发展循环经济的低碳混凝土生产。


01

在杜老师的第一个研究项目中,杜老师团队使用玻璃粉取代水泥进行混凝土制备。他们将废弃玻璃经过物理破碎、研磨制作成玻璃粉(从1mm粒径到1-10um细度需要的单位时间是0.5h)以取代水泥。


首先是进行了力学试验,在生产过程中,通过对废弃玻璃进行研磨,将其制备成与水泥粒径相似的粉末。分别对不同水泥取代率下试件在7天、28天和91天时的抗压强度进行了测试,结果显示:玻璃粉对水泥的取代率超过15%时,混凝土7天的早期抗压强度明显降低,因为虽然废弃玻璃研磨后的主要成分是SiO2,但其活性还是低于水泥;混凝土28天和91天抗压强度都得到了明显的增强,测试结果表明:在养护充足的条件下,取代率在45%内水泥的抗压强度并不会发生明显下降。而但过高的取代率(60%)还是会降低混凝土抗压强度。


关于耐久性的研究,根据欧洲标准进行水的渗透性试验,结果表明:随着玻璃粉取代率增加(15%~60%),水的渗透深度逐渐减小很多,因为玻璃粉的孔隙更小,使混凝土微观结构更加密实,这对于滨海的新加坡非常友好。此外,基于扩散系数和迁移系数两种方法测试氯离子的影响,玻璃粉对水泥取代率越高,抗氯离子渗透性都得到提升,特别是取代率在30%以内的效果更显著。而对碱骨料反应测试的结果是:基本没有膨胀问题,因为控制玻璃粉的细度是预防ASR反应的一个有效措施,粒径较小的玻璃对碱骨料反应(ASR)的敏感性较小。


最后是全生命周期分析的结果,随着玻璃粉取代率增加,碳排放可以降低20%左右,且造价可以降低8.4%。因此,从实验室结果来看,玻璃粉对水泥的最优取代率是30%~60%,可以实现不增加造价的前提下降低碳排放的目标。


杜老师将自己的研究应用到了新加坡的试点工程中,通过与企业合作,他们生产了2方C30强度的20%玻璃粉取代率的混凝土,经过一个小时的运输,塌落度仍满足施工需要。在此基础上,制作了一些板、梁和路缘石,通过测试,路缘石的抗折强度和吸水率均能达到规范要求。杜老师下一步的规划是将所提出的玻璃粉取代水泥混凝土应用到校园道路建设中。


02

杜老师的第二个研究项目是将新加坡海泥经过高温煅烧作为胶凝材料取代水泥。新加坡海泥的开采量是非常大的,但回收率和综合利用率有限。基于这个背景,杜老师提出通过600-800度的煅烧,形成有部分活性的胶凝材料,取代部分水泥。对比造价和碳排放,与普通混凝土相比,海泥混凝土的造价与其相当,但由于处理工艺不需高温和研磨,其碳排放相较于普通水泥降低50-70%。潜在的应用包括非结构混凝土,预制构件和混凝土现浇。当地海泥的主要成分是细沙和淤泥,粘土含量仅占20%,海泥的处理工艺为:对开挖的海泥进行简单的脱水,经过破碎和600-800低温煅烧,即可形成。海泥的主要成分是细沙,淤泥,占比约为20%的黏土在经过煅烧之后是具有活性的部分。对比600、700和800度高温煅烧后海泥取代30%水泥砂浆的28天抗压强度,比纯石英砂浆强度要高,表明海泥具有一定的活性,但由于高岭土含量较低,与OPC砂浆相比强度较低。但是通过改进,20-30%取代率水泥强度已能达到普通砂浆水平。


海泥混凝土的长期性能和性能稳定性是非常重要的问题,为了探索这种海泥的性能,杜老师从新加坡5个不同地点取得海泥制作混凝土,并测试了构件的抗压强度和氯离子扩散系数。结果表明,混凝土强度会发生一定的下降,但是RCP的测试结果表现非常好,提升约有3倍,这一点与火山的灰反应是密切相关的,由于Ca(OH)2与海泥中的活性部分发生了反应,使得孔隙范围变得更小,因此氯离子的电通量发生了降低。杜老师的研究获得了新加坡本地媒体的报道和宣传。


03

杜老师的研究成果吸引了参会老师和同学们的热烈讨论,大家就废弃玻璃混凝土和新加坡海泥混凝土的制备工业、物理作用、化学机理、耐久性能、降碳策略和应用场景等问题与杜老师做了广泛和深入的交流。

关于废弃物再生循环利用的混凝土的疑虑,杜老师分享道:海泥当中氯离子,研究项目采用的海泥来源于地表10多米以下开挖的泥土,因此没有考虑氯离子的问题。基于文献调研,玻璃粉对混凝土碱含量的影响很小,后续会基于此进行相关研究。在整体碳排放计算中,以废弃玻璃回收的研磨功耗和时间计算对应的碳排放,1t不到100公斤的碳排放(1t水泥的碳排放约为800-1000公斤),同时受限于玻璃加工的费用高,因此再生玻璃粉用于混凝土当中需要后续降低生产成本才能在工业界进行广泛推广应用。

同时,杜老师指出本项目中目前做了2周和4周的试件实验,但还做过长期的(如2年)的实验,在讨论中指出,工业化应用中的结果很可能和实验室结果相反,因此之后在试点工程中会进行长期实验。


总结


混凝土的出现和成功应用已经进行100年了,其优势和缺点都很突出,但混凝土不是永恒不变的产物,我们可以重新定义它,重新塑造它,重新生产它,使它更能满足我们对建筑需求的提高,更能适应我们对环境需求的提高。

杜老师的研究基于新加坡的情况从实际出发,因地制宜,利用玻璃粉和海泥来制备低碳混凝土,不仅变废为宝还有效降低了生产过程中的成本和碳排放量。同时,杜老师选题的思路也给了我们一些启发,相比于前几年石墨烯领域论文灌水事件引发的轰动,这种脚踏实地的科研思路尤为难能可贵且意义深远。杜老师的研究为再生混凝土的制造提供了新的思路和方法,他们团队循环利用废弃物和发展低碳生产的研究项目给我们提供了很好的案例和示范。杜老师团队研究成果不仅符合当今世界对绿色低碳建筑的要求,而且能够应用到实际的建造项目中去,这值得每一位研究工作者学习。


END

相关论文请到杜老师主页下载:

https://cde.nus.edu.sg/cee/staff/du-hongjian/

讲座录播链接:https://b23.tv/Pi64nlI



来源于多样化结构实验室VSL

排版 | 李嘉晨

审核 | 胡   楠



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