固體廢棄物+貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土凍融循環(huán)作用下水化硬化性能研究

李俊清 姜作杰

（呼倫貝爾學(xué)院建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008）

0 引言

在當(dāng)前全球環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展的進(jìn)程中，固體廢棄物的資源化利用成為建筑材料領(lǐng)域的一項關(guān)鍵挑戰(zhàn)和機(jī)遇。尤其是在建筑行業(yè)，摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土，因其在環(huán)境友好性和經(jīng)濟(jì)效益方面的潛力而受到廣泛關(guān)注。該材料的研究與應(yīng)用不僅有望減少工業(yè)固廢的堆積，而且會因貝利特硫鋁酸鹽水泥的應(yīng)用而減少傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)過程中的能源消耗和二氧化碳排放，從而為環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)建筑材料的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。本文將深入探討凍融循環(huán)條件下，該種創(chuàng)新混凝土材料的水化硬化性能。凍融循環(huán)是極端氣候條件下建筑材料必須面對的一大挑戰(zhàn)，它對材料的結(jié)構(gòu)完整性和耐久性提出了更高的要求。因此，本研究不僅關(guān)注材料的基礎(chǔ)物理性能，如抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，也探討材料微觀結(jié)構(gòu)在凍融循環(huán)中的變化，以期為該類材料的進(jìn)一步改進(jìn)和工程應(yīng)用提供堅實的科學(xué)基礎(chǔ)。

1 相關(guān)研究現(xiàn)狀

1.1 貝利特硫鋁酸鹽水泥與固體廢棄物摻加研究

貝利特硫鋁酸鹽水泥由于其出色的性能和對環(huán)境的影響小，成為建筑材料領(lǐng)域的熱門研究對象。特別是摻加如粉煤灰、煤矸石等固體廢棄物，不僅可以提升水泥的性能，還能有效地利用廢棄物，減少環(huán)境污染。研究集中于如何優(yōu)化固體廢棄物的摻量和種類，以及這些材料如何影響水泥的力學(xué)性能和耐久性。摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥的微觀結(jié)構(gòu)和水化反應(yīng)機(jī)理也是研究的重點。

1.2 摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土在凍融循環(huán)條件下性能的研究

在本研究中，特別關(guān)注摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土在凍融循環(huán)條件下的性能變化。凍融循環(huán)中，水泥材料內(nèi)部水分的結(jié)冰和融化可能引起應(yīng)力累積，從而影響材料的結(jié)構(gòu)完整性和力學(xué)性能。本研究探索固體廢棄物作為摻合料對水泥混凝土抗凍性能的影響，以及如何通過調(diào)整摻合料的比例和種類來適應(yīng)極端的環(huán)境條件。該研究對于提高摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土在寒冷地區(qū)的應(yīng)用具有重要意義。

2 試驗設(shè)計

2.1 試件制備

在本研究中，采用標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件模具來制備摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土試件。整個試件制備的過程包括以下關(guān)鍵步驟：

（1）模具準(zhǔn)備：選擇標(biāo)準(zhǔn)的混凝土試件模具，并進(jìn)行徹底清洗。為避免混凝土與模具粘連，模具內(nèi)部涂抹一層專用油脂。

（2）在本研究中，采用20%的固體廢棄物（包括粉煤灰、煤矸石、電石渣、脫硫石膏），按1∶1∶1∶1的質(zhì)量比例混合，作為摻合料以部分替代貝利特硫鋁酸鹽水泥的用量。這些混合材料與剩余的80%貝利特硫鋁酸鹽水泥、砂、石子混合，并確保混合物充分?jǐn)嚢杈鶆颍苽涑苫炷猎嚰?/p>

（3）澆筑與振實：將配制好的混凝土材料均勻倒入模具中，為確保混凝土的密實性和結(jié)構(gòu)完整性，使用振動器對混凝土進(jìn)行充分振實，排除其中的氣泡。

（4）養(yǎng)護(hù)：將裝有混凝土的模具放置在控制好的恒溫恒濕環(huán)境中進(jìn)行28d的養(yǎng)護(hù)。完成28d養(yǎng)護(hù)后，對試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗凍性能的測試。在整個養(yǎng)護(hù)期間，保持試件表面的濕潤狀態(tài)，以利于水泥材料的有效水化反應(yīng)。

（5）試件取出：養(yǎng)護(hù)完成后，從模具中取出混凝土試件，并為后續(xù)的物理性能測試及凍融循環(huán)試驗做好準(zhǔn)備。

2.2 物理性能測試

本研究中的物理性能測試重點關(guān)注試件在特定條件下的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和吸水率。

（1）抗壓強(qiáng)度測試：測試中，將試件安置在試驗機(jī)上，逐步增加壓力直至試件發(fā)生破裂。記錄試件破裂時所承受的最大壓力值，并據(jù)此計算抗壓強(qiáng)度。

（2）抗拉強(qiáng)度測試：類似地，試件在試驗機(jī)上經(jīng)受逐漸增加的拉力，直到發(fā)生破裂。在試件破裂時記錄最大拉力值，并用于計算抗拉強(qiáng)度。

（3）吸水率測試：此測試要求將試件浸泡在水中一段時間，之后取出并擦干表面水分后稱重。然后再次將試件放入水中，重復(fù)此過程，直到試件重量不再發(fā)生變化。通過記錄試件吸水前后的重量差，最終計算出其吸水率。

2.3 凍融循環(huán)試驗

本研究的凍融循環(huán)試驗旨在評估試件在極端溫度變化條件下的耐久性。

（1）試驗設(shè)置：將試件置于凍融循環(huán)試驗箱中，設(shè)置試驗參數(shù)。試件在相同的養(yǎng)護(hù)條件下經(jīng)過28d后，進(jìn)行凍融循環(huán)試驗。試驗條件為溫度在-18～4℃之間循環(huán)變化，每個循環(huán)周期24h，總共進(jìn)行50個周期。試驗完成后，對試件再次進(jìn)行物理性能測試，以評估凍融循環(huán)對材料性能的影響。

（2）質(zhì)量記錄：在每個循環(huán)結(jié)束后，取出試件并擦干表面水分，隨后進(jìn)行稱重，記錄并追蹤試件在凍融循環(huán)過程中的質(zhì)量變化。

（3）力學(xué)性能測試：在每5個凍融循環(huán)后，對試件進(jìn)行物理性能測試，包括抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的測定，以監(jiān)測其在極端條件下的力學(xué)性能變化。

（4）性能分析：通過比較凍融循環(huán)前后試件的質(zhì)量和力學(xué)性能數(shù)據(jù)，分析其耐久性能的變化。此分析還包括將經(jīng)歷凍融循環(huán)的試件與未經(jīng)此類處理的試件進(jìn)行對比，以準(zhǔn)確評估凍融循環(huán)對材料性能的影響[1]。

2.4 試驗數(shù)據(jù)采集和處理方法

對收集的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和分析，旨在揭示摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土在凍融循環(huán)下的水化硬化性能變化規(guī)律及影響因素。

2.4.1 物理性能測試數(shù)據(jù)

本研究對摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土試件進(jìn)行的物理性能測試，主要包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和吸水率等關(guān)鍵指標(biāo)。數(shù)據(jù)采集和處理步驟：

（1）物理性能測試：試件被放置在萬能試驗機(jī)上，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的測試。測試過程中嚴(yán)格控制試件的放置位置和方向，以確保結(jié)果的準(zhǔn)確性。對于吸水率測試，記錄試件在浸水前后的重量差異。

（3）數(shù)據(jù)處理：采用統(tǒng)計方法如平均值和標(biāo)準(zhǔn)差處理收集到的測試數(shù)據(jù)，旨在揭示摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土在凍融循環(huán)下的水化硬化性能變化規(guī)律及影響因素，從而評估試件的物理性能和數(shù)據(jù)的可靠性。

2.4.2 凍融循環(huán)試驗數(shù)據(jù)

本研究中的凍融循環(huán)試驗旨在評估摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土試件在極端溫度變化條件下的耐久性能。試驗數(shù)據(jù)的采集和處理流程包括以下步驟：

（1）質(zhì)量變化記錄：在每個凍融循環(huán)周期結(jié)束后，試件被取出并擦干，隨后進(jìn)行稱重。通過比較不同循環(huán)階段的試件質(zhì)量，計算質(zhì)量損失率。

（2）力學(xué)性能記錄：每進(jìn)行5個循環(huán)后，對試件進(jìn)行物理性能測試，包括抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的測量。記錄這些指標(biāo)相對于初始值的變化率。

（3）數(shù)據(jù)處理與分析：使用平均值和標(biāo)準(zhǔn)差方法對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，確保結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。數(shù)據(jù)以圖表形式展示，以便進(jìn)行比較和分析。

（4）統(tǒng)計學(xué)分析：采用方差分析和多重比較方法，對試件的性能變化進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，從而評估其顯著性和差異性[2]。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土的物理性能測試結(jié)果

經(jīng)過28d的養(yǎng)護(hù)，摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土試件的物理性能測試結(jié)果如表1所示。

表1 摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土試件物理性能測試結(jié)果

分析與討論：

“我國的天主教、基督教一方面是宗教問題，另一方面，在長時期中又被帝國主義利用為對我國進(jìn)行文化侵略的工具，其中一部分組織又被帝國主義利用為進(jìn)行間諜活動的機(jī)關(guān)。這兩個宗教在我國都辦有教堂、學(xué)校、醫(yī)院及其他文化事業(yè)及救濟(jì)事業(yè)機(jī)關(guān)，都受外國津貼，都有大量外國傳教士占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位。”⑧針對這一情況，河南展開了一系列全面清理帝國主義在宗教領(lǐng)域的影響的工作。

（1）抗壓強(qiáng)度：試件的抗壓強(qiáng)度為45MPa。為了更準(zhǔn)確地評估該結(jié)果，對比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和同類研究中未摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥的性能。在標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法》（GB/T 17671-1999）中，普通硅酸鹽水泥的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度一般為32.5～52.5MPa。因此，試驗結(jié)果在可接受范圍內(nèi)，但需要進(jìn)一步研究以優(yōu)化摻合料比例，實現(xiàn)更高的強(qiáng)度。

（2）抗拉強(qiáng)度：試件的抗拉強(qiáng)度為6MPa。與普通硅酸鹽水泥相比，此結(jié)果略低，可能由于固體廢棄物的摻加影響了水泥的拉伸性能。未來研究應(yīng)探索不同種類和比例的固體廢棄物對抗拉強(qiáng)度的影響。

（3）吸水率：吸水率為2.5%。該結(jié)果表明水泥試件具有一定的滲透性。對于吸水率的優(yōu)化，可以考慮使用更細(xì)的粉磨技術(shù)或添加特定的抗?jié)B劑，以改善水泥的抗?jié)B性能。

綜上所述，雖然摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土試件的部分物理性能指標(biāo)與未摻加固體廢棄物的水泥相比有所差異，但整體上仍表現(xiàn)出良好的性能。未來的研究應(yīng)著重于優(yōu)化摻合料比例和種類，以及改進(jìn)生產(chǎn)工藝，以提高綜合性能。

3.2 凍融循環(huán)對固廢基礎(chǔ)設(shè)施水泥材料性能的影響

凍融循環(huán)對固廢基礎(chǔ)設(shè)施水泥材料性能的影響見表2所示。

表2 凍融循環(huán)對固廢基礎(chǔ)設(shè)施水泥材料性能的影響

從表2可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，固廢基礎(chǔ)設(shè)施水泥材料的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和吸水率均發(fā)生了變化。具體分析如下：

（1）抗壓強(qiáng)度：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，固廢基礎(chǔ)設(shè)施水泥材料的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。這是因為凍融循環(huán)會導(dǎo)致水泥材料中的微裂縫擴(kuò)大，從而降低了其抗壓強(qiáng)度。

（2）抗拉強(qiáng)度：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，固廢基礎(chǔ)設(shè)施水泥材料的抗拉強(qiáng)度逐漸降低。這是因為凍融循環(huán)會導(dǎo)致水泥材料中的微裂縫擴(kuò)大，從而降低了其抗拉強(qiáng)度。

（3）吸水率：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，固廢基礎(chǔ)設(shè)施水泥材料的吸水率逐漸增加。這是因為凍融循環(huán)會導(dǎo)致水泥材料中的微裂縫擴(kuò)大，從而增加了其孔隙度，使其吸水率增加。

3.3 固廢基礎(chǔ)設(shè)施水泥材料的微觀結(jié)構(gòu)分析

通過掃描電鏡觀察固廢基礎(chǔ)設(shè)施水泥材料的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在凍融循環(huán)作用下，水泥材料中的孔隙度增加，孔隙分布不均勻，孔隙大小也發(fā)生了變化。這是因為凍融循環(huán)會導(dǎo)致水泥材料中的微裂縫擴(kuò)大，從而增加了其孔隙度和孔隙分布的不均勻性。同時，水泥材料中的鈣礬石晶體也發(fā)生了破壞和剝落現(xiàn)象。這些微觀結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致水泥材料性能的下降。總之，通過對水泥材料的微觀結(jié)構(gòu)分析，可以更加深入地了解凍融循環(huán)對水泥材料性能的影響機(jī)理，這對于進(jìn)一步優(yōu)化水泥材料的配方和制備工藝具有重要的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)束語

本項研究的成果不僅豐富了關(guān)于凍融循環(huán)對建筑材料影響的理解，也為摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土在極端氣候條件下的應(yīng)用提供了新的科學(xué)依據(jù)。通過實驗分析，證實了凍融循環(huán)對此類材料的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)，尤其是抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和孔隙度方面具有顯著影響。這些發(fā)現(xiàn)對于指導(dǎo)未來材料的配方設(shè)計和生產(chǎn)工藝改進(jìn)具有重要意義，尤其是在提升材料在極端環(huán)境中的耐久性和穩(wěn)定性方面。未來的研究應(yīng)繼續(xù)探索固體廢棄物的最佳利用方式，以及如何通過不同類型廢棄物的摻加，進(jìn)一步優(yōu)化水泥混凝土的性能。同時，將這種環(huán)保材料應(yīng)用于城市基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)保工程，不僅促進(jìn)了固廢資源的有效再利用，也為實現(xiàn)環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)提供了新途徑。在城市建設(shè)中應(yīng)用該材料，有望減少建筑廢物、降低溫室氣體排放，支持建設(shè)更加綠色、可持續(xù)的城市環(huán)境。綜上所述，摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土作為一種創(chuàng)新的環(huán)保建材，其研究與應(yīng)用前景值得期待，并將在現(xiàn)代建筑材料領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。