新研究发现,再生骨料混凝土混合物比常规混凝土更节能!

   电子分析员        

国际上缺乏同时使用地面再生混凝土(GRC)替代水泥和混合再生骨料作为再生混凝土颗粒骨架的文献,引发了这项新颖的研究。研究人员研究了承载10%或25% GRC作为水泥替代品的混凝土混合料和源自建筑和拆卸废物(CDW)的25%或50%混合再生骨料(MRA)的热行为。试验方案评估了混凝土的干密度、开孔率、电导率和导热系数以及比热容。结果表明,与100%天然骨料混凝土(NA)相比,10%和25% GRC以及50% MRA的使用使混凝土的导热系数降低了7.9%至11.8%,比热容提高了6.0%至9.1%。交叉性能分析表明,改善的热性能与较低的密度和较高的孔隙率成线性关系。结果也支持了这一结论,即这些新的再生骨料混凝土混合料是比传统混凝土更节能的建筑材料。


相关论文以题为“Thermal Performance of Concrete with Recycled Concrete Powder as Partial Cement Replacement and Recycled CDW Aggregate”发表在《Applied Sciences》上。



混凝土生产对世界范围内的环境造成了严重的影响。这些影响可分为两个主要问题:使用天然骨料和生产硅酸盐水泥,这导致平均消耗125千瓦/小时的电力,并向大气排放800公斤的二氧化碳。此外,后者还导致了大量自然资源的消耗。


除了这两个问题,建筑业还面临着充分处理其自身产生的大量垃圾的挑战。据回顾,建筑和拆卸废物(CDW)占所有经济部门产生的固体废物的30%以上。


重要的是,一方面,除了作为回收骨料(RA)使用外,还必须找到使用这些CDW的解决方案,另一方面,找到可替代水泥的可持续粘合剂。因此,解决这些环境问题的一个假设是在混凝土中使用由这些CDW形成的粘合剂。


在混凝土中使用CDW作为RA已经被证明是环境友好和经济有效的。然而,它作为水泥替代品的评价才刚刚开始。一些研究是从分析不同类型的陶瓷材料粉代替水泥的混凝土性能开始的。过度浪费的使用陶瓷粉末在self-consolidating混凝土中,会引起轻微增加粘度和降低混凝土的力学性能。例如,使用20%的陶瓷粉末导致在28天的抗压强度降低15%。尽管存在这种差异,其他几项研究也指出,在混凝土或玻璃中加入RA代替天然骨料的混合料中,导热系数的降低高于20%。


这项工作的目的是分析再生混凝土粉混凝土的热行为,作为部分水泥替代和RA从CDW,以填补在这方面的文献完全缺乏的信息。这项研究开始于从回收工厂收集CDW作为RA,并用于生产混凝土粉,代替水泥作为粘合剂。为了进行这项研究,以CDW(0%和50%)为原料制备了RA混凝土,再生水泥、再生混凝土粉(0%、10%和25%)与硅酸盐水泥混合制成再生水泥。通过热导率和比热容试验对混凝土的热性能进行了分析,并将这些性能与掺气量、抗压强度、开孔率和电阻率进行了对比。通过对这些混凝土性能和再生混凝土粉的物理和化学性能的联合分析,可以对这些混合料的热性能进行详细的分析和了解。本研究的主要创新点是利用再生混凝土粉代替部分水泥对混凝土热性能的分析,如前所述,是完全的创新。此外,本研究还评估了同时包含再生水泥和再生骨料的混凝土的热行为。


黏合剂


所使用的三种粘结剂均符合欧洲标准EN 1971 -1,分别为:1型42.5 R (CEM I 42.5 R)普通硅酸盐水泥(OPC);由90% OPC和10%地面再生混凝土(GRC)混合而成,标签为RB10;以及75% OPC和25% GRC的混合物,标记为RB25。


GRC是通过粉碎和研磨实验室制备的混凝土试件(最大尺寸为147细米)获得的。除了图1a所示的x射线荧光(XRF)测定的GRC和OPC的化学成分外,主要的氧化物是SiO2 (46.10 wt%)和CaO (40.0 wt%)。该图还图形地显示了在早期研究中对面糊、砂浆和混凝土的最小和最大地面混凝土替代率。


在图1b的显微图中可见的大的、不规则形状的颗粒被识别为与粘结砂浆结合的团聚体,以及表面粗糙的小团簇作为糊状物。GRC的密度为2.54 g/cm3,低于OPC的3.11 g/cm3。



图1.地面再生混凝土(GRC)和普通硅酸盐水泥(OPC)的化学成分;(b) GRC形态。


新的属性


图2显示了新鲜态密度(R2>0.848)和空气含量(R2>0.779)随w/beff比值线性变化。随着w/beff的增加,GRC和MRA的使用导致了空气含量的增加和密度的下降,两者的密度都小于OPC和NA。这一行为与Cantero等人在一项混凝土混合料研究中报告的结果一致,该混凝土混合料采用25%的地面回收CDW (RC-CDW)作为水泥替代品和50%的MRA。作者发现新鲜空气含量呈线性上升(R2>0.842),密度线性下降(R2 >0.921),因为使用了这两种可回收材料。



图2.新鲜状态密度和空气含量作为w/beff比率的函数。


本文研究的所有混合料中的空气含量都低于ACI对最大骨料尺寸为22.4 mm的混凝土混合料推荐的4.5 vol%。


机械性能


28天平均抗压强度(fcm)、平均劈裂抗拉强度(fst)、相对抗压强度(∆fcm)和相对劈裂抗拉强度(∆fst)如图3所示。在抗压强度方面,4种再生材料混合料(R10/0、R25/0、R0/50和R10/50)均表现出f>25兆帕,适用于建筑施工中的结构应用。只有GRC为25%,MRA为50% (R25/50)的混合物中才发现低于25mpa的值,其用途仅限于非结构用途。



图3.相对抗压强度(∆fcm),计算Δfcmi = fcmifcmNAC /×100,和相对分裂抗拉强度(Δ置,作为Δfsti = fcmifcmNAC /×100,我在哪里下标表示回收材料混合的类型。


从图3还可以看出,无论GRC替代比如何,MRA是否存在,实验材料的抗压强度和劈裂强度都低于参考混合料。Letelier等人[44]研究了10%或15%磨碎砖和30% RCA的混凝土混合料,发现无论是100% NA还是30% RCA,在两种替代率下磨碎砖的掺入都会导致混合料28天抗压和抗弯强度下降。


添加10% GRC NA混合(R10/0)抗压强度18.7%,抗拉强度降低了12.9%,而25%的替代率(R25/0)下降38.1%,抗压,抗拉强度为19.4%相对于南京,由于低反应性的GRC相对于较小的水泥和混合的后者。在用15%、30%或45%的碾碎混凝土代替OPC的研究中,Kim将其抗压和抗弯强度的下降归因于添加的低反应性。


热导率


从图4中可以看出,掺料N10/0和N25/0的导热系数比NAC低,掺料R10/50和R25/50的导热系数比R0/50低,这说明再生材料混凝土比传统材料具有更有效的保温性能。在N10/0区域和N25/0区域,GRC分别降低了2.5%和6.9%,R10/50区域和R25/50区域分别降低了3.1%和7.2%。对于以高达25% RA代替NA粉[9]的混凝土和以10%磨碎的高炉矿渣作为OPC代替混凝土,观察到这些值在2.8%至6.8%之间。



图4.(a)导热系数和(b)比热容作为GRC替代率的函数。


在NA和MRA混合中,生成量和GRC之间的逆线性关系(R2≥0.997)绘制在图4a中。平均下降了5.3%在λ(确定两者之间的垂直距离趋势线:MRA效应)归因于使用50% MRA非常接近混凝土的50%下降5.5% RA中使用的一种类似于RA这项研究。与参考NAC相比,GRC和MRA的联合使用使R10/50和R25/50的导热系数分别降低了7.9%和11.8%。


所有的再生材料混合料在2.01 W/m·K到1.60 W/m·K范围内表现出的强度系数,适用于含有50% RA细粉和50% RA粗级再生CDW骨料的混凝土,以及欧洲法规推荐的范围:1.95 W/m·K到1.33 W/m·K。


结论


本研究可得出的结论如下:


·用GRC代替25%的OPC,用MRA代替50%的NA,混凝土的新鲜密度降低了6.2%,空气含量提高了30%。所有被研究的再生材料混凝土混合料的空气含量都低于ACI委员会推荐的结构混凝土的上限4.5%;


·相对于由100% OPC和100% NA组成的参考混合料,25% GRC和50% MRA的孔隙率增加了39.7%,25% GRC和100% NA的孔隙率增加了13.2%;


·干密度的下降和电导率的上升与GRC在100% NA和50% MRA混合料中的掺入有关,因为回收材料中的孔隙率较高;


·GRC结合使用25% 50% MRA导热系数降低了11.8%,提高了9.1%的比热容,而25% GRC 100% NA的值降低6.9%热导率和比热容将增长4.1%,同时相对于与100%天然骨料混凝土(NA);


·由于其更大的孔隙率,新的再生材料混凝土可能提供更好的隔热性能和比传统混凝土更大的热惯性;


·交叉参照混凝土性能表明,GRC和MRA替代材料虽然对混凝土的抗压强度有不利影响,但改善了混凝土的热性能;


·25% GRC和100% NA以及10% GRC和50% MRA混合料的抗压强度值为25 MPa,不仅适用于建筑施工,而且比传统混凝土具有更高的能源效率。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/13/4540/htm



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