Experimental Study on Potential Utilization of Waste Materials as Binders in Mortar.docx

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1、ExperimentalStudyonPotentialUtilizationofWasteMaterialsasBindersinMortar在过去的几十年中，经济的高速增长带动了基础设施的建设。为了满足需求,建筑行业开始活跃起来。然而，建筑使用年限过后产生了大批量的建筑垃圾。建筑垃坡的回收和再利用将成为处理垃圾的可行的方法。同时,鉴于建筑材料比如水泥和骨料等的资源不足的问题,利用工业废料粉煤灰或天然的资源火山灰等作为替代材料将非常有意义。这项研究的主要目的是从回收的废物和自然资源中开发新材料。寻找替代粘合剂或水泥替代材料己持续了近十年。人们已经尝试利用粉燥灰，高炉矿渣和硅粉等作为水泥替代材

2、料。火山灰，浮石，粉煤灰是卜作岚材料，因为他们其中的无定形二氧化硅会与水泥水化产物氢氧化钙反应，生成水化硅酸钙。这不仅在技术上有优势，而且能够使一部分水泥被替代。这些材料还可以提高混凝土的耐久性，提高强度，降低水化热。1.1 回收石膏为基料的砂浆几个世纪以来，石膏已经在建设中发挥了至关重要的作用。通常也被称为干式墙岩石,石膏板，石膏板的正反面都有用纸包住，石膏含量占92%（脱水硫酸钙），纸为7%,并含有1%的杂质和添加剂。水泥产大量使用珍维水泥。石膏中加入“熟料”来控制凝结时间。在一个工厂,使用回收的石膏进行测试,除了纸造成的问题,其他结果让人满意（马文,2000）。然而，人们已经尝试将石膏板

3、里的石膏作为水泥的替代材料。粉碎石膏板在180度高温下进行煨烧，产生的水化硫酸钙被作为粘结剂，可以取代部分的水泥。上述化合物含有很少的纸并且含有许多有利条件。最初的石膏在不利条件下，当跟水分子结合时，能够生成污染环境的硫化氢。有了这些知识，原有的石膏板中的石膏转化为硫酸钙1/2H2O并在实验中使用。在本研究中，对砂浆的强度和渗透性能做了试验，试验设定抗压强度目标值为38Nm渗透率为5x105cms,该目标值是根据试验调查得出的，该调查是针对用于人行道铺设并具有良好渗透性的商业材料。1.2“Shirasu”是一种火山沉淀物，广泛分布在日本九州岛的南部，主要形成原因是二十万年前的一场巨大的火山碎屑

4、流。这是该地区其中一种天然的资源。“白沙”是具有非常多微小沙粒的疏松材料。它的密度相当于普通沙粒的80%,吸水能力比普通沙粒强三倍。并且它的矿物成分中，含有大量的火山玻璃，人们已经证实了这是由于火山灰反应所导致的。火山玻璃的含量大约占总质量的8（）%。因此，考虑将“白沙”作为混凝土粘结剂或则骨料的替代物，将是非常有意义的课题。Takewaka和众多研究人员已经做了大量关于白沙实用性方面的研究。他们认为，将白沙作为骨料的白沙混凝土，针对盐类腐蚀，硫酸盐腐蚀，和碱骨料反应等方面，展现良好的耐久性能。白沙混凝土成功的被应用于高温环境下的混凝土基础建设，并且有调查已经表明这种混凝土在高温条件下表现良好

5、，并且具有抗硫酸盐腐蚀的性能。因此，证明了固体铝硅酸盐和高度浓缩的碱金属氢氧化物水溶液或硅酸溶液反应,产生碱金属铝硅酸盐材料。相对于传统的粘结剂,这种新材料有显著的性能优势，更能减少大量有害气体排放。2.试验方法2.1 石膏和白沙砂浆应用于路面2.1.1 材料的使用使用了普通波特兰水泥和早期强度很高的波特兰水泥。比重2.49石膏取代OPC或HPCO两种不同类型的白沙作为细骨料。表一显示了白沙使用后的结果。2.1.2将白沙的含量控制在所有混合物重量的75%,而石膏在所有粘结剂中的比重却有所不同，见表二。石膏/粘合剂比率保持在15%和白砂百分比是不断变化，如表3所示。2.1.3 砂浆的准备工作砂浆

6、的准备方法是以透水路面标准为基础的。在这个路面试验中，首先将无水的路面材料混合，并铺在地面上。之后，在表面洒上水。类似的养护技术在下面将会介绍。路面上大量的水分将会导致气泡的形成。因此，水分是定期喷洒在试块上的。水分喷洒的顺序如下：第一阶段：浇筑后，迅速喷砂水分第二阶段：在第一阶段后1.5小时第三阶段：在浇筑后的第一天和第二天不同阶段水的含量的取值是基于路面养护标准的规定，见表四。2.1.4 试块的做法制作了两种拥有各自强度和渗透性能的试块，试块和具体做法见图一和图二。2.1.5 渗透性测试渗透试验的做法是将一个内径为十厘米的PVC管粘结在试块的顶部，见图三，水从管口倒入，在试验的两小时里，保

7、持恒定的水流。渗透系数根据以下公式计算。2.2 地质聚合物砂浆2.2.1 材料的使用聚合物砂浆由以下材料组成：1 .铝硅酸盐（粘结剂）：小于75微米的白沙和比重为2.25布莱恩比表面积为3990cm2/g的粉煤灰2 .沙子作为细骨料：河沙3 .碱性催化剂：氢氧化钠（14N）,硅酸钠（52%）,硅酸钠和氢氧化钠的体积比为2.5。表五和表六分别说明了以白沙和粉煤灰作为铝硅酸盐的来源的地质聚合物砂浆不同成分的比例。水粘结剂的比例分别为40%,50%,60%o在当前的研究领域，白沙地质聚合物和粉煤灰地质聚合物分别被命名为GSH和GFAo为了对比更加清楚,碱性激发剂在每组试验中式不变的，改变的只是白沙和

8、粉煤灰的百分比。2.2.2试块和养护方法将浇筑的直径为5厘米长度为10厘米的圆柱体试块至于温度为90C和80C的环境下。4 .结果与讨论4.1 使用石膏和白沙制作的砂浆的性能4.1.1 不同石膏取代率的影响表二中的砂浆试块使用了日本横河的白沙，并检测抗压强度，抗弯强度和渗透性能。如图四图五所示，由于水泥掺入比的减少，石膏的替代率减少时，试块的强度也随之减少。当取代率在15%范围内时，强度变化不大，还可以满足目标强度的要求。另外，虽然当石膏取代率高于15%时，渗透率的变化不明显，但结果表明，随着石膏取代率的降低，渗透率还是逐渐降低的，如图六所示。所以，我们可以把替代率为15%时的渗透率作为目标值

9、。3.1.2不同白沙含量的影响在3.1.1的实验中，清楚的说明了当石膏含量为15%或则更大时，试样的强度和渗透率均能达到目标值。因此，在实验中，将砂浆试块的石膏含量控制在15%不变，其他成分含量见表三。表7和表8分别说明了使用横河白沙的混凝土的抗压和弯曲强度。表中能清楚的看出，随着白沙含量的减少，强度逐渐减小。这是因为粘结剂的相对含量增加的结果。并且，当含有70%或则更少的白沙率的混凝土经过七天的养护，将达到目标强度值。另一方面，如图9,当试块的渗透率随着白沙含量的减少不断减少时，混凝土中的白沙率的目标值在70%到75%之间。4.1.3 白沙类型的影响试验中，使用郡山的白沙替代横河的白沙，其他

10、成分表三的完全相同。从图10和11,可以看出，强度趋势和使用横河白沙相比没任何区别，当含量为70%时，养护7天后，就可以达到目标值，而含量为80%时，养护28天才能达到。当白沙含量超过60%时，目标值将继续升高。4.1.4 水泥类型的影响参考表三的组分含量，分别使用OPC和HPe水泥，研究水泥种类对混凝土性能的影响。这里，只给出了和粘结剂含量为35%的试块比较的结果。在图13里，能明显的看出使用HPC水泥的试块比使用OPC水泥的试块具有更高的抗压强度，因为HPC水泥具有较高的高期强度。相反，在图14中，数据表明在28天时，强度差别并不大，这说明了虽然HPC具有早期强度高的特点，但是HPC的后期

11、强度和OPC几乎相同。在第七天，HPC混凝土在15%粘结剂含量时，达到目标值，而OPC在25%时才达到。这说明HPC有利于在更低的粘结剂含量时达到目标值。如表14,在28天的情况下，使用HPC和OPC水泥的混凝土分别在含有相同粘结剂含量时达到目标值。使用HPC水泥的试块能够在较低的粘结剂含量下较早的达到目标值，这很明显是因为HPC水泥水化反应的性质。如表15和表16,反映了使用OPC和HPC水泥的混凝土分别在7天和28天的养护后各自的渗透性能。使用HPC的混凝土试块在28天的养护期后，和使用OPC水泥相比，渗透性能几乎相同，或则说使用HPC水泥的混凝土会略高，然而在养护七天的试块中，使用HPC

12、水泥的试块渗透性能比使用OPC水泥的渗透性低。此外，在忽略水泥种类的情况下，粘结剂含量为15%或则更少时，混凝土试块的渗透率能够达到目标值5xl0-scm/s。4.2 地质聚合物的性质4.2.1 白沙地质聚合物含有小于75微米大小白沙的地质聚合物混凝土的组分见表五。水胶比控制在40%,50%和60%o不同组分的试块抗压强度的测试分别在80C和90的环境下进行。90和80下的试样抗压强度列于表17和18。当养护时间过后，不同温度下的抗压强度没有太大变化，而90下的抗压强度会比80下的高。这表明聚合作用率取决于养护时的温度。但是在90时，试块强度发展于六天后，在80时，发展于八天后。这可能是由于白

13、沙已经沉积了几千年，在微粒的表面形成了杂质和氧化物覆盖层，这就减少了聚合反应的程度并且推迟了初始硬化的时间。即使这种情况出现，白砂在聚合作用里展现了良好的性能，并且最大抗压强度达到了20Nmm2o随着水胶比的增加，在两种温度下，强度都会下降。因此，和其他两种情况相比，水胶比为40%时，达到最高的抗压强度。4.2.2 粉煤灰地质聚合物粉煤灰地质聚合物水泥由表6中的成分组成。碱激催化剂被控制在和白砂地质聚合物相同，为了能够了解二者的不同。80和90的粉煤地质聚合物的抗压强度分别如图19,20所示。不同于白砂聚合物，当水胶比增加时，其强度保持增长。这是由于粉煤灰需要更多的碱性催化剂。然而，温度对于强

14、度的影响和白砂是相同的。当温度升高时，强度增加。当水胶比为50%和60%,养护温度为90时，达到最大强度30Nm90下，水胶比为40%的最大强度和白砂地质聚合物几乎相同，当温度为80C时也是如此。二者最大的不同在于粉煤灰地质聚合物在养护一天后即可达到强度的要求，而白砂地质聚合物要在养护六天后才能达到。产生如此现象的原因有很多。即使两者都是火山灰水泥并具有相似的特性，原因之一是白砂是沉淀物而粉煤灰是副产物。白砂经过几千年的沉淀，经历了自然环境的变换，已经改变了颗粒表层的性质。另一个原因是在这些组分中碱含量不足。全部的试验结果表明白砂可以被应用于地质聚合物中，这是基于一个事实，即白砂混凝土在高达I3OC的高温环境下，具有良好的耐久性能。4结论石膏板中的石膏进行再利用，应用于路面砂浆，这己经处于研究阶段。利用白砂作为骨料，由于渗透好的特点，有利于路面获得良好的渗透性能。从当前的与研究工作中可以得知，在胶凝材料中，白砂能够在很长的养护时期后，具有较强的火山灰反应性。因此，在比较横河和郡山的白砂不同特性的时候，郡山白砂具有更好的性能，因为微粒具有更高的火山灰反应活性。这将有助于长期保持路面良好的渗透性能。和粉煤灰相比，地质聚合物白砂的实验结果更令人满意。实验中水胶比变化不明显，应该放大试样的水胶比和碱催化剂含量的异同，这样才能清楚的了解白砂在其中所起到的作用。