掺加固体废物和纳米颗粒的绿色混凝土研究
发布时间：2021-06-11 来源: 作者：
目前，国内绿色混凝土的生产和应用仍处于起步阶段。本文通过介绍掺加固体废物和纳米颗粒的绿色混凝土研究进展，旨在推广介绍绿色混凝土技术，提高人们废物利用的意识，从而逐步降低目前工程中普通硅酸盐水泥的大量生产对环境带来的不利影响。
一、绿色混凝土中常掺加的固体废弃物
（一）农业废弃物
以植物为基础的农业废弃物（如稻壳、锯末等木材废料、棕榈油燃料灰和椰子壳等）是生产绿色混凝土的可持续资源。
1.稻壳灰
稻壳是一种农业废弃物，这种天然废物的处理会造成环境污染。稻壳灰具有极高的表面积，它含有90-95%的二氧化硅，而普通硅酸盐水泥仅含有21%的二氧化硅。因此，稻壳灰掺入混凝土混合物(绿色混凝土)中后，可以改善和易性、提高强度并减少水泥用量。掺入稻壳灰改性的混凝土具有优异的抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量。
2.锯木灰
锯木灰是燃烧废木材料的副产品，将锯木灰加入混凝土中，不仅可以解决锯木灰的处理对环境危害的问题，也有利于混凝土生产的可持续发展，并且能替代火山灰等其它掺加物。因此，不失为一种很好的选择。
3.棕榈燃料灰
棕榈燃料灰是一种来源于棕榈残留物的农业废料，它来源于棕榈纤维和贝壳。棕榈燃料灰和粉煤灰加入钢筋混凝土，同时加入减水剂，可提高水泥混凝土的施工和易性、填充能力、流动性。从总体上来看，棕榈燃料灰可以作为一种水泥混凝土的胶结材料，可以取代混凝土和砂浆中20%的水泥。
4.椰子壳
椰子壳和贝壳的处理是目前另一个存在的环境问题。制备椰子壳骨料的实验方法是在干燥的20-35℃室内，将椰子壳燃烧、研磨成碎片，并筛分出粒径为12mm的颗粒，然后用于水泥混凝土中替代部分粗骨料，以减少水泥混凝土生产时对环境资源的消耗。
（二）工业资源
1.粉煤灰
粉煤灰是煤炭燃烧的工业残渣，粉煤灰改性混凝土与水泥的氢氧化钙发生反应，形成强度更高、耐久性更好的化合产物。粉煤灰改性混凝土既消耗掉污染自然资源的有毒化学物质，还减少了能源的损耗和二氧化碳的排放。
2.磨细的高炉矿渣
磨细的高炉矿渣是高炉炼铁熔融后的副产品，其组成成分取决于炼铁过程中使用的原材料。使用磨细的矿渣部分替代水泥(最高可达40%)，其抗压强度和抗弯强度均高于普通硅酸盐水泥改性的混凝土。因此，使用高炉矿渣改性的混凝土结构是一种应用于路面、管道、地基和海洋设施的可持续建筑材料。
3.铸造废砂
铸造废砂是铁合金和有色金属铸造工业的副产品，具有高质量的二氧化硅并具备各向同性，在使用其替代水泥混凝土部分细骨料（最高达30%）后，其抗压、劈裂、抗拉和抗折强度均能有所提高，并满足规范要求。此外，当用作塑模材料时，铸造废砂还具有很好的高导热性。
4.玻璃棉纤维
玻璃棉是由天然砂和回收玻璃在1450℃的温度下混合制成。在实验室研究中，将玻璃纤维掺加到混凝土中，结果表明在混凝土养生的28天内，混凝土的抗压、抗弯和劈裂强度均有所提升。同时，碱硅反应膨胀率、吸水率和吸水率均有所降低。
（三）生物废料
1.牛粪灰
牛粪灰等生物废物是制作绿色可持续混凝土的材料之一，牛粪灰改性混凝土可以减少二氧化碳排放，有较好的强度、抗腐蚀性、抗裂性和耐久性。
2.油棕茎纤维
油棕茎纤维作为一种生物废料资源用于混凝土加固时颇具潜力，它可以明显提高混凝土的力学性能和耐久性。研究表明随着纤维含量的增加，混凝土的干缩现象有所减弱，因此能有效地抑制混凝土裂缝的产生。
3. 海洋垃圾
牡蛎壳废弃物是数量庞大的海洋产物，将其视为固体废弃物进行填埋比较困难。通过机械或人工将其碾碎，然后筛至最佳粒度便可以作为集料使用。经过研究发现使用牡蛎壳废料的人行道材料抗裂性极好。
二、绿色混凝土中的纳米颗粒
纳米颗粒主要是在原子水平上研究小于100纳米的颗粒。由于纳米颗粒的比表面积和体积比较高。纳米颗粒可作为填料和活化剂应用于普通混凝土结构中，由于普通混凝土中含有二氧化硅，在添加纳米以后可以改善混凝土的颗粒聚团现象，促进水泥的水化过程，进而改变混凝土的微观结构。并减少混凝土的渗透性问题、提高混凝土的力学性能。同时，混凝土结构经常与水相接触时，会出现钙浸出问题。在水泥中添加纳米二氧化硅可以减缓这种降解问题。纳米二氧化硅由于C-S-H凝胶的形成而起到了纳米填料的作用，水泥基体的密度随之增大，进而提高了材料的强度和耐久性。
纳米二氧化硅部分替代水泥后，混凝土在不同龄期强度均有提高。通过在混凝土结构中添加二氧化钛纳米颗粒替代水泥可以实现额外的抗菌、自清洁性能和耐久性，而纳米碳酸钙在混凝土结构中的使用起到填料的作用，并提供额外的强度和加快水泥水化速率。现在研究一致认为，纳米颗粒提高了混凝土的劈裂抗拉强度和抗弯强度，并缩短了其凝结时间。
三、结论
通过对农业、工业和生物产生的固体废物进行循环使用，可减少水泥在混凝土结构中的使用，可以减少二氧化碳排放。同时，将这些废料作为混凝土的外掺料，可以获得更好的和易性、强度和耐久性。利用纳米颗粒制备绿色混凝土，通过减少自然资源的使用和温室气体的排放来获得高性能混凝土。这两种方法均是真正做到绿色混凝土，值得在实际工程中进一步推广应用。（高胜欣）
（审核专家 王一臣）
责任编辑：韦红媛
