腐蚀环境下地聚物再生混凝土冻融循环损伤机理及力学性能研究

As the awareness is growing of climate change resulting from environmental pollution, to reuse solid waste and reduce the greenhouse emission, which is mostly carbon dioxide (CO2) are the essence for all the human beings activities and guarantee of the sustainable development. This project considers from the sustainable development standpoint, reusing waste concrete as recycled coarse aggregate to replace the nature coarse aggregate in new concrete, as well as using alkali-activated fly ash to substitute cement completely, to prepare the fly ash-based geopolymeric recycled concrete (GRC). This new concrete could recycle construction waste and also avoid CO2 emission during the cement manufacturing process. A series of experimental studies would be conducted to investigate the physical and mechanical properties, the freeze-thawing resistance ability in sulfate corrosion solution, as well as microstructure of such new concrete. To reveal the effects of different recycled aggregate replacement ratios (r%) on strain-stress relationship, basic mechanical properties, freeze-thawing resistance and microstructure of the GRC by comparing with ordinary concrete. Furthermore, propose the improvement methods for freeze-thawing resistance ability of such concrete. The research work would provide novel mentality and practical references about application and advanced development of recycled coarse aggregate as well as geopolymer concrete.

随着人们对污染造成的气候变化问题的警觉意识不断加强，有效再生利用固体垃圾和减小温室效应气体（主要是二氧化碳CO2）的排放成了当前指导人类社会活动的宗旨和保证可持续发展的目标。本课题从可持续发展的观点出发，用废弃混凝土作为再生粗骨料代替新混凝土中的粗骨料，同时利用碱溶液激发粉煤灰来完全代替水泥，配制出既能循环利用建筑垃圾又能避免生产水泥所产生CO2的粉煤灰基地聚物再生混凝土。课题以试验研究为主，针对不同再生粗骨料取代率的地聚物再生混凝土的物理力学性能、在腐蚀环境中冻融循环条件下的力学特性以及微观结构等展开系列研究。通过与普通混凝土对比分析的基础上，揭示不同再生粗骨料取代率对这种新型建筑材料的应力-应变关系、基本力学性能、抗腐蚀冻融循环性能以及微观结构的影响规律，进而提出改善此类混凝土抗腐蚀冻融循环性能的方法。为再生粗骨料的应用和地聚物混凝土的发展提供新的发展思路和实际的指导。

早期的研究发现与传统水泥相比地聚物拥有更优异的力学性能、耐久性能及环保性能。因粉煤灰基地聚物混凝土既替代了水泥又利用了工业固体废弃物，同时，考虑用再生粗骨料代替天然骨料，可以进一步达到资源合理再利用的节能目标。因此，粉煤灰基地聚物再生混凝土（GRC）具有广阔的研究和应用前景。而GRC要作为一种应用型工程材料，其耐久性是影响工程应用的重要指标。本项目利用正交实验方法设计和优化了不同再生粗骨料（RA）取代率（0%，50%，100%）的GRC和普通再生混凝土（RAC）的配比方案，同时对比了不同养护条件和掺入水泥的GRC力学性能的影响，进而依据国家标准GB/T 50082-2009实验研究了不同混凝土在不同硫酸盐侵蚀环境中的干湿循环性能，以及对比了掺入不同比例（0%，1%，3%）纳米二氧化硅Nano-SiO2的地聚物混凝土的冻融循环性能。同时，借助扫描电子显微镜（SEM）、X射线能谱（EDS）、电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）等分析手段对GRC，RAC和掺入Nano-SiO2的地聚物混凝土的抗硫酸盐和冻融侵蚀性能及其破坏机理进行了研究。实验结果及分析表明：（1）最优的GRC配合比方案为A2B1C2D1，即水胶比为0.75，Na2SiO3/ NaOH为1.5，Na2SiO3溶液浓度为12M和砂率为0.3。（2）对于GRC的养护方式建议先在室温下放置大约24h然后再在80℃烘箱内养护大约24h最后拆模并将试件放置在标准养护条件下养护至实验龄期。（3）RA掺量对RAC抗硫酸盐侵蚀性能起着决定性作用；高浓度硫酸钠干湿循环环境不会对GRC造成侵蚀破坏反而会加速其强度发展，其强度随RA取代率增大而减小，则说明再生骨料的缺陷是影响GRC强度的关键因素。（4）质量变化率不适宜用于抗硫酸盐侵蚀性能变化的评价标准，动弹性模量能够作为其评价指标之一。（5）GRC中掺入NS会降低混凝土的吸水率；适当的NS能够提高GRC的抗压强度和劈裂强度，但是，NS对其冻融循环性能有不利作用。（6）微观分析发现暴露于硫酸盐环境中OPC和GRC具有不同的结构物质形态变化过程，OPC中产生的膨胀性产物使结构变得松散多孔，GRC不会产生对结构有害的膨胀性产物，其强度大小与试样中低钙高硅铝比的致密胶体有关。