CO_%282%29矿化养护建筑垃圾再生砖的性能研究.pdf

基 金 项 目 院西 安 市 科 协 青 年 人 才 托 举 计 划 项 目渊095920221368冤曰陕西省重点研发计划项目渊2021SF-514冤曰陕西省住房城乡建设科技研发开发计划项目渊2020-k11冤遥0引言随着我国新型城镇化和乡村振兴建设的不断推进袁混凝土的需求量持续增大袁砂尧石骨料作为混凝土中的重要组分之一袁其用量也随之增大1遥 但是袁出于环境保护考虑袁各地相继出台了限制天然砂尧石骨料开采的相关政策袁导致天然砂尧石骨料供应紧张遥 因此袁寻求合适的天然砂尧石骨料替代品成为了建筑行业关注的重点之一遥 同时袁建筑行业每年会产生大量的建筑垃圾袁从广义上讲袁建筑垃圾是指建筑物尧构筑物等在铺筑尧建设或拆除过程中所残留下来的弃土尧弃料尧淤泥及其他废弃物2袁对建筑垃圾进行合理的回收利用对于可持续发展意义重大遥 据统计袁在全球范围内袁虽然日本尧德国尧荷兰等部分发达国家的建筑垃圾回收利用率在 80%CO2矿化养护建筑垃圾再生砖的性能研究王震1袁2袁周文嘉3袁李有财4袁朱亮亮3袁*袁刘立熙5袁*袁陈曦61.陕西华山路桥集团环保科技有限公司袁陕西 西安 710026曰2.陕西华山路桥集团有限公司袁陕西 西安 710016曰3.西北大学 化工学院袁陕西 西安 710069曰4.霖和气候科技渊北京冤有限公司袁北京 100025曰5.西安建筑科技大学 交叉创新研究院袁陕西 西安 710055曰6.哥伦比亚大学 地球工程中心地球与环境工程系袁纽约 NY10027摘要院以建筑垃圾为主要原材料制备了建筑垃圾再生砖袁研究了 CO2矿化养护时间渊2尧6尧12尧24 h冤和 CO2浓度渊20%尧30%尧50%冤对建筑垃圾再生砖抗压强度和固碳率的影响遥 结果表明院随着 CO2矿化养护时间的增加袁试件的抗压强度和固碳率增大曰随着 CO2浓度的增加袁试件的抗压强度在 CO2矿化养护 6 h 内呈增大趋势袁在 CO2矿化养护 12 h后呈先增大后减小的趋势曰试件的固碳率随着 CO2浓度的增加而增大曰综合考虑成本尧抗压强度和固碳率袁推荐 CO2矿化养护时间为 12 h袁CO2浓度为 20%遥关键词院建筑垃圾再生砖曰CO2矿化养护曰抗压强度曰固碳率中图分类号院TU522.1文献标识码院Adoi院10.19761/j.1000-4637.2023.09.086.04Study on properties of construction waste recycled bricks with CO2mineral curingWANG Zhen1袁2,ZHOU Wenjia3,LI Youcai4,ZHU Liangliang3袁*,LIU Lixi5袁*,CHEN Xi61.Shaanxi Huashan Road and Bridge Group Environmental Protection Technology Co.,Ltd.,Xi爷an 710026,China;2.ShaanxiHuashan Road and Bridge Group Co.,Ltd.,Xi爷an 710016,China;3.School of Chemical Engineering,Northwest University,Xi爷an 710069,China;4.Linhe Climate Science and Technology(Beijing)Co.,Ltd.,Beijing 100025,China;5.Cross InnovationResearch Institute,Xi爷an University of Architecture and Technology,Xi爷an 710055,China;6.Department of Earth andEnvironmental Engineering,Columbia University,New York NY10027,United StatesAbstract:Using construction wastes as the main raw materials,the construction waste recycled bricks were prepared.The effects of CO2mineral curing time(2,6,12,24 h)and CO2concentration(20%,30%,50%)on the compressive strengthand carbon sequestration rate of construction waste recycled bricks were studied.The results show that as the CO2mineralcuring time increases,the compressive strength and carbon sequestration rate of the specimens increase.With the increase ofCO2concentration,the compressive strength of the specimen shows an increasing trend within 6 hours of CO2mineral curing,and a first increasing and then decreasing trend after 12 hours of CO2mineral curing.The carbon sequestration rate of thespecimen increases with the increase of CO2concentration.Taking into account cost,compressive strength,and carbonsequestration rate,it is recommended that the CO2mineral curing time is 12 hours and the CO2concentration is 20%.Keywords:Construction waste recycled brick;CO2mineral curing;Compressive strength;Carbon sequestration rate圆园23 年第 9 期混 凝 土 与 水 泥 制 品圆园23 晕燥.99 月悦匀陨晕粤 悦韵晕悦砸耘栽耘 粤晕阅 悦耘酝耘晕栽 孕砸韵阅哉悦栽杂September86-图 1建筑垃圾的粒径分布Figure 1Particle size distribution of construction waste以上袁但大多数国家袁尤其是发展中国家的建筑垃圾回收利用率较低3遥 目前袁常见的建筑垃圾回收再利用方式是将其制成再生骨料袁但众多研究结果表明袁再生骨料混凝土的性能与天然骨料混凝土相比较差袁 这主要是因为再生骨料自身的性能较差所致4-6遥 再生骨料表面附着有旧水泥砂浆袁而旧水泥砂浆通常具有密度较低尧吸水率较高尧微裂纹较多等不足遥 近年来袁研究人员们主要致力于改善再生骨料混凝土力学性能和耐久性能的研究袁改进方法大致可分为以下几种院 淤去除再生骨料上的附着水泥砂浆曰于采用物理尧化学等方法强化再生骨料的性能曰盂强化再生骨料混凝土的整体性能7遥国内外关于采用 CO2矿化养护 渊以下简称 CO2养护冤水泥基材料的想法最早出现在 20 世纪 70 年代袁由于纯 CO2的生产成本高袁且存在风化碳化的负面影响袁导致该方法的推广应用受到限制遥然而袁进入21 世纪以来袁 减少温室气体排放的紧迫性使人们再次关注到了 CO2养护技术袁据报道袁我国 2020 年的CO2排放量为 9.83伊109t8遥 CO2通过与水泥基材料中的活性组分渊如 C3S尧C2S 等冤快速反应袁生成碳酸盐产物袁从而填充基体中的缺陷袁密实界面过渡区袁进而提高水泥基材料的早期强度9-10遥 其中袁CaCO3具有稳定性和不溶性袁可使 CO2被永久封存11遥 此外袁CO2养护相比传统的蒸汽养护更省时袁这是因为 CO2养护能使新浇筑的混凝土更快硬化12遥 ROSTAMI 等13指出袁经过近年来的持续研究袁CO2养护成本已经可与蒸汽养护相当袁甚至更低遥 综上袁采用 CO2养护具有以下几点优势院淤减少温室气体袁符合我国野双碳冶政策要求曰于提高水泥基材料的性能曰盂经济效益良好14遥综上袁目前关于采用 CO2养护提高再生骨料混凝土性能袁尤其是建筑垃圾再生砖性能的研究相对较少遥 同时袁为响应我国野双碳冶政策袁本文研究 CO2养护时间和 CO2浓度对建筑垃圾再生砖抗压强度的影响袁并对其固碳率进行分析袁以期为类似研究提供参考遥1试验概况1.1原材料建筑垃圾院陕西华山路桥集团环保科技有限公司提供的废弃混凝土遥 先对建筑垃圾进行简单挑选袁以去除其中的塑料尧木板等杂质15袁再用破碎机进行初步破碎袁然后进行清洗尧烘干尧筛分袁即得到粒径为 0.388.00 mm 的再生骨料袁其粒径分布见图1袁性能指标符合 JG/T 505要2016叶建筑垃圾再生骨料实心砖曳和 GB/T 14684要2022叶建设用砂曳中的相关要求袁主要化学成分见表 1遥水泥院海螺 P 窑 O 42.5 级水泥袁主要化学成分见表 1遥CO2气体院由西安市东海气体站提供袁纯度为 99.9%遥水院自来水遥1.2配合比依据 JG/T 505要2016 设计建筑垃圾再生砖的配合比袁试验水灰比为 0.3袁水泥掺量占固体物料质量的 12%袁建筑垃圾掺量占固体物料质量的 88%遥1.3试验方案将水泥尧建筑垃圾尧水倒入 0.75 m3的卧式强制式搅拌机中搅拌至均匀袁随后迅速将料浆倒入尺寸为 235 mm伊115 mm伊55 mm 的模具中袁 待试件压制成型后脱模袁然后置于温度为渊25依5冤益尧相对湿度为渊45依5冤%的恒温恒湿箱中预养护 72 h袁 随后再进行2尧6尧12尧24 h 的 CO2养护遥 其中袁CO2浓度分别为20%尧30%尧50%袁养护压力尧温度尧湿度分别为 0.6 MPa尧渊25依2冤益 尧渊60依5冤%遥预养护的目的是为了缩短 CO2养护时间袁并获得更加理想的固碳率和抗压强度16遥此外袁 本文还设置了一组标准养护 84 h 的试件袁用来与 CO2养护 12 h 试件的早期强度进行对比曰一组标准养护 28 d 的试件作为参照组袁用来评价 CO2养护的实用性遥1.4测试方法抗压强度测试院按照 GB/T 4111要2013叶混凝土砌块和砖试验方法曳测试试件的抗压强度遥固碳率测试院通过质量称重法确定建筑垃圾再生表 1建筑垃圾和水泥的主要化学成分Table 1Main chemical compositions of construction wasteand cement100806040200110粒径/mm分计累计%名称 SiO2CaO Al2O3Fe2O3K2OMgO Na2OSO3TiO2建筑垃圾58.11 13.79 12.78 4.523.012.262.171.820.54水泥 19.70 61.79 6.323.651.123.170.333.150.48CO2矿化养护建筑垃圾再生砖的性能研究王震袁周文嘉袁李有财袁等87-砖在 CO2养护前后的质量袁并按式渊1冤计算固碳率遥棕=渊m2-m1+m3冤/m2伊100%渊1冤式中院棕 为固碳率曰m1为 CO2养护前的试件质量曰m2为 CO2养护后的试件质量曰m3为 CO2养护过程中试件中排出的自由水量遥碳化程度测试院 将配制好的 1%酚酞溶液喷于CO2养护试件的断裂截面上袁观察颜色变化遥2结果与分析2.1抗压强度抗压强度试验结果见图 2袁 抗压强度增长率见图 3遥其中袁抗压强度增长率为相同 CO2浓度下袁某一CO2养护时间对应的试件抗压强度与临近的下一CO2养护时间对应的试件抗压强度之间的变化率遥由图 2尧图 3 可知袁相同 CO2浓度下袁随着 CO2养护时间的增加袁 试件的抗压强度基本呈增大趋势袁但抗压强度增长率则基本呈降低趋势遥 例如袁当CO2浓度为 30%时袁 试件的抗压强度在 26 h 内提高较快袁 在 612 h 内提高速率有所降低袁12 h 以后变化很小遥 可见袁适当延长 CO2养护时间对于提高建筑垃圾再生砖的抗压强度有利袁尤其是早期抗压强度遥 但是袁考虑到 CO2养护时间过长会导致成本增加遥 因此袁综合抗压强度袁本文推荐 CO2养护时间为 12 h遥由图 2 还可知袁当 CO2养护时间为 2 h尧6 h 时袁随着 CO2浓度的增加袁试件的抗压强度增大遥当 CO2养护时间为 12 h尧24 h 时袁随着 CO2浓度的增加袁试件的抗压强度先增大后减小袁 这可能是由于当 CO2浓度较高时袁导致前期反应过快袁生成的大量 CaCO3晶体包裹在水泥颗粒表面袁阻碍了水泥的进一步水化3袁9曰另外袁过度的碳化会导致水化产物 C-S-H 脱钙甚至分解成硅胶袁从而造成抗压强度降低10遥可见袁在 CO2养护 6 h 内袁 增大 CO2浓度可以有效提高建筑垃圾再生砖的抗压强度遥 但是袁在 CO2养护 12 h后袁一味地通过增大 CO2浓度来提高抗压强度并不可取遥 综合考虑成本袁在 CO2养护时间为 12 h 的情况下袁CO2浓度为 20%和 30%试件的抗压强度仅相差4.32%袁差距较小遥 因此袁本文推荐 CO2浓度取 20%遥此外袁 由图 2 还可知袁CO2养护 12 h 试件的抗压强度显著高于同龄期下标准养护 84 h 试件的抗压强度袁 这是因为 CO2养护时发生了碳化反应袁迅速生成了适量 CaCO3袁其不仅具有一定的强度袁而且能够填充基体中的毛细孔袁提高密实度17-18曰另外袁适量 CaCO3晶粒能够产生成核效应袁促进后续的水化反应18袁从而提高抗压强度遥 例如袁当 CO2浓度为20%尧30%时袁CO2养护 12 h 试件的抗压强度分别为13.9 MPa尧14.5 MPa袁 而同龄期的标准养护 84 h 试件的抗压强度仅为 10.1 MPa袁 提高幅度分别为37.62%尧43.56%遥 此外袁与 CO2养护 6尧12尧24 h 的试件相比袁标准养护 28 d 试件的抗压强度较低袁说明采用 CO2养护能在保证建筑垃圾再生砖抗压强度的同时袁显著节省养护时间袁提高养护效率遥2.2固碳率固碳率试验结果见图 4遥由图 4 可知袁相同 CO2浓度下袁随着 CO2养护时间的增加袁试件的固碳率增大袁但增大速率逐渐变缓袁且在 CO2养护 12 h 后变化很小遥 相同 CO2养护时间下袁随着 CO2浓度的增加袁试件的固碳率增图 2建筑垃圾再生砖的抗压强度Figure 2Compressive strengths of construction wasterecycled bricks图 3抗压强度增长率Figure 3Growth rates of compressive strength15141312111090481216202428CO2养护时间/hCO2浓度 20%CO2浓度 30%CO2浓度 50%标养 28 d12.2 MPa标养 84 h10.1 MPa2520151050-5266121224CO2养护时间/hCO2浓度 20%CO2浓度 30%CO2浓度 50%3.53.02.52.01.50481216202428CO2养护时间/hCO2浓度 20%CO2浓度 30%CO2浓度 50%图 4建筑垃圾再生砖的固碳率Figure 4Carbon sequestration rates of construction wasterecycled bricks圆园23 年第 9 期混凝土与水泥制品总第 329 期88-图 5CO2养护试件的碳化情况Figure 5Carbonation of specimens under CO2curing渊a冤CO2浓度 20%渊b冤CO2浓度 30%渊c冤CO2浓度 50%2 h12 h24 h2 h2 h2 h12 h24 h12 h24 h大袁但考虑到本试验中的水泥占比为 12%袁相对较少袁水泥对过度碳化较为敏感袁容易造成抗压强度下降袁故 CO2浓度不宜过高遥2.3碳化程度CO2养护试件的碳化程度见图 5袁 图 5 中的深色部位为未碳化区域遥由图 5 可知袁 相同 CO2养护时间下袁 随着 CO2浓度的增加袁 试件上的深色区域面积逐渐减小袁表明碳化程度提高遥 相同 CO2浓度下袁随着 CO2养护时间的增加袁试件上的深色区域面积减小袁且有明显的碳化边缘袁 表明碳化反应是一个扩散过程袁在此过程中 CO2分子不断向试件中心扩散遥 试件的碳化程度在一定程度上解释了抗压强度和固碳率随CO2养护参数变化的原因遥3结论渊1冤在本文试验范围内袁除了 CO2养护时间为2 h尧CO2浓度为 20%的试件外袁其余 CO2养护试件的抗压强度均满足 JG/T 505要2016 规定的 MU10 要求遥渊2冤同龄期下袁CO2养护试件的抗压强度比标准养护试件的抗压强度高遥 与 CO2养护 6尧12尧24 h 的试件相比袁 标准养护 28 d 试件的抗压强度较低袁说明采用 CO2养护能在保证建筑垃圾再生砖抗压强度的同时袁提高养护效率遥渊3冤相同 CO2浓度下袁试件的固碳率随着 CO2养护时间的增加而增大遥 相同 CO2养护时间下袁试件的固碳率随着 CO2浓度的增加而增大遥渊4冤综合考虑成本尧抗压强度和固碳率袁推荐CO2养护时间为 12 h袁CO2浓度为 20%遥参考文献院1 张双艳,马啸.再生骨料取代率对混凝土性能的影响J.混凝土世界,2019(5):66-70.2 吴建超,程宇东,钟彤,等.建筑垃圾再生骨料强化研究综述J.环境卫生工程,2022,30(2):53-62.3 DLADLA I,MACHETE F,SHALE K.A review of factorsassociated with indiscriminate dumping of waste in elevenAfrican countriesJ.African Journal of Science,Technology,Innovation and Development,2016,8(5):475-481.4 王亚松,覃铃玲,李松,等.建筑垃圾再生骨料改性技术研究进展J.混凝土与水泥制品,2022(9):99-105.5 陈旭勇,刘榴,程书凯,等.再生粗骨料品质和掺量对再生混凝土力学性能的影响J.混凝土与水泥制品,2022(12):89-93.6 孙柯华,沈阳,王伟,等.不同材料增强处理再生骨料对混凝土抗压强度的影响J.混凝土与水泥制品,2021(5):95-99.7 LIANG C F,PAN B H,MA Z M,et al.Utilization of CO2curingto enhance the properties of recycled aggregate 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