再生混凝土骨料微生物矿化改性及其机理研究

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近年来,随着我国新型城市化的持续深入,建筑废弃物也相应增多。发展城市化的同时,对于骨料资源的需求量仍在持续增长。因此,利用建筑废弃物制备成的再生骨料作为一种可持续再生资源具有良好的应用前景。然而,因再生骨料本身颗粒形状不规则且表面存在大量的老旧砂浆和微裂纹导致其孔隙率、吸水率和压碎指标等性能与天然骨料相比较差,使其难以作为常规的建筑资源在工程建设中进行大规模的应用。本文利用微生物诱导矿化沉积技术对再生骨料进行改性处理,以此来提高再生骨料的品质。首先,从细菌浓度、温度、pH值和钙离子浓度等方面探明微生物在溶液中的最优矿化反应条件。在此基础上,研究不同微生物矿化改性工艺(改性工艺A、B、C和D)下再生骨料的品质提升效果,得出最佳改性工艺。并以吸水率、压碎指标和表观密度等为评判依据,探明最佳改性工艺下再生细骨料(0-4.75 mm)与再生粗骨料(5-10 mm、10-20 mm)的微生物矿化改性效果。其次,将微生物矿化改性后的再生骨料分别制成再生砂浆和再生混凝土,研究再生砂浆和再生混凝土的工作性能、力学性能、耐久性能的变化,并与天然骨料和改性前再生骨料制成的砂浆和混凝土性能进行对比分析,探明微生物矿化改性后再生砂浆和再生混凝土性能变化规律。最后,通过微观测试手段探明微生物矿化改性后再生骨料以及再生砂浆和混凝土的微观性能变化,揭示再生骨料微生物矿化改性机理。取得的主要研究结论如下:(1)当pH值为9.5、细菌浓度为108 cells/mL、钙离子浓度为0.5 mol/L和温度为30℃时微生物的矿化能力最佳。再生骨料受不同改性工艺的影响较大,改性工艺D对三种不同粒径的再生骨料的改性效果最好。再生细骨料(0-4.75 mm)的吸水率降低了 25.7%,压碎指标下降了 4.2%,表观密度提高了 2.6%;再生粗骨料(5-10 mm)的吸水率降低了 15.5%,表观密度提高了 2.8%;再生粗骨料(10-20 mm)的吸水率降低了 20.6%,压碎指标下降了 18.1%,表观密度提高了 2.5%。(2)与未改性的再生骨料制成的再生砂浆和再生混凝土相比,在工作性能方面,经微生物矿化改性的再生骨料制成的再生砂浆的流动度和再生混凝土的坍落度均有所改善。在力学性能方面,经微生物矿化改性的再生骨料制成的再生砂浆和再生混凝土的28d抗压强度分别提高了 7.0%和10.5%。在耐久性能方面,经微生物矿化改性的再生骨料制成的再生砂浆和再生混凝土的毛细吸水系数降低,抗氯离子渗透性能提高。(3)SEM-EDS及XRD分析结果表明,微生物矿化改性后再生骨料表面形成了致密的矿化沉积产物,沉积产物为方解石型碳酸钙,同时碳酸钙晶体表面发现细菌印迹,说明微生物参与了碳酸钙的沉积过程。金相显微镜分析结果表明,微生物矿化改性后再生骨料表面的沉积层分布较为连续均匀。MIP测试结果表明,微生物矿化改性后再生骨料的孔隙率降低。说明微生物矿化形成的碳酸钙有效地填充了再生骨料表面的孔隙和微裂纹,从而降低了再生骨料的吸水率和压碎指标,提高了表观密度。经微生物矿化改性后的再生砂浆和混凝土的界面过渡区微观结构得到改善,从而提升再生砂浆和再生混凝土的宏观性能。
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