改性橡胶再生混凝土抗压性能及碳排放研究

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中国城市建设如火如荼的当下,不可避免地伴随着大量的建筑垃圾,这是一个必须面对的严峻问题。虽然每年产生约占城市垃圾总量三分之一的建筑垃圾,但资源化利用率不到10%。另外,废旧橡胶也是我国常见的固体废弃物,长途运输后再填埋的现有处理方式,除了需要大量的运费外,还带来大量的土地污染。如何有效循环利用这些固体废弃物是目前我国亟需解决的热点问题。从国内外现有研究来看,将建筑垃圾和废旧橡胶替代部分原材料制备再生混凝土是一项未来可期的绿色再生技术,既可减轻环境污染,又可以节省建筑原材料的消耗、产生经济效益,对可持续发展具有战略意义。然而,由于建筑垃圾再生骨料孔隙率高、吸水率大和强度低等缺陷,以及废旧橡胶颗粒强度和弹性模量低等缺点,建筑垃圾再生骨料和废旧橡胶颗粒的掺入会不同程度劣化混凝土的力学性能和耐久性能,这些不足严重阻碍了再生混凝土的发展。因此,研发高性能的再生混凝土,并探明其基本力学性能和生态特征,从而推广应用,对推动我国绿色建筑发展具有重要的科学研究意义和工程应用价值。为此,本研究基于再生骨料改性技术,利用建筑垃圾和废弃橡胶研制适用于土建工程的高性能环保建筑材料—橡胶再生混凝土(RRAC),进而探讨该类新型混凝土的轴压力学行为,揭示其破坏机理,并分析RRAC全生命周期的碳排放特征。本文的主要研究内容与结论如下:(1)利用建筑垃圾生成的再生骨料取代天然粗骨料、采用废旧橡胶颗粒取代天然细骨料,研制了C30和C40强度等级的RRAC,并以橡胶颗粒粒径和水胶比为变量,探讨了橡胶颗粒粒径和水胶比对RRAC工作性能和抗压强度影响规律。研究结果表明:RRAC的工作性能良好,橡胶的掺入会一定程度提高再生混凝土的坍落度;橡胶颗粒的加入对混凝土的抗压强度有明显的负面作用;随着水灰比的增加和橡胶粒径的减小,橡胶再生混凝土的抗压强度下降。(2)利用纳米Si O2溶液和硅烷偶联剂组合改性方法处理橡胶颗粒,利用纳米Si O2溶液改性建筑垃圾再生骨料,探讨了不同改性方式对RRAC基本力学性能的影响规律。研究结果表明:纳米Si O2能够填充再生粗骨料孔洞,改善再生骨料和橡胶界面的性能,使RRAC抗压强度提升5%-10%;硅烷偶联剂能够与纳米Si O2反应,形成网状结构,提升纳米Si O2改性效果,同时硅烷偶联剂本身也对橡胶有改性效果,两者组合改性能提升RRAC抗压强度15%-20%;对再生粗骨料和橡胶颗粒同时采用纳米Si O2溶液处理的效果不如对单一骨料进行处理的效果好,这主要是因为再生粗骨料表面的纳米Si O2分子容易与橡胶颗粒表面的纳米Si O2分子发生聚集。(3)以橡胶掺量、橡胶粒径和水胶比和改性方法为试验变量,采用正交试验法,开展了改性RRAC抗压性能的试验研究,分析了RRAC的应力应变关系、弹性模量、抗压韧性和破坏模式等关键力学指标,并采用扫描电子显微镜分析了RRAC的微观结果,揭示了RRAC破坏机理。研究结果表明:在橡胶含量处于小于15%的低水平范围里,橡胶含量对橡胶再生混凝土的弹性模量影响不大;加入橡胶颗粒粒径越大,橡胶混凝土内部容易发生橡胶内部破坏,加入较小粒径的橡胶颗粒,裂缝更容易出现在橡胶界面处;橡胶颗粒内部及橡胶界面首先出现裂缝,这些裂缝逐渐延伸贯通,导致整个试件破坏;加入单一粒径的橡胶再生混凝土比加入连续级配粒径的橡胶再生混凝土具有更好的抗压性能。(4)基于全生命周期理论,评价了RRAC的CO2排放量,考虑RRAC制备、运输、施工建造和拆除4个阶段,构建了RRAC全生命周期的碳排放量化模型,建立了CO2排放量的计算方法,通过收集各阶段基础数据,明确各阶段的碳排放系数。在RRAC制备阶段,原材料生产碳排放系数与生产量决定了生产该类材料的碳排放量;运输、施工及拆除阶段碳排放量主要来自运输工具及施工设备消耗能源与能源直接或间接碳排放系数的乘积,累和以上结果即可得到1 m3的RRAC碳排放量。除计算RRAC的全生命周期碳排放量外,还开展了RRAC成本分析工作。研究结果表明:RRAC具有良好生态特征,其全生命周期总碳排放量要比普通混凝土低15%以上;在全生命周期中,RRAC的碳排放主要发生在生产制备阶段,占总碳排放量约90%;在RRAC制备阶段,生产原材料带来的碳排放量占主导地位,占95%以上;在混凝土制备阶段,与普通混凝土相比,RRAC的碳排放量能降低近20%;在制备成本方面,RRAC的成本比普通混凝土略有上升,涨幅约在4-8%,考虑到其在环境影响上带来的正面经济效应,可认为RRAC在经济上具备可行性。
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