废弃混凝土中水泥石相的再生胶凝性研究

为缓解水泥混凝土原材料资源日益紧缺的状况，解决急剧增加的废弃混凝土所引起的系列环境、社会问题，迫切需要对废弃混凝土进行再生资源化利用。目前，对废弃混凝土的利用主要是作为建筑基础垫填材料或生产再生集料，但对其中经济成本最高、环境负荷最重的水泥石组分未实现有效利用。申请者在前期研究中发现，从废弃混凝土中分离出的水泥石粉体在一定温度下煅烧可获得高活性的脱水相，具有良好的再生胶凝性。本项目拟在已有的工作基础上，进行利用废弃混凝土中水泥石相制备新型低环境负荷再生胶凝材料的基础性研究工作。研究水泥石在低温煅烧时结构解体、重构的热动力学规律，脱水相结构特征，及其与再水化活性的相关性，揭示高水化活性再生胶凝材料矿物的形成机理及制备原理；探明水泥石脱水相中[SiO4]四面体的聚合状态在水化过程中的演变规律，揭示再生胶凝材料水化行为及其胶凝机理，产物结构特征及其稳定性，探明再生胶凝材料应用技术原理与材料性能。

本项目主要进行了利用废弃混凝土中水泥石相制备新型低环境负荷再生胶凝材料的基础性研究工作。研究了系列水化硅酸钙（C-S-H）、钙矾石（AFt）、火山灰物质-硅酸三钙（C3S）水化浆体、废弃混凝土中分离出的水泥石粉体在低温煅烧时的结构解体、水分子脱出过程规律，C-S-H凝胶脱水相、AFt和AFm等铝相脱水相以及CH脱水相相互之间的固相化学反应和结构重组；C-S-H凝胶的钙硅比等组成参数、煅烧制度对脱水相微观形貌、结晶度、硅氧四面体的聚合状态及其水化活性的影响；外掺的无定形高活性Si物质与脱水相之间的固相反应机理和活性矿物形成过程。结果表明，C-S-H等水化产物相、水泥石粉体等在低温煅烧时的结构解体、脱水相组成、再水化行为与其原始组成、煅烧制度有关。纯C-S-H加热到650℃后部分硅氧四面体链发生断裂，形成了原C-S-H结构中未存在的孤立的硅氧四面体（Q0），其中较高钙硅比的C-S-H中形成的Q0比低钙硅比的C-S-H的要多，而C3S浆体、水泥石粉体中加热到650℃后，其C-S-H中绝大部分硅氧四面体链都发生断裂形成Q0；C3S浆体、水泥石粉体中加入无定形高活性含Si物质后再进行低温煅烧，会使其C-S-H结构中更多的硅氧四面体链发生断裂形成更多的Q0，同时也降低了水化产物CH分解产生的CaO量。研究了水泥石脱水相中[SiO4]四面体的聚合状态在水化过程中的演变规律，以水泥石脱水相为主要成分的再生胶凝材料的再水化过程及胶凝机理，再生胶凝材料水化产物结构特征。研究结果表明，600℃~700℃制备的C-S-H脱水相以及再生胶凝材料具有较好的再水化能力，而900℃制备的C-S-H脱水相以及再生胶凝材料其再水化能力低。再生胶凝材料的水化过程主要包括CSH凝胶脱水相的水化和铝相物质脱水相的水化。其中CSH凝胶脱水相再水化后形成的水化产物为以Q1和Q2为主的水化硅酸钙，其形貌主要呈纤维状、网络状，其水化机制有两种：一种是保留有较多原CSH凝胶结构特征，仍然具有以桥氧相连的Si-O长链结构的大分子的水合反应；第二种反应机制当中，主要包含具有β-C2S假晶结构的脱水相的离解、离子基团溶出和重组。研究了再生胶凝材料水化硬化体微观结构、物理力学性能与耐久性能。这些研究工作的开展不仅对实现废弃混凝土的高效率再生利用及水泥混凝土的可持续发展具有重要意义，而且对胶凝材料学科的发展也将起到促进作用。