处置利用固体废弃物作掺合料共改善混凝土界面过渡区微结构及其耐久性的研究

Utilization of solid wastes in the field of concrete industry reduces the environmental pollution, resource consumption, and achieves the goal of energy conservation and pollution reduction, as well as the improvement of concrete durability. This study aims at saving energy and the utilization of wastes. Utilization of different types of solid wastes, the effect of solid wastes on the microstructure of ITZ as well as the durability of concrete, and its related mechanisms will be investigated in this work. The microstructure of ITZ, including width, porosity and the relationship of porosity versus the distance from aggregate will be investigated. The whole study method including appropriate sample preparation procedure, testing method, parameter selection, calculation and analysis will be proposed with respect to the ITZ microstructure analysis. The effects of ITZ on different media, migration and the relationship between the quantities of ITZ and coefficients will also be studied. The role of ITZ in the deterioration process of concrete is analyzed by studying the variation of ITZ microstructure under the aggression action. The work tries to find out the correlation between ITZ microstructure and heavy metals, in addition, to exposit the solidification mechanism of ITZ microstructure on the heavy metals and its stability. Finally, a structural model will be developed on the relationships between ITZ microstructure, concrete durability and the intrinsic property of mineral additives, to support the mixes design, performance optimization, as well as scientific and efficient utilization of solid wastes.

混凝土消纳固体废弃物可减少环境污染和资源浪费，更对改善自身耐久性有益。本研究以节能利废为宗旨，处置利用不同固废作混凝土掺合料，利用其不同特性实现对混凝土界面过渡区（ITZ）微结构及耐久性的改性，并研究改性机制；研究确定ITZ微结构特征，提出并经试验验证可用于定量、科学表征ITZ微结构的从试样制备、测试、参数选择、直至分析和计算的全过程研究方法；深入研究ITZ对不同介质渗透扩散机制的影响，建立ITZ体积分数与宏观性能间数值关系；分析在侵蚀条件下，ITZ中微结构的物质和能量变化，从热动力学角度揭示ITZ在混凝土劣化过程中的权重作用；弄清废弃物中重金属等与ITZ微结构间相互作用规律，阐明ITZ对重金属等的固化机制以及在外界环境作用下的稳定性；最终构建基于ITZ微结构与混凝土宏观行为及掺合料性质间相互关系的数值模型，以指导混凝土材料组成设计、性能优化和固体废弃物科学、高效地处置利用。

在多重因素共同作用下产生的界面过渡区（ITZ）具有孔隙率高、未水化水泥颗粒少、板状氢氧化钙晶体粗大并在骨料表面形成择优取向等特点，并与基体微结构之间存在显著差异，上述特征使得它对混凝土材料的整体性能会产生重要影响。综合考虑ITZ微结构特点，针对性地利用不同固体废弃物的物化特性设计掺合料组成，开展不同传输介质在混凝土中渗透扩散过程及其劣化过程的系统性研究。研究表明：通过样品磨抛处理、制备、图像采集、划带计算和相划分及定量统计，提出了一种可定量表征ITZ中孔隙率、未水化颗粒含量等微结构特征的全过程研究方法；研究ITZ对材料整体传输性质的影响时，需综合考虑相邻ITZ渗流、集料稀释及基体致密等因素的影响；ITZ与基体传输系数之间比值随着ITZ体积含量增加呈现出增长趋势，在集料体积掺量或ITZ厚度增加时，具有较高孔隙率的ITZ可能会出现渗流，从而对传输性质产生显著影响；在硫酸盐腐蚀作用下，试件中裂缝倾向于沿集料表面生长并相互连通，ITZ体积含量的增加使得试样劣化速率有所增加，裂缝和ITZ相互连接后，会进一步加速腐蚀介质的侵入，加剧混凝土的腐蚀破坏；使用粒径较小惰性掺合料替代部分活性掺合料后可在二元体系基础上进一步降低大孔含量，从而有利于改善ITZ微观结构；分析重金属在基体与ITZ分布的差异及其浸出毒性发现，ITZ对重金属在其中富集程度，以及浸出浓度与其溶解度呈正相关性；通过敏感度分析发现，适量掺合料对含集料试样抗压强度、动弹模量的提高，主要是源于掺合料对ITZ微观结构的改善，而混凝土抗渗性的提高则更多取决与硬化水泥浆体自身微结构的密实。本项目的研究对于科学拓展固体废弃物在水泥基材料中应用，建立和健全水泥基材料及固体废弃物资源化领域的基本科学理论，并对设计、控制、优化水泥基材料的宏观行为等都具有重要的理论意义和实际应用价值。