基于多尺度再生材料的绿色混凝土及其性能研究

It is consonant with the national industrial policy and has significance for sustainable development to produce green cement and green concrete, which have low emission, material and energy conservation characteristic, with building and industrial solid waste. High performance recycled fine and coarse aggregates are produced by particle reshaped concrete waste; Petroleum coke desulfuration residue and recycled powder are burned to the green cement consist of 3CaO•3Al2O3•CaSO4, β-C2S, CaSO4 and C4AF by mean of Optimum design of cement mineral composition, and a small amount of Bauxite and lime stone are used as correction material, The Mechanism of sintering and hydration and Curing and releasing characteristics of heavy metal are hereafter recovered. This research will establish the theoretical fundament for green cement production by building and industrial solid waste; The approaches of broken bricks utilization and the recycled admixture preparation from building waste are researched to fulfill the lake of mineral admixture caused by the reduction of coal-fired power plant and steel production capacity. The green concrete are hereby produced from multi-scaled recycled materials including nano-sized cement clinker mineral, micron-sized admixture, millimetre-sized recycled fine aggregate, and cm-sized recycled coarse aggregate. Consequently, the efficiently resource utilization of full components of building waste will be accomplished.

利用建筑与工业固废协同制备节材、节能和低排放绿色水泥和绿色混凝土符合国家产业政策，对于可持续发展具有重要意义。以废弃混凝土为原料，通过颗粒整形强化制备高品质再生粗、细骨料；以石油焦脱硫灰渣和再生骨料制备过程中产生的再生粉体为主要原料，通过水泥矿物组成优化设计，只掺入少量的铝矾土和石灰石作为校正材料，一次性烧成含有无水硫铝酸钙、β-C2S 、CaSO4和C4AF等矿物的绿色水泥，揭示绿色水泥烧成、水化机理和重金属的固化与释放特性，为利用建筑垃圾与工业固废制备节能、节材和低排放的绿色水泥奠定理论基础；研究建筑垃圾中碎砖高效资源化途径，攻克建筑垃圾制备再生掺合料的关键技术，补充因燃煤电厂减少和钢铁去产能造成的矿物掺合料供应不足；通过由纳米级熟料矿物组成的水泥、微米级再生掺合料、毫米级再生细骨料和厘米级再生粗骨料等多尺度再生材料的复合技术开发绿色混凝土，实现建筑垃圾主要成分全组分高效资源化利用。

我国正处在城镇化快速发展阶段，大规模的基础设施建设导致混凝土材料需求量激增；作为混凝土最主要的胶凝材料，水泥消耗量巨大，因其生产能耗高、CO2排放量大等特点，天然矿石资源被大量开采，大气污染程度愈发严重，实现水泥低成本、低能耗、低排放的绿色制造已成为水泥行业的迫切需求。与此同时，全球化的资源缩减以及由建筑废弃物引发的环境问题日益突出，实现废弃混凝土的资源化循环利用也已成为国内外关注的热点。.聚焦水泥绿色制造、混凝土绿色生产，本项目利用工业与建筑固废协同制备节材、节能和低排放水泥和混凝土。以石油焦灰渣、粉煤灰、电石渣和低品位铝矾土为原料，直接烧成了C4A3$-C2S-C4AF-CaSO4四元体系的高贝利特硫铝酸盐水泥（HBSAC），通过煅烧制度和烧成动力学特性研究，阐明了固废基HBSAC的烧成机制，揭示了熟料中残留CaSO4对水泥烧成的影响；通过水泥基本性能和水化特性研究，阐明了固废基HBSAC的水化硬化机制，揭示了残留CaSO4的作用机制。以建筑垃圾中的废弃混凝土和废弃粘土砖制备再生微粉，系统研究了机械活化处理等方式对再生微粉性能的影响，提出了建筑垃圾再生微粉质量控制技术，建立了混凝土和砂浆用再生微粉评价体系，实现了高活性再生掺合料制备。通过绿色水泥-再生掺合料-再生骨料的多元复合技术，开发出低收缩绿色再生混凝土，重点研究了胶凝材料对混凝土工作性能、力学性能以及收缩性能的影响，揭示了绿色混凝土的性能变化规律，实现了基于性能的绿色混凝土配合比优化设计。.基于本项目的研究成果及相关工作，已授权发明专利4项；培养研究生6名，其中博士研究生1名、硕士研究生5名；成功承办国内学术交流会1次，参加国内外学术交流会9次，参会人员超30人次；发表标注资助高水平学术论文26篇，其中SCI和EI收录15篇；制定行业标准1部、地方标准1部；相关研究成果作为支撑材料荣获山东土木建筑科技进步奖一等奖1项。本项目超额完成了计划书中的各项任务。