固體廢棄物+貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土凍融循環作用下水化硬化性能研究

李俊清 姜作杰

（呼倫貝爾學院建筑工程學院，內蒙古 呼倫貝爾 021008）

0 引言

在當前全球環境保護與可持續發展的進程中，固體廢棄物的資源化利用成為建筑材料領域的一項關鍵挑戰和機遇。尤其是在建筑行業，摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土，因其在環境友好性和經濟效益方面的潛力而受到廣泛關注。該材料的研究與應用不僅有望減少工業固廢的堆積，而且會因貝利特硫鋁酸鹽水泥的應用而減少傳統水泥生產過程中的能源消耗和二氧化碳排放，從而為環境保護和可持續建筑材料的發展做出貢獻。本文將深入探討凍融循環條件下，該種創新混凝土材料的水化硬化性能。凍融循環是極端氣候條件下建筑材料必須面對的一大挑戰，它對材料的結構完整性和耐久性提出了更高的要求。因此，本研究不僅關注材料的基礎物理性能，如抗壓強度和抗拉強度，也探討材料微觀結構在凍融循環中的變化，以期為該類材料的進一步改進和工程應用提供堅實的科學基礎。

1 相關研究現狀

1.1 貝利特硫鋁酸鹽水泥與固體廢棄物摻加研究

貝利特硫鋁酸鹽水泥由于其出色的性能和對環境的影響小，成為建筑材料領域的熱門研究對象。特別是摻加如粉煤灰、煤矸石等固體廢棄物，不僅可以提升水泥的性能，還能有效地利用廢棄物，減少環境污染。研究集中于如何優化固體廢棄物的摻量和種類，以及這些材料如何影響水泥的力學性能和耐久性。摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥的微觀結構和水化反應機理也是研究的重點。

1.2 摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土在凍融循環條件下性能的研究

在本研究中，特別關注摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土在凍融循環條件下的性能變化。凍融循環中，水泥材料內部水分的結冰和融化可能引起應力累積，從而影響材料的結構完整性和力學性能。本研究探索固體廢棄物作為摻合料對水泥混凝土抗凍性能的影響，以及如何通過調整摻合料的比例和種類來適應極端的環境條件。該研究對于提高摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土在寒冷地區的應用具有重要意義。

2 試驗設計

2.1 試件制備

在本研究中，采用標準混凝土試件模具來制備摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土試件。整個試件制備的過程包括以下關鍵步驟：

（1）模具準備：選擇標準的混凝土試件模具，并進行徹底清洗。為避免混凝土與模具粘連，模具內部涂抹一層專用油脂。

（2）在本研究中，采用20%的固體廢棄物（包括粉煤灰、煤矸石、電石渣、脫硫石膏），按1∶1∶1∶1的質量比例混合，作為摻合料以部分替代貝利特硫鋁酸鹽水泥的用量。這些混合材料與剩余的80%貝利特硫鋁酸鹽水泥、砂、石子混合，并確?；旌衔锍浞謹嚢杈鶆?，制備成混凝土試件。

（3）澆筑與振實：將配制好的混凝土材料均勻倒入模具中，為確?；炷恋拿軐嵭院徒Y構完整性，使用振動器對混凝土進行充分振實，排除其中的氣泡。

（4）養護：將裝有混凝土的模具放置在控制好的恒溫恒濕環境中進行28d的養護。完成28d養護后，對試件進行抗壓強度、抗拉強度和抗凍性能的測試。在整個養護期間，保持試件表面的濕潤狀態，以利于水泥材料的有效水化反應。

（5）試件取出：養護完成后，從模具中取出混凝土試件，并為后續的物理性能測試及凍融循環試驗做好準備。

2.2 物理性能測試

本研究中的物理性能測試重點關注試件在特定條件下的抗壓強度、抗拉強度和吸水率。

（1）抗壓強度測試：測試中，將試件安置在試驗機上，逐步增加壓力直至試件發生破裂。記錄試件破裂時所承受的最大壓力值，并據此計算抗壓強度。

（2）抗拉強度測試：類似地，試件在試驗機上經受逐漸增加的拉力，直到發生破裂。在試件破裂時記錄最大拉力值，并用于計算抗拉強度。

（3）吸水率測試：此測試要求將試件浸泡在水中一段時間，之后取出并擦干表面水分后稱重。然后再次將試件放入水中，重復此過程，直到試件重量不再發生變化。通過記錄試件吸水前后的重量差，最終計算出其吸水率。

2.3 凍融循環試驗

本研究的凍融循環試驗旨在評估試件在極端溫度變化條件下的耐久性。

（1）試驗設置：將試件置于凍融循環試驗箱中，設置試驗參數。試件在相同的養護條件下經過28d后，進行凍融循環試驗。試驗條件為溫度在-18～4℃之間循環變化，每個循環周期24h，總共進行50個周期。試驗完成后，對試件再次進行物理性能測試，以評估凍融循環對材料性能的影響。

（2）質量記錄：在每個循環結束后，取出試件并擦干表面水分，隨后進行稱重，記錄并追蹤試件在凍融循環過程中的質量變化。

（3）力學性能測試：在每5個凍融循環后，對試件進行物理性能測試，包括抗壓強度和抗拉強度的測定，以監測其在極端條件下的力學性能變化。

（4）性能分析：通過比較凍融循環前后試件的質量和力學性能數據，分析其耐久性能的變化。此分析還包括將經歷凍融循環的試件與未經此類處理的試件進行對比，以準確評估凍融循環對材料性能的影響[1]。

2.4 試驗數據采集和處理方法

對收集的實驗數據進行統計和分析，旨在揭示摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土在凍融循環下的水化硬化性能變化規律及影響因素。

2.4.1 物理性能測試數據

本研究對摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土試件進行的物理性能測試，主要包括抗壓強度、抗拉強度和吸水率等關鍵指標。數據采集和處理步驟：

（1）物理性能測試：試件被放置在萬能試驗機上，進行抗壓強度和抗拉強度的測試。測試過程中嚴格控制試件的放置位置和方向，以確保結果的準確性。對于吸水率測試，記錄試件在浸水前后的重量差異。

（3）數據處理：采用統計方法如平均值和標準差處理收集到的測試數據，旨在揭示摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土在凍融循環下的水化硬化性能變化規律及影響因素，從而評估試件的物理性能和數據的可靠性。

2.4.2 凍融循環試驗數據

本研究中的凍融循環試驗旨在評估摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土試件在極端溫度變化條件下的耐久性能。試驗數據的采集和處理流程包括以下步驟：

（1）質量變化記錄：在每個凍融循環周期結束后，試件被取出并擦干，隨后進行稱重。通過比較不同循環階段的試件質量，計算質量損失率。

（2）力學性能記錄：每進行5個循環后，對試件進行物理性能測試，包括抗壓強度和抗拉強度的測量。記錄這些指標相對于初始值的變化率。

（3）數據處理與分析：使用平均值和標準差方法對收集的數據進行處理，確保結果的準確性和可靠性。數據以圖表形式展示，以便進行比較和分析。

（4）統計學分析：采用方差分析和多重比較方法，對試件的性能變化進行統計學分析，從而評估其顯著性和差異性[2]。

3 試驗結果與分析

3.1 摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土的物理性能測試結果

經過28d的養護，摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土試件的物理性能測試結果如表1所示。

表1 摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土試件物理性能測試結果

分析與討論：

“我國的天主教、基督教一方面是宗教問題，另一方面，在長時期中又被帝國主義利用為對我國進行文化侵略的工具，其中一部分組織又被帝國主義利用為進行間諜活動的機關。這兩個宗教在我國都辦有教堂、學校、醫院及其他文化事業及救濟事業機關，都受外國津貼，都有大量外國傳教士占據領導地位?！雹噌槍@一情況，河南展開了一系列全面清理帝國主義在宗教領域的影響的工作。

（1）抗壓強度：試件的抗壓強度為45MPa。為了更準確地評估該結果，對比行業標準和同類研究中未摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥的性能。在標準《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T 17671-1999）中，普通硅酸鹽水泥的標準強度一般為32.5～52.5MPa。因此，試驗結果在可接受范圍內，但需要進一步研究以優化摻合料比例，實現更高的強度。

（2）抗拉強度：試件的抗拉強度為6MPa。與普通硅酸鹽水泥相比，此結果略低，可能由于固體廢棄物的摻加影響了水泥的拉伸性能。未來研究應探索不同種類和比例的固體廢棄物對抗拉強度的影響。

（3）吸水率：吸水率為2.5%。該結果表明水泥試件具有一定的滲透性。對于吸水率的優化，可以考慮使用更細的粉磨技術或添加特定的抗滲劑，以改善水泥的抗滲性能。

綜上所述，雖然摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土試件的部分物理性能指標與未摻加固體廢棄物的水泥相比有所差異，但整體上仍表現出良好的性能。未來的研究應著重于優化摻合料比例和種類，以及改進生產工藝，以提高綜合性能。

3.2 凍融循環對固廢基礎設施水泥材料性能的影響

凍融循環對固廢基礎設施水泥材料性能的影響見表2所示。

表2 凍融循環對固廢基礎設施水泥材料性能的影響

從表2可以看出，隨著凍融循環次數的增加，固廢基礎設施水泥材料的抗壓強度、抗拉強度和吸水率均發生了變化。具體分析如下：

（1）抗壓強度：隨著凍融循環次數的增加，固廢基礎設施水泥材料的抗壓強度逐漸降低。這是因為凍融循環會導致水泥材料中的微裂縫擴大，從而降低了其抗壓強度。

（2）抗拉強度：隨著凍融循環次數的增加，固廢基礎設施水泥材料的抗拉強度逐漸降低。這是因為凍融循環會導致水泥材料中的微裂縫擴大，從而降低了其抗拉強度。

（3）吸水率：隨著凍融循環次數的增加，固廢基礎設施水泥材料的吸水率逐漸增加。這是因為凍融循環會導致水泥材料中的微裂縫擴大，從而增加了其孔隙度，使其吸水率增加。

3.3 固廢基礎設施水泥材料的微觀結構分析

通過掃描電鏡觀察固廢基礎設施水泥材料的微觀結構，發現在凍融循環作用下，水泥材料中的孔隙度增加，孔隙分布不均勻，孔隙大小也發生了變化。這是因為凍融循環會導致水泥材料中的微裂縫擴大，從而增加了其孔隙度和孔隙分布的不均勻性。同時，水泥材料中的鈣礬石晶體也發生了破壞和剝落現象。這些微觀結構的變化導致水泥材料性能的下降?？傊?，通過對水泥材料的微觀結構分析，可以更加深入地了解凍融循環對水泥材料性能的影響機理，這對于進一步優化水泥材料的配方和制備工藝具有重要的指導意義。

4 結束語

本項研究的成果不僅豐富了關于凍融循環對建筑材料影響的理解，也為摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土在極端氣候條件下的應用提供了新的科學依據。通過實驗分析，證實了凍融循環對此類材料的力學性能和微觀結構，尤其是抗壓強度、抗拉強度和孔隙度方面具有顯著影響。這些發現對于指導未來材料的配方設計和生產工藝改進具有重要意義，尤其是在提升材料在極端環境中的耐久性和穩定性方面。未來的研究應繼續探索固體廢棄物的最佳利用方式，以及如何通過不同類型廢棄物的摻加，進一步優化水泥混凝土的性能。同時，將這種環保材料應用于城市基礎設施和環保工程，不僅促進了固廢資源的有效再利用，也為實現環保和可持續發展目標提供了新途徑。在城市建設中應用該材料，有望減少建筑廢物、降低溫室氣體排放，支持建設更加綠色、可持續的城市環境。綜上所述，摻加固體廢棄物的貝利特硫鋁酸鹽水泥混凝土作為一種創新的環保建材，其研究與應用前景值得期待，并將在現代建筑材料領域發揮重要作用。