導(dǎo)讀

華南理工大學(xué)土木學(xué)科海外學(xué)者前沿講座第六十一期，我們邀請(qǐng)到來(lái)自新加坡國(guó)立大學(xué)土木與環(huán)境工程系的高級(jí)研究員杜宏建博士為大家?guī)?lái)“基于廢棄物再循環(huán)利用的低碳混凝土制備”的報(bào)告。本期講座錄播鏈接見(jiàn)文末或點(diǎn)擊閱讀原文。

首先，杜老師簡(jiǎn)單介紹了在新加坡開(kāi)展混凝土研究的局限性和特殊性。混凝土在全世界范圍內(nèi)的用量十分龐大，僅次于水資源，而水泥制備過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳約占全球碳排放總量的7~10%，因此近年來(lái)混凝土也被認(rèn)為是一種環(huán)境不友好型的建筑材料。新加坡人少地狹，土地使用、人工費(fèi)用非常昂貴，其建筑要求“上天入地”，填海造地，使得政府的建造規(guī)劃需要大量的建筑材料。在新加坡，由于自然資源的極度匱乏，建筑材料的進(jìn)口率達(dá)到了100%。而另一方面，大量的生活垃圾包括回收率很低（僅占13%）的廢棄玻璃，和填海造陸挖出的海泥無(wú)法得到有效的處理。

本次講座，杜老師基于新加坡特色國(guó)情，針對(duì)混凝土工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中制備水泥產(chǎn)生的碳排放過(guò)高問(wèn)題，因地制宜地探索了使用廢舊玻璃粉和海洋粘土制備低碳混凝土的方法。希望利用新加坡本地的廢棄玻璃和新加坡海泥作為水泥的取代物，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的低碳混凝土生產(chǎn)。

01

在杜老師的第一個(gè)研究項(xiàng)目中，杜老師團(tuán)隊(duì)使用玻璃粉取代水泥進(jìn)行混凝土制備。他們將廢棄玻璃經(jīng)過(guò)物理破碎、研磨制作成玻璃粉（從1mm粒徑到1-10um細(xì)度需要的單位時(shí)間是0.5h）以取代水泥。

首先是進(jìn)行了力學(xué)試驗(yàn)，在生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)廢棄玻璃進(jìn)行研磨，將其制備成與水泥粒徑相似的粉末。分別對(duì)不同水泥取代率下試件在7天、28天和91天時(shí)的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示：玻璃粉對(duì)水泥的取代率超過(guò)15%時(shí)，混凝土7天的早期抗壓強(qiáng)度明顯降低，因?yàn)殡m然廢棄玻璃研磨后的主要成分是SiO2，但其活性還是低于水泥；混凝土28天和91天抗壓強(qiáng)度都得到了明顯的增強(qiáng)，測(cè)試結(jié)果表明：在養(yǎng)護(hù)充足的條件下，取代率在45%內(nèi)水泥的抗壓強(qiáng)度并不會(huì)發(fā)生明顯下降。而但過(guò)高的取代率（60%）還是會(huì)降低混凝土抗壓強(qiáng)度。

關(guān)于耐久性的研究，根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行水的滲透性試驗(yàn)，結(jié)果表明：隨著玻璃粉取代率增加（15%~60%），水的滲透深度逐漸減小很多，因?yàn)椴ＡХ鄣目紫陡。够炷廖⒂^結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，這對(duì)于濱海的新加坡非常友好。此外，基于擴(kuò)散系數(shù)和遷移系數(shù)兩種方法測(cè)試氯離子的影響，玻璃粉對(duì)水泥取代率越高，抗氯離子滲透性都得到提升，特別是取代率在30%以內(nèi)的效果更顯著。而對(duì)堿骨料反應(yīng)測(cè)試的結(jié)果是：基本沒(méi)有膨脹問(wèn)題，因?yàn)榭刂撇ＡХ鄣募?xì)度是預(yù)防ASR反應(yīng)的一個(gè)有效措施，粒徑較小的玻璃對(duì)堿骨料反應(yīng)（ASR）的敏感性較小。

最后是全生命周期分析的結(jié)果，隨著玻璃粉取代率增加，碳排放可以降低20%左右，且造價(jià)可以降低8.4%。因此，從實(shí)驗(yàn)室結(jié)果來(lái)看，玻璃粉對(duì)水泥的最優(yōu)取代率是30%~60%，可以實(shí)現(xiàn)不增加造價(jià)的前提下降低碳排放的目標(biāo)。

杜老師將自己的研究應(yīng)用到了新加坡的試點(diǎn)工程中，通過(guò)與企業(yè)合作，他們生產(chǎn)了2方C30強(qiáng)度的20%玻璃粉取代率的混凝土，經(jīng)過(guò)一個(gè)小時(shí)的運(yùn)輸，塌落度仍滿足施工需要。在此基礎(chǔ)上，制作了一些板、梁和路緣石，通過(guò)測(cè)試，路緣石的抗折強(qiáng)度和吸水率均能達(dá)到規(guī)范要求。杜老師下一步的規(guī)劃是將所提出的玻璃粉取代水泥混凝土應(yīng)用到校園道路建設(shè)中。

02

杜老師的第二個(gè)研究項(xiàng)目是將新加坡海泥經(jīng)過(guò)高溫煅燒作為膠凝材料取代水泥。新加坡海泥的開(kāi)采量是非常大的，但回收率和綜合利用率有限?；谶@個(gè)背景，杜老師提出通過(guò)600-800度的煅燒，形成有部分活性的膠凝材料，取代部分水泥。對(duì)比造價(jià)和碳排放，與普通混凝土相比，海泥混凝土的造價(jià)與其相當(dāng)，但由于處理工藝不需高溫和研磨，其碳排放相較于普通水泥降低50-70%。潛在的應(yīng)用包括非結(jié)構(gòu)混凝土，預(yù)制構(gòu)件和混凝土現(xiàn)澆。當(dāng)?shù)睾Ｄ嗟闹饕煞质羌?xì)沙和淤泥，粘土含量?jī)H占20%，海泥的處理工藝為：對(duì)開(kāi)挖的海泥進(jìn)行簡(jiǎn)單的脫水，經(jīng)過(guò)破碎和600-800低溫煅燒，即可形成。海泥的主要成分是細(xì)沙，淤泥，占比約為20%的黏土在經(jīng)過(guò)煅燒之后是具有活性的部分。對(duì)比600、700和800度高溫煅燒后海泥取代30%水泥砂漿的28天抗壓強(qiáng)度，比純石英砂漿強(qiáng)度要高，表明海泥具有一定的活性，但由于高嶺土含量較低，與OPC砂漿相比強(qiáng)度較低。但是通過(guò)改進(jìn)，20-30%取代率水泥強(qiáng)度已能達(dá)到普通砂漿水平。

海泥混凝土的長(zhǎng)期性能和性能穩(wěn)定性是非常重要的問(wèn)題，為了探索這種海泥的性能，杜老師從新加坡5個(gè)不同地點(diǎn)取得海泥制作混凝土，并測(cè)試了構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度和氯離子擴(kuò)散系數(shù)。結(jié)果表明，混凝土強(qiáng)度會(huì)發(fā)生一定的下降，但是RCP的測(cè)試結(jié)果表現(xiàn)非常好，提升約有3倍，這一點(diǎn)與火山的灰反應(yīng)是密切相關(guān)的，由于Ca(OH)2與海泥中的活性部分發(fā)生了反應(yīng)，使得孔隙范圍變得更小，因此氯離子的電通量發(fā)生了降低。杜老師的研究獲得了新加坡本地媒體的報(bào)道和宣傳。

03

杜老師的研究成果吸引了參會(huì)老師和同學(xué)們的熱烈討論，大家就廢棄玻璃混凝土和新加坡海泥混凝土的制備工業(yè)、物理作用、化學(xué)機(jī)理、耐久性能、降碳策略和應(yīng)用場(chǎng)景等問(wèn)題與杜老師做了廣泛和深入的交流。

關(guān)于廢棄物再生循環(huán)利用的混凝土的疑慮，杜老師分享道：海泥當(dāng)中氯離子，研究項(xiàng)目采用的海泥來(lái)源于地表10多米以下開(kāi)挖的泥土，因此沒(méi)有考慮氯離子的問(wèn)題。基于文獻(xiàn)調(diào)研，玻璃粉對(duì)混凝土堿含量的影響很小，后續(xù)會(huì)基于此進(jìn)行相關(guān)研究。在整體碳排放計(jì)算中，以廢棄玻璃回收的研磨功耗和時(shí)間計(jì)算對(duì)應(yīng)的碳排放，1t不到100公斤的碳排放（1t水泥的碳排放約為800-1000公斤），同時(shí)受限于玻璃加工的費(fèi)用高，因此再生玻璃粉用于混凝土當(dāng)中需要后續(xù)降低生產(chǎn)成本才能在工業(yè)界進(jìn)行廣泛推廣應(yīng)用。

同時(shí)，杜老師指出本項(xiàng)目中目前做了2周和4周的試件實(shí)驗(yàn)，但還做過(guò)長(zhǎng)期的（如2年）的實(shí)驗(yàn)，在討論中指出，工業(yè)化應(yīng)用中的結(jié)果很可能和實(shí)驗(yàn)室結(jié)果相反，因此之后在試點(diǎn)工程中會(huì)進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)。

總結(jié)

混凝土的出現(xiàn)和成功應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)行100年了，其優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)都很突出，但混凝土不是永恒不變的產(chǎn)物，我們可以重新定義它，重新塑造它，重新生產(chǎn)它，使它更能滿足我們對(duì)建筑需求的提高，更能適應(yīng)我們對(duì)環(huán)境需求的提高。

杜老師的研究基于新加坡的情況從實(shí)際出發(fā)，因地制宜，利用玻璃粉和海泥來(lái)制備低碳混凝土，不僅變廢為寶還有效降低了生產(chǎn)過(guò)程中的成本和碳排放量。同時(shí)，杜老師選題的思路也給了我們一些啟發(fā)，相比于前幾年石墨烯領(lǐng)域論文灌水事件引發(fā)的轟動(dòng)，這種腳踏實(shí)地的科研思路尤為難能可貴且意義深遠(yuǎn)。杜老師的研究為再生混凝土的制造提供了新的思路和方法，他們團(tuán)隊(duì)循環(huán)利用廢棄物和發(fā)展低碳生產(chǎn)的研究項(xiàng)目給我們提供了很好的案例和示范。杜老師團(tuán)隊(duì)研究成果不僅符合當(dāng)今世界對(duì)綠色低碳建筑的要求，而且能夠應(yīng)用到實(shí)際的建造項(xiàng)目中去，這值得每一位研究工作者學(xué)習(xí)。

END

相關(guān)論文請(qǐng)到杜老師主頁(yè)下載：

https://cde.nus.edu.sg/cee/staff/du-hongjian/

講座錄播鏈接：https://b23.tv/Pi64nlI

來(lái)源于多樣化結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室VSL

排版 | 李嘉晨

審核 | 胡? ?楠