轻量化低碳足迹混凝土的开发

摘要

任何可回收材料的使用都有助于保持垃圾填埋场的绿色环境。回收实践还可以减少从原始资源制造材料的环境和经济影响，从而降低工业材料和工艺的总体碳足迹。本研究考察在混凝土中使用废弃材料，如碎玻璃、磨碎轮胎橡胶和再生骨料。抗压强度和弹性模量是主要的关注参数。结果表明，磨碎轮胎橡胶向混合物中引入大量空气，并对强度产生不利影响。在混凝土中引入defoamer能够成功地从混合物中去除部分多余的空气，但没有注意到比例强度的提高，这意味着消泡混合物中的空气具有不理想的特性。接下来进行冻融试验，以了解消泡混合物中空气的性质，结果表明，这种空气总的来说，虽然轻质、低碳的混凝土材料似乎可以从再生材料中获得，但仍有可能进行重大的进一步优化。

1.介绍

建筑材料越来越多地以其生态影响来评判。目前，该行业正致力于通过寻找“更环保”的方法来减少混凝土的生态足迹[1.]。因此，当局正积极鼓励使用再造物料制造粗骨料及细骨料。

建筑和拆除废物是所有产生的固体废物的主要部分，仅在美国每年产生2-3亿吨。传统上在垃圾填埋场处置这些大量废物已不再是一个可接受的选择。再加上合适的骨料越来越少，压力越来越大evere需要找到可接受的原始骨料替代品。使用旧结构拆除产生的再生混凝土骨料（RCA）可能是一个可接受的解决方案[2.]。在混合料中加入RCA存在一些众所周知的技术问题，例如污染物和有害物质的存在会影响最终混合料的强度和耐久性。水泥本身也可能与骨料发生反应。例如，如果使用碎玻璃代替细骨料e、 然后，糊料和玻璃之间可能发生碱-硅反应。然而，经验表明，如果回收骨料经过适当的清洁、分类和选择，那么它可以作为原始粗骨料的可接受替代品。

传统上，细骨料和粗骨料的CO含量非常低_2.混凝土生产过程中的排放，即使它们通常占混凝土体积的2/3以上。尽管采石需要爆破、破碎、筛分、运输和储存骨料，但细骨料和粗骨料的生产比水泥粘合剂的生产排放量少。因此，降低混凝土碳足迹的最有效方法是减少混合料中的水泥混凝土。然而，公司_2.拆除和再利用产生的排放量仅为原始骨料生产排放量的一小部分[3.]。此外，再生骨料的堆放通常比原骨料的堆放更靠近施工现场，原骨料通常从长距离开采和运输[2.］.在这方面，应鼓励使用回收骨料来减少碳足迹。

美国每年产生约2.42亿个废轮胎，美国环境保护署估计，全国各地已经有20-30亿个废轮胎堆积在非法库存或不受控制的轮胎堆中，还有数百万个废轮胎散布在自然环境中[4.]。必须开发创新解决方案来处理这些多余的材料，以防止其成为环境公害。

一个可持续的建议是在混凝土混合物中使用废弃轮胎。在这里报道的研究中进行了这样的研究。用高含量的轮胎橡胶代替粗骨料，并考察了消泡剂的作用。接下来，地面轮胎橡胶与碎玻璃和再生骨料结合，进一步减少碳足迹。

2.以前的工作

已经存在无数数量的研究，这些研究已经研究了混凝土的性质，其中包括各种类型和数量的再循环粗细聚集体。化学稳定性等性质[5.]、物理耐久性[6.]，可加工性[7.]，强度[8.],渗透率[9]，以及抗收缩性[10]已经检查过了。这些研究之间的普遍共识是，与含有100%原始骨料的混凝土相比，含有经过适当清洁的再生粗骨料且数量不超过原始骨料替换量50%的混凝土具有足够的耐久性、和易性和强度。含有再生骨料的混凝土预计比仅含有原始骨料的混凝土显示稍大的收缩[10]。含再生骨料的混凝土（水灰比与仅含原始骨料的混凝土相同）的渗透性预计也会增加[9].关于化学稳定性，重要的是使用的废骨料不含反应性二氧化硅，以避免最终产品中的碱-二氧化硅反应（ASR）。

在许多城市，废玻璃是固体废物处理的一个难题。目前的做法仍然是将大部分垃圾填埋。由于玻璃通常是不可生物降解的，垃圾填埋场并不能提供一个环保的解决方案。因此，有一个强烈的需要利用/回收的废弃玻璃。一种选择是粉碎和分级，并将其作为混凝土混合料中的细骨料的替代品。

与废物再循环聚集体一样，非常重要的是，使用二氧化硅的玻璃是非常重要的，以便在最终复合材料中避免ASR。如果满足这种基本标准，则过去的研究表明再循环的废玻璃是用于混凝土的可接受的材料。随着循环玻璃的级分在混合物中增加，易压力倾向于略有降低，以及空气含量和混合物的其他性质取决于压碎玻璃的​​各个颗粒的形状[5.,11,12］.

在混凝土中使用回收废轮胎的想法已经存在了一段时间。早些时候，对废旧轮胎使用的研究主要集中在沥青混合料设计上。然而，很快就很明显，沥青行业只能吸收产生的30%-40%的废轮胎[13，因此，重点已慢慢转移到波特兰水泥混凝土配合比设计。早在1960年就对橡胶作为工程材料在硅酸盐水泥混凝土中的性能、试验和设计进行了研究[14］.Siddique和Naik对含废轮胎橡胶混凝土的性能和应用进行了综述[15]和Nehdi和Khan [16］.

Hernández-Olivares等[17， Huang等人[18]，李等人[4.]甘健等[19]，头坦吉[20.]，Batayneh等人。[21]，Kahloo等人[22]，还有穆罕默德[23]进行了研究，包括观察和模拟再生粉碎轮胎混凝土复合材料的机械性能。观察到的总体趋势是，随着轮胎橡胶含量的增加，混合料的强度降低。这很可能是由于ti导致混凝土混合料中截留空气的增加此外，还注意到，此类复合材料表现出较大的位移和变形，因此通常会增加韧性，这很可能是由于橡胶骨料具有承受较大变形的能力。Savas等人[24]报道称，随着磨碎橡胶百分比的增加，含有磨碎废轮胎橡胶的混凝土的冻融耐久性恶化。

许多研究报告说，废弃轮胎会增加混凝土中截留的空气量[25,26]。经常引用的原因是粗糙的橡胶表面会夹带空气、橡胶本身的非极性性质及其疏水性。已经进行了多次尝试以提高橡胶的亲水性，迄今为止最有希望的尝试似乎是将橡胶在NaOH溶液中短时间浸泡[15］.

3.材料和方法

考虑到废轮胎中含有过量的空气，本研究的主要目的是研究使用消泡剂来减少含有地面轮胎橡胶的混合料中的空气的有效性。在成功地减少了空气含量后，地面轮胎橡胶与其他回收材料如回收骨料和碎玻璃结合，进一步减少碳足迹。表中给出了研究的四种混凝土混合物(M0, M1, M2, M3)1.．它们的新鲜特性也列在其中。

CSA 10型硅酸盐水泥、饱和表面干河砂作为细骨料、最大名义粒径为9.5 mm的砾石作为粗骨料和饮用水均用于所有混合料。所有混合料的坍落度保持在150 mm。在使用地面轮胎橡胶的地方，它作为粗骨料的15%的质量替代，产生了25%的新混凝土的体积。这意味着混合料中橡胶的质量%相对于水泥为47%。地面轮胎橡胶的比重为1.1，最大公称尺寸为9.5 mm(图)1.)．它的渐变曲线在图中给出3.．再生玻璃材料的尺寸在297-840微米之间（图2.)．所使用的消泡剂为Brenntag工业公司生产的Rhodoline 1010。所使用的空气夹带外加剂是由Grace建筑产品公司生产的Darex II。本研究中使用的再生粗集料的最大名义粒径为9.5 mm，在混合前已清洗并带入SSD状态。按ASTM C192制备批次。

对新拌混合料进行了坍落度试验（ASTM C143）和空气含量试验（ASTM C173），数值见表11..含有磨碎轮胎橡胶的混合料更难使用，并且在新鲜状态下表现出略微更多的离析。

从每种混合物中，取10个标准100 毫米×200 共铸造40个mm圆柱体。圆柱体湿固化至少28天，然后按照ASTM C69.An 890进行抗压强度试验 使用kN容量Forney压缩试验机。从每批中，5个试样在7天龄期进行试验，其余5个试样在28天龄期进行试验。对于28天龄期的试验，还根据ASTM C469使用变形笼测定弹性模量值。

表中的空气含量值1.指出，虽然空气含量因添加消泡剂而降低，但需要进一步描述留下的空气的性质。为了获得这一理解，六个75 毫米×100 毫米×405 从每种混合料中浇筑mm棱柱梁，共24根，用于冻融试验。对于混合料M1和M2，在自动冻融室内循环暴露于冻融后，使用超声波脉冲速度（UPV）测量对损伤进行量化（ASTM C597）并与对照混合物M0进行比较。对于混合物M3，遵循ASTM C666，并使用共振频率试验（ASTM C215）对损伤进行量化。使用超声波仪每隔35个周期定期监测每个试样共振频率的变化。通过在每个试验间隔测量试样的基本横向频率来确定动态弹性模量。计算相对动态弹性模量和耐久性系数d根据ASTM C666。

最后，对控制混合物M0和RMC混合物M3施放了一种300mm×100mm圆面板，总共两种这样的面板，进行了渗透性渗透性测试[27］.急流是一种表面渗透性测试，它决定混凝土表面容易饱和的程度。

4.结果

4．1.强度

图中分别给出了7天和28天的强度测量值4.和5（a）.如图所示5（b），还绘制了28天弹性模量图。

当比较混合M0和M1时，两年龄段的抗压强度的陡峭降低是显而易见的。这常常被其他人报告，最可能与增加的空气含量（从4.5％到16.0％）相关，并且轮胎橡胶和糊之间的明显缺乏粘合。添加消泡剂确实将空气显着降低到16％至5.5％（几乎到对照混凝土水平），但废弃混合物（M2）中的抗压强度仅略微增加。似乎有可能与废料轮胎的混合物中的强度损失不仅是由于空气增加而且由于废气轮胎和水泥浆料之间的粘合剂不良。还可以想到，混合物M2中留下的5.5％空气具有不同的性质。试图确定混凝土中存在的空隙的类型和性质，转向骨折力学。

假设线性弹性骨折力学适用于混凝土，在内部漏洞的内部漏洞时确定不稳定的拉伸骨折的条件存在是给出的 哪里是模式i中的平面应变断裂韧性（即临界应力强度因子），是一个无量纲参数，取决于试样和裂纹几何形状，以及 is the failure stress.

方程式(1.)也可以以最大允许缺陷尺寸的形式书写()，这将引发不稳定骨折 对于混凝土，可以作为0.2 mpa m^1/2[28].对于缺陷远小于圆柱体宽度的有限圆柱体，可以取为1.0[29］.

最后是混凝土的抗拉强度()可根据其抗压强度进行估算()作为[30]

将适当的值替换为（2.)，我们发现(一)M0， mm, or the allowable flaw size = 2= 0.96 嗯，(b)M1， mm, or the allowable flaw size = 2= 4.10毫米。

有趣的是，混合料中约40%的地面橡胶公称长度约为4mm(见图)3.）对应于M1中的近似预测缺陷尺寸。因此，它意味着，含有地橡胶的混合物中的大部分空气被捕获在橡胶和混凝土之间的界面处，而不是夹带在水泥浆中。这种空气的夹杂物将导致橡胶和混凝土之间的粘合性差，并且抗压强度的显着降低。即使对于加入消泡剂的混合物，虽然空气含量整体降低到对照混凝土水平，但剩余的空气仍然在橡胶混凝土界面上聚集，并继续削弱粘合并持续降低强度。该概念在图中说明6.．注意图中的Mix M16.(b)图中混合气M0上方截留的空气量明显较大6.(a).虽然混合物M2和M3有改善，空气含量超过M1，但剩余的空气仍然持续聚集在界面，强度没有达到M0。M1、M2、M3中的空气继续滞留在絮凝的、连续的、拉长的孔洞中，造成应力集中大，强度下降。这也增加了对水的渗透性，M1, M2和M3易于饱和，并描述了较低的抗冻融能力，这将在后面看到。

在混合物中加入其他再生材料（再生骨料和碎玻璃）将空气从5.5%进一步增加到9%。这是因为再生骨料本身会夹带空气。在两个龄期，空气含量的增加也伴随着抗压强度（和混合料M3模量）的相应下降。

根据所得数据，经验公式为(4.)，尝试根据地面橡胶混凝土的强度和密度估算其弹性模量: 哪里是含研磨橡胶的混凝土的弹性模量（MPa），是磨碎橡胶混凝土的抗压强度（MPa），以及是混凝土的密度（kg/m）^3.)．

ACI 318建立了弹性模量、强度和密度之间的经验关系，如下: 使用这两个方程式，预测结果与实际结果显示在图中7.．

因此，尽管数据集合了（4.)的推导是相当有限的，它不仅与测量结果相比相当好，而且与ACI 318的预测是基于大量的经验数据。因此，我们认为，这仍然可以作为未来工作的基础，以尝试和制定的关系，强度，密度和弹性模量的含地面橡胶混凝土。

4．2.耐冻融

为了进一步了解承载废轮胎和其他回收材料的混凝土中空隙的性质，按照ASTM C666进行了冻融试验。使用超声脉冲速度测量混合料M0、M1和M2的抗冻性，同时对混合料M0和M3进行共振频率测量。图中为经过210个冻融循环后的试件照片8.．

请注意，与对照组相比，均含有橡胶的混合物M1和M2的初始UPV读数显著降低，这一差异在整个冻融试验期间持续存在。这一发现是合理的，因为添加橡胶被认为对波传播有阻尼作用，主要是由于提供了额外的空隙[31,32].M2最初与对照组相比，UPV读数的下降幅度不大，因为空气含量几乎与混合物M0相同。

在图中通知9虽然对照混凝土能够维持300次冻融循环，而超声波脉冲速度读数没有任何下降，但添加橡胶（混合物M1）对UPV有不利影响，从极低的冻融循环次数开始。此外，这些样品显示出严重的结垢（图1）8.)。与未变形混凝土相比，使用消泡剂的混合料表现稍好，但最终在冻融环境中仍显示出UPV的显著降低。UPV降低的结果将在稍后与ASTM C666中确定的动态模量下降相关，该下降在混合料M0和M3上进行。这种相关性Mirmiran和Wei之前曾尝试过这种方法[33Yildiz和Ugur []34］.更具体地说，混合料M3失效时，在ASTM C666上进行了UPV测量，并使用UPV值来确定混合料M1和M2的冻融失效循环。这被认为是一个可接受的方法，因为混合M1, M2和M3都有非常相似的28天强度。

在图10， Mix M3的冻融耐久性与对照Mix M0使用ASTM C666规定的谐振频率(以及动态模量)标准和由此产生的耐久性因子(图11).注意，混合料M3持续的循环次数远大于混合料M1和M2，但仍未达到控制性能，且未持续所需的300次循环。

对于Mix 3，根据ASTM C666，由于耐久性系数低于60%，试件在210次循环后失效。此时记录的UPV值为3050 m/s(图)12)．相比之下，Mix 1在116次循环后达到了这个故障点，Mix 2在171次循环后失败。消泡剂似乎有积极的效果，因为它增加了32.2%的时间到失效相比，无消泡剂混合。

在冻融循环条件下，特定混凝土混合料性能不佳的原因之一是其孔隙结构。含有夹带空气的混凝土更耐用，抗冻融性更强。夹带的空气在水泥浆中产生离散的、近似球形的气泡，因此不会形成水流通道，也不会增加混凝土的渗透性[35]。多余的水能够逸出到这些充满空气的空隙中，并且不会因冻融条件而损坏混凝土。截留的空气将形成更大、相互连接的空隙，可能会降低混凝土强度，进而降低抗冻融性。

为了评估可能性，进行了渗透性渗透性测试，结果在表格中给出2.．请注意，Mix M3比control Mix M0渗透性强得多。渗透性的增加进一步证明了由于混合料中包含橡胶而形成的额外空隙是无夹带性质的，并在本文前面提出的橡胶-混凝土界面处凝结。

5.结论和建议

(1)在混凝土混合物中添加磨细轮胎橡胶可大大增加混合物的含气量，但似乎可以通过使用消泡剂将含气量降低到可接受的水平。(2)当再生骨料和玻璃被带入含有磨碎轮胎橡胶的混合物中时，空气含量再次升高，消泡剂的效果也会降低。(3)在含地面轮胎橡胶的混凝土混合物中，虽然消泡剂可以明显减少空气，但抗压强度的增加并不显著。这意味着消泡混合物中的剩余空气质量较差。具体来说，空隙在橡胶-混凝土界面处分散、伸长和凝结的程度较低，从而影响粘结，降低整体强度。冻融试验和渗透试验进一步证实了这些观察结果。（4）冻融试验表明，在冻融条件下，承载磨细轮胎橡胶的混凝土性能较差，但使用消泡剂可略微改善其性能。当向混合物中添加其他再生材料（如再生骨料和碎玻璃）时，冻融性能稳定。(5）虽然可能不可能将这里开发的混凝土混合物用于需要高强度和耐久荷载的结构元素，但它们仍可用于非结构应用，如隔墙、道路屏障、路面或低强度基础。

致谢

作者希望感谢Patrick McConnell先生提供本研究中使用的回收材料的帮助。此外，他们还感谢Adrien Drochon先生、Sylvian Lioux先生、Saakshi Mahajan女士和Roxana Mousavi女士在实验室样品制备和测试方面的协助。

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