固体废弃物+贝利特硫铝酸盐水泥混凝土冻融循环作用下水化硬化性能研究

李俊清 姜作杰

（呼伦贝尔学院建筑工程学院，内蒙古 呼伦贝尔 021008）

0 引言

在当前全球环境保护与可持续发展的进程中，固体废弃物的资源化利用成为建筑材料领域的一项关键挑战和机遇。尤其是在建筑行业，掺加固体废弃物的贝利特硫铝酸盐水泥混凝土，因其在环境友好性和经济效益方面的潜力而受到广泛关注。该材料的研究与应用不仅有望减少工业固废的堆积，而且会因贝利特硫铝酸盐水泥的应用而减少传统水泥生产过程中的能源消耗和二氧化碳排放，从而为环境保护和可持续建筑材料的发展做出贡献。本文将深入探讨冻融循环条件下，该种创新混凝土材料的水化硬化性能。冻融循环是极端气候条件下建筑材料必须面对的一大挑战，它对材料的结构完整性和耐久性提出了更高的要求。因此，本研究不仅关注材料的基础物理性能，如抗压强度和抗拉强度，也探讨材料微观结构在冻融循环中的变化，以期为该类材料的进一步改进和工程应用提供坚实的科学基础。

1 相关研究现状

1.1 贝利特硫铝酸盐水泥与固体废弃物掺加研究

贝利特硫铝酸盐水泥由于其出色的性能和对环境的影响小，成为建筑材料领域的热门研究对象。特别是掺加如粉煤灰、煤矸石等固体废弃物，不仅可以提升水泥的性能，还能有效地利用废弃物，减少环境污染。研究集中于如何优化固体废弃物的掺量和种类，以及这些材料如何影响水泥的力学性能和耐久性。掺加固体废弃物的贝利特硫铝酸盐水泥的微观结构和水化反应机理也是研究的重点。

1.2 掺加固体废弃物的贝利特硫铝酸盐水泥混凝土在冻融循环条件下性能的研究

在本研究中，特别关注掺加固体废弃物的贝利特硫铝酸盐水泥混凝土在冻融循环条件下的性能变化。冻融循环中，水泥材料内部水分的结冰和融化可能引起应力累积，从而影响材料的结构完整性和力学性能。本研究探索固体废弃物作为掺合料对水泥混凝土抗冻性能的影响，以及如何通过调整掺合料的比例和种类来适应极端的环境条件。该研究对于提高掺加固体废弃物的贝利特硫铝酸盐水泥混凝土在寒冷地区的应用具有重要意义。

2 试验设计

2.1 试件制备

在本研究中，采用标准混凝土试件模具来制备掺加固体废弃物的贝利特硫铝酸盐水泥混凝土试件。整个试件制备的过程包括以下关键步骤：

（1）模具准备：选择标准的混凝土试件模具，并进行彻底清洗。为避免混凝土与模具粘连，模具内部涂抹一层专用油脂。

（2）在本研究中，采用20%的固体废弃物（包括粉煤灰、煤矸石、电石渣、脱硫石膏），按1∶1∶1∶1的质量比例混合，作为掺合料以部分替代贝利特硫铝酸盐水泥的用量。这些混合材料与剩余的80%贝利特硫铝酸盐水泥、砂、石子混合，并确保混合物充分搅拌均匀，制备成混凝土试件。

（3）浇筑与振实：将配制好的混凝土材料均匀倒入模具中，为确保混凝土的密实性和结构完整性，使用振动器对混凝土进行充分振实，排除其中的气泡。

（4）养护：将装有混凝土的模具放置在控制好的恒温恒湿环境中进行28d的养护。完成28d养护后，对试件进行抗压强度、抗拉强度和抗冻性能的测试。在整个养护期间，保持试件表面的湿润状态，以利于水泥材料的有效水化反应。

（5）试件取出：养护完成后，从模具中取出混凝土试件，并为后续的物理性能测试及冻融循环试验做好准备。

2.2 物理性能测试

本研究中的物理性能测试重点关注试件在特定条件下的抗压强度、抗拉强度和吸水率。

（1）抗压强度测试：测试中，将试件安置在试验机上，逐步增加压力直至试件发生破裂。记录试件破裂时所承受的最大压力值，并据此计算抗压强度。

（2）抗拉强度测试：类似地，试件在试验机上经受逐渐增加的拉力，直到发生破裂。在试件破裂时记录最大拉力值，并用于计算抗拉强度。

（3）吸水率测试：此测试要求将试件浸泡在水中一段时间，之后取出并擦干表面水分后称重。然后再次将试件放入水中，重复此过程，直到试件重量不再发生变化。通过记录试件吸水前后的重量差，最终计算出其吸水率。

2.3 冻融循环试验

本研究的冻融循环试验旨在评估试件在极端温度变化条件下的耐久性。

（1）试验设置：将试件置于冻融循环试验箱中，设置试验参数。试件在相同的养护条件下经过28d后，进行冻融循环试验。试验条件为温度在-18～4℃之间循环变化，每个循环周期24h，总共进行50个周期。试验完成后，对试件再次进行物理性能测试，以评估冻融循环对材料性能的影响。

（2）质量记录：在每个循环结束后，取出试件并擦干表面水分，随后进行称重，记录并追踪试件在冻融循环过程中的质量变化。

（3）力学性能测试：在每5个冻融循环后，对试件进行物理性能测试，包括抗压强度和抗拉强度的测定，以监测其在极端条件下的力学性能变化。

（4）性能分析：通过比较冻融循环前后试件的质量和力学性能数据，分析其耐久性能的变化。此分析还包括将经历冻融循环的试件与未经此类处理的试件进行对比，以准确评估冻融循环对材料性能的影响[1]。

2.4 试验数据采集和处理方法

对收集的实验数据进行统计和分析，旨在揭示掺加固体废弃物的贝利特硫铝酸盐水泥混凝土在冻融循环下的水化硬化性能变化规律及影响因素。

2.4.1 物理性能测试数据

本研究对掺加固体废弃物的贝利特硫铝酸盐水泥混凝土试件进行的物理性能测试，主要包括抗压强度、抗拉强度和吸水率等关键指标。数据采集和处理步骤：

（1）物理性能测试：试件被放置在万能试验机上，进行抗压强度和抗拉强度的测试。测试过程中严格控制试件的放置位置和方向，以确保结果的准确性。对于吸水率测试，记录试件在浸水前后的重量差异。

（3）数据处理：采用统计方法如平均值和标准差处理收集到的测试数据，旨在揭示掺加固体废弃物的贝利特硫铝酸盐水泥混凝土在冻融循环下的水化硬化性能变化规律及影响因素，从而评估试件的物理性能和数据的可靠性。

2.4.2 冻融循环试验数据

本研究中的冻融循环试验旨在评估掺加固体废弃物的贝利特硫铝酸盐水泥混凝土试件在极端温度变化条件下的耐久性能。试验数据的采集和处理流程包括以下步骤：

（1）质量变化记录：在每个冻融循环周期结束后，试件被取出并擦干，随后进行称重。通过比较不同循环阶段的试件质量，计算质量损失率。

（2）力学性能记录：每进行5个循环后，对试件进行物理性能测试，包括抗压强度和抗拉强度的测量。记录这些指标相对于初始值的变化率。

（3）数据处理与分析：使用平均值和标准差方法对收集的数据进行处理，确保结果的准确性和可靠性。数据以图表形式展示，以便进行比较和分析。

（4）统计学分析：采用方差分析和多重比较方法，对试件的性能变化进行统计学分析，从而评估其显著性和差异性[2]。

3 试验结果与分析

3.1 掺加固体废弃物的贝利特硫铝酸盐水泥混凝土的物理性能测试结果

经过28d的养护，掺加固体废弃物的贝利特硫铝酸盐水泥混凝土试件的物理性能测试结果如表1所示。

表1 掺加固体废弃物的贝利特硫铝酸盐水泥混凝土试件物理性能测试结果

分析与讨论：

“我国的天主教、基督教一方面是宗教问题，另一方面，在长时期中又被帝国主义利用为对我国进行文化侵略的工具，其中一部分组织又被帝国主义利用为进行间谍活动的机关。这两个宗教在我国都办有教堂、学校、医院及其他文化事业及救济事业机关，都受外国津贴，都有大量外国传教士占据领导地位。”⑧针对这一情况，河南展开了一系列全面清理帝国主义在宗教领域的影响的工作。

（1）抗压强度：试件的抗压强度为45MPa。为了更准确地评估该结果，对比行业标准和同类研究中未掺加固体废弃物的贝利特硫铝酸盐水泥的性能。在标准《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T 17671-1999）中，普通硅酸盐水泥的标准强度一般为32.5～52.5MPa。因此，试验结果在可接受范围内，但需要进一步研究以优化掺合料比例，实现更高的强度。

（2）抗拉强度：试件的抗拉强度为6MPa。与普通硅酸盐水泥相比，此结果略低，可能由于固体废弃物的掺加影响了水泥的拉伸性能。未来研究应探索不同种类和比例的固体废弃物对抗拉强度的影响。

（3）吸水率：吸水率为2.5%。该结果表明水泥试件具有一定的渗透性。对于吸水率的优化，可以考虑使用更细的粉磨技术或添加特定的抗渗剂，以改善水泥的抗渗性能。

综上所述，虽然掺加固体废弃物的贝利特硫铝酸盐水泥混凝土试件的部分物理性能指标与未掺加固体废弃物的水泥相比有所差异，但整体上仍表现出良好的性能。未来的研究应着重于优化掺合料比例和种类，以及改进生产工艺，以提高综合性能。

3.2 冻融循环对固废基础设施水泥材料性能的影响

冻融循环对固废基础设施水泥材料性能的影响见表2所示。

表2 冻融循环对固废基础设施水泥材料性能的影响

从表2可以看出，随着冻融循环次数的增加，固废基础设施水泥材料的抗压强度、抗拉强度和吸水率均发生了变化。具体分析如下：

（1）抗压强度：随着冻融循环次数的增加，固废基础设施水泥材料的抗压强度逐渐降低。这是因为冻融循环会导致水泥材料中的微裂缝扩大，从而降低了其抗压强度。

（2）抗拉强度：随着冻融循环次数的增加，固废基础设施水泥材料的抗拉强度逐渐降低。这是因为冻融循环会导致水泥材料中的微裂缝扩大，从而降低了其抗拉强度。

（3）吸水率：随着冻融循环次数的增加，固废基础设施水泥材料的吸水率逐渐增加。这是因为冻融循环会导致水泥材料中的微裂缝扩大，从而增加了其孔隙度，使其吸水率增加。

3.3 固废基础设施水泥材料的微观结构分析

通过扫描电镜观察固废基础设施水泥材料的微观结构，发现在冻融循环作用下，水泥材料中的孔隙度增加，孔隙分布不均匀，孔隙大小也发生了变化。这是因为冻融循环会导致水泥材料中的微裂缝扩大，从而增加了其孔隙度和孔隙分布的不均匀性。同时，水泥材料中的钙矾石晶体也发生了破坏和剥落现象。这些微观结构的变化导致水泥材料性能的下降。总之，通过对水泥材料的微观结构分析，可以更加深入地了解冻融循环对水泥材料性能的影响机理，这对于进一步优化水泥材料的配方和制备工艺具有重要的指导意义。

4 结束语

本项研究的成果不仅丰富了关于冻融循环对建筑材料影响的理解，也为掺加固体废弃物的贝利特硫铝酸盐水泥混凝土在极端气候条件下的应用提供了新的科学依据。通过实验分析，证实了冻融循环对此类材料的力学性能和微观结构，尤其是抗压强度、抗拉强度和孔隙度方面具有显著影响。这些发现对于指导未来材料的配方设计和生产工艺改进具有重要意义，尤其是在提升材料在极端环境中的耐久性和稳定性方面。未来的研究应继续探索固体废弃物的最佳利用方式，以及如何通过不同类型废弃物的掺加，进一步优化水泥混凝土的性能。同时，将这种环保材料应用于城市基础设施和环保工程，不仅促进了固废资源的有效再利用，也为实现环保和可持续发展目标提供了新途径。在城市建设中应用该材料，有望减少建筑废物、降低温室气体排放，支持建设更加绿色、可持续的城市环境。综上所述，掺加固体废弃物的贝利特硫铝酸盐水泥混凝土作为一种创新的环保建材，其研究与应用前景值得期待，并将在现代建筑材料领域发挥重要作用。