再生细骨料的改性技术研究

论文总字数：32052字

摘 要

本文用二氧化碳碳化和微生物矿化的方法，研究了建筑垃圾再生骨料改性的可行性。通过再生骨料技术实现了废旧混凝土的高效利用，减轻了对天然骨料资源的过度依赖，减少了直接掩埋所造成的环境污染。

对再生骨料的颗粒级配、压碎指标、饱和面干吸水率、微观形貌及组织成分和再生砂浆的稠度及抗压强度进行了测试，比较了再生骨料改性前后性能的变化及不同改性方案处理后的性能差异。探索对再生骨料的碳化改性中，骨料性能、钙源种类、钙源浓度及碳化条件对改性效果的影响，微生物矿化改性中，培养基种类、钙源种类、培养方式及干燥方式对改性效果的影响。

试验结果表明碳化改性和微生物矿化改性的方法均可改善再生骨料性能，宏观上实现了吸水率的减少和强度的提高，微观上实现了表面微裂纹的修复，再生砂浆稠度和强度也有所改善。碳化改性中，均生成方解石型碳酸钙。相比于干燥的再生骨料，含水率为5%的状态更有利于CO₂扩散，微粉含量对碳化效果无明显影响。外加氯化钙，骨料碳化更充分，且效果随浓度增大而改善。高浓度的CO₂有利于大量碳酸钙颗粒的析出。微生物改性中，生成少量球霰石型碳酸钙，7天内转化为方解石。外加Xc，骨料碳化更充分，而牛肉浸膏和蛋白胨为最合适的培养基。振荡培养和搅拌干燥有利于再生骨料结块情况的改善。

最后，根据试验结果比较了两种改性方案的可行性和优劣，并确定了再生细骨料最佳的碳化改性制度和微生物矿化改性制度。

关键词：再生细骨料，改性，碳化，巴氏芽孢杆菌，骨料性能

MODIFICATION OF RECYCLED AGGREGATE BY CO₂

CURING AND BIODEPOSITION

Abstract

In this thesis, modification methods of carbon dioxide curing and biodeposition are studied to explore the feasibility of improvement of recycled aggregates from construction waste. The recycled aggregate technology achieved high-efficiency use of waste concrete, reduced the excessive dependence on natural aggregate resources and reduced environmental pollution caused by burial directly.

Particle size distribution, crushing index, water absorption of saturated surface dry condition, microstructure and composition of recycled aggregates and consistency and compressive strength of recycled aggregate mortar were tested. Properties of recycled aggregates before and after modification and the difference of properties by different modification methods were compared. Effects of aggregate performance, calcium source types, calcium source concentration and carbonization condition on the modification through carbon dioxide curing were researched. Effects of media types, calcium source types, culturing and drying methods on the modification through biodeposition were researched as well.

The experiment results show that methods of carbon dioxide curing and biodeposition can both improve the performance of recycled aggregate. The methods result in a reduction to water absorption and an increase in strength macroscopically and the restoration of microcracks on the surface microscopically. Consistency and compressive strength of recycled aggregate mortar are also improved.

In modification by CO₂ curing, calcite is generated. Compared to the dry condition, water content of 5% is more conducive to CO₂ diffusion, while powder content has no significant effect on the modification effect. Added calcium chloride, carbonation of recycled aggregate is much better, and the effect improves with increasing concentration. High concentration of CO₂ is in favor of the precipitate of calcium carbonate. In modification by biodeposition, vaterite is existed, which can transform into calcite within 7 days. Added calcium nitrate, modification of recycled aggregate is much better. In addition, beef extract and peptone is the most suitable medium. Shaking culture and agitation can reduce the agglomeration of recycled aggregate.

Finally, the modification methods of carbon dioxide curing and biodeposition of recycled fine aggregates were compared with each other. In addition, the optimum methods were determined based on test results.

KEY WORDS: recycled fine aggregate, improvement, CO₂ curing, sporosarcina pasteurii, properties

目 录

摘要 ……………………………………………………………………………………2

Abstract ………………………………………………………………………………3

1. 绪论 ………………………………………………………………………1

1.1 引言 ………………………………………………………………………1

1.2 再生骨料的强化方式及优缺点 …………………………………………1

1.2.1物理强化法 ……………………………………………………1

1.2.2化学浸渍法 ……………………………………………………2

1.2.3湿处理法 ………………………………………………………2

1.3 研究目的及意义 …………………………………………………………2

1.4 本文的主要研究内容 ……………………………………………………2

1.5 研究难点及创新点 ………………………………………………………3

1. 原材料及性能测试方法 …………………………………………………4

2.1 原材料 ……………………………………………………………………4

2.2 实验仪器设备 ……………………………………………………………5

2.3 砂浆配合比 ………………………………………………………………5

2.4 宏观性能测试方法 ………………………………………………………5

2.4.1颗粒级配 …………………………………………………………6

2.4.2压碎指标 …………………………………………………………6

2.4.3饱和面干吸水率 …………………………………………………6

2.4.4氯化物含量 ………………………………………………………7

2.4.5砂浆稠度 …………………………………………………………7

2.4.6立方体抗压强度 …………………………………………………7

2.5 微观性能测试方法 ………………………………………………………7

2.5.1 SEM分析 …………………………………………………………7

2.5.2 XRD分析 …………………………………………………………7

2.5.3热重分析 …………………………………………………………7

1. 二氧化碳碳化改性再生骨料 ……………………………………………9

3.1 二氧化碳碳化改性再生骨料原理 ………………………………………9

3.2 二氧化碳碳化改性处理方法 ……………………………………………9

3.3 二氧化碳碳化改性再生骨料前后性能对比 ……………………………11

3.4 骨料性能对碳化改性效果的影响 ………………………………………11

3.4.1 含水率 ……………………………………………………………11

3.4.2 微粉含量 …………………………………………………………13

3.5 钙源对碳化改性效果的影响 ……………………………………………16

3.5.1 外加钙源 …………………………………………………………16

3.5.2 钙源种类 …………………………………………………………18

3.5.3钙源浓度 …………………………………………………………19

3.6 碳化条件对碳化改性效果的影响 ………………………………………22

3.7 本章小结 …………………………………………………………………24

1. 微生物改性再生骨料 ……………………………………………………25

4.1 微生物改性再生骨料原理 ………………………………………………25

4.2 微生物改性处理方法 ……………………………………………………26

4.3 微生物改性再生骨料前后性能对比 ……………………………………26

4.4 钙源种类对微生物改性效果的影响 ……………………………………28

4.5 培养基种类对微生物改性效果的影响 ………………………………32

4.6 培养方式及干燥方式对微生物改性效果的影响 ………………………33

4.7 碳化改性和微生物改性的比较 …………………………………………35

4.7.1改性效果 …………………………………………………………35

4.7.2改性成本 …………………………………………………………35

4.8 本章小结 …………………………………………………………………35

1. 结论和展望 ………………………………………………………………37

5.1 二氧化碳碳化改性再生骨料 ……………………………………………37

5.1.1碳化改性方案可行性 ……………………………………………37

5.1.2骨料含水率对碳化改性效果的影响 ……………………………37

5.1.3骨料微粉含量对碳化改性效果的影响 …………………………37

5.1.4钙源对碳化改性效果的影响 ……………………………………37

5.1.5碳化条件对碳化改性效果的影响 ………………………………37

5.1.6碳化改性最佳工艺 ………………………………………………37

5.2 微生物改性再生骨料 ……………………………………………………37

5.2.1微生物改性方案可行性 …………………………………………37

5.2.2钙源对微生物改性效果的影响 …………………………………38

5.2.3培养基对微生物改性效果的影响 ………………………………38

5.2.4培养方式和干燥方式对微生物改性效果的影响 ………………38

5.2.5微生物改性最佳工艺 ……………………………………………38

5.3 碳化改性和微生物改性的比较 …………………………………………38

5.4 展望 ……………………………………………………………………38

致谢 …………………………………………………………………………………39

参考文献（References） ……………………………………………………………40

1. 绪 论

本章介绍了研究背景与意义、国内外研究现状和存在的问题，本文的研究内容和研究方案。

1.1 引言

根据国家统计局报告显示，截止到2011年底，中国城镇人口为6.9亿，城市化率为51.27%，这是中国城镇人口比例第一次突破一半。自进入21世纪，我国进入了城市化的快速发展时期，预计2015年底中国城市化率将达58.47%。虽然促进区域经济水平提高，城市发展促使了生产方式、聚落形态、生活方式、价值观念等的变化，但是也带来了大量的建筑垃圾、生活垃圾，生态环境愈发脆弱。工信部数据显示，2012年我国产生建筑垃圾15亿吨，进行资源化利用的仅为其中5%，而欧美发达国家的利用率超过95%。建设部规划，到2020年我国还需建设300亿平方米住宅，拆除改造又会产生50亿吨的建筑垃圾。目前，对于建筑垃圾多被运送到城郊填埋，既占用了大量土地资源，又对生态环境造成了破坏，严重污染土壤及地下水、地表水，不符合可持续发展的理念。如果这些建筑垃圾能够实现向生态建筑材料的高效转化，由此带来的经济总量可达一万亿元。因此，利用建筑废弃物和无机工业废料研制新型建筑材料，实现固体废弃物的资源化，成了现今社会不可回避的发展趋势。

建筑垃圾包括拆除废物和施工废物。其中，拆除废物包括废旧混凝土、碎石、碎砖、废旧金属、废旧钢筋、废旧玻璃等；施工废物包括废旧金属、废旧塑料、废旧玻璃等。目前我国建筑固体废弃物利用主要存在以下问题：一是建筑废物巨大；二是土地资源紧缺；三是建筑材料单一；四是再生技术缺乏。建筑行业每年产出最多的垃圾是废旧混凝土，废旧混凝土的再利用情况对建筑垃圾实现资源再生利用有直接的影响。现行处理废旧混凝土的方法是填埋或制造再生砌块，均为利用率不高的利用方式。利用率高的方式是将废旧混凝土经过破碎、 筛分等工艺处理后，制造混凝土和砂浆用的再生粗、 细骨料，可代替部分天然骨料制造砂浆或混凝土。这种方法减少了对天然资源的开采和对废旧资源的浪费。

再生骨料和天然骨料的各项性能指标差异源于骨料的表面性能差异。再生骨料是由65%-70%的原混凝土骨料和30%-35%的原混凝土砂浆构成。由于表面包裹的着一层砂浆以及破碎过程中产生的大量微裂纹 ，通常造成压碎值大、吸水率高，造成砂浆和易性能、力学性能和耐久性能有所降低。提高再生骨料的表面性能，达到或超过天然骨料，可提高再生骨料和再生砂浆的性能。因此，再生骨料技术实现了废旧混凝土的高效利用，减轻了对天然骨料资源的过度依赖，减少了直接掩埋所造成的环境污染。既创造了再生骨料产业的经济价值，又达到了节能减排、保护环境的目的，具有多重价值。

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