國外最新研究:廢棄口罩加入混凝土增加強度

2022年5月4日
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自新冠疫情爆發以來,一次性口罩已經成為一種新的垃圾,而且數量龐大。不過,它們實際上可能是有用途的,因為最近的研究表明,當它們被加到混凝土中時可以增加混凝土的強度。

以前的研究表明,混凝土在澆筑前摻入微小的增強纖維,就不太容易出現裂縫??紤]到這一事實,美國華盛頓州立大學(Washington State University)的科學家們就想知道:廢棄口罩中的聚丙烯或聚酯纖維是否可能是這些纖維的來源。

為了找到答案,研究人員首先從一次性外科口罩上取下金屬鼻橋和棉質耳環,然后將剩余的纖維撕成5 - 30毫米長的纖維。

國外最新研究:廢棄口罩加入混凝土增加強度

接下來,用氧化石墨烯溶液處理纖維。它會在這些纖維上面形成一層涂層,增加額外的表面積,幫助它們與常用的波特蘭水泥漿(硅酸鹽水泥)結合。然后,它們會被添加到水泥中,作為混凝土的粘合劑,體積占比0.1%。

測試結果顯示,當纖維增強的水泥固化一個月后,它比未經處理的波特蘭水泥硅酸鹽水泥的劈裂抗拉強度高出47%。首席科學家Xianming Shi說道:“這項工作展示了一種將廢棄口罩從廢物中轉移到高價值應用的技術?!?/span>

上述研究成果已于近期發表在了《材料快報》(Materials Letters)雜志上。去年,澳大利亞皇家墨爾本理工大學(RMIT)進行的一項研究同樣表明,口罩纖維有助于加強瀝青和底層道路材料。

附:工程人必知的混凝土組分知識

混凝土一般是由水泥、砂、石和水所組成,為改善混凝土的某些性能,還常加入適量的外加劑和摻合料。因此,混凝土主要由六大組分組成:①水泥、②水、③粗骨料(主要為石子)、④細骨料(主要為砂子)、⑤礦物摻合料(主要為粉煤灰或其他摻合料)、⑥外加劑(如膨脹劑、減水劑、緩凝劑等)。

國外最新研究:廢棄口罩加入混凝土增加強度

在混凝土中,砂、石起骨架作用,稱為骨料或集料;水泥與水形成水泥漿,包裹在骨料的表面并填充其空隙。在混凝土硬化前,水泥漿、外加劑與摻合料起潤滑作用,賦予拌合物一定的流動性,便于施工操作。水泥漿硬化后,則將砂、石骨料膠結成一個結實的整體。砂、石一般不參與水泥與水的化學反應,其主要作用是節約水泥、承擔荷載和限制硬化水泥的收縮。外加劑、摻合料除了起改善混凝土性能的作用外,還有節約水泥的作用。

國外最新研究:廢棄口罩加入混凝土增加強度

國外最新研究:廢棄口罩加入混凝土增加強度

六大組分對混凝土質量的影響因素

1
水泥

水泥的材質選用及標號的選用影響混凝土強度及混凝土凝固水化熱等,相關成品質量對混凝土的成品質量起主要作用。

2

水的PH值、水質、硫酸鹽等含量影響混凝土強度及混凝土質量。

3
粗骨料(主要為石子)

石子的強度及材質影響混凝土強度及混凝土成品質量。

4
細骨料(主要為砂子)

砂子的含泥量、砂子本體材質、砂的有害物質含量不同程度地影響混凝土的強度及凝固時間。

5
礦物摻合料(主要為粉煤灰或其他摻合料)

不同摻合料影響混凝土的和易性、強度曲線、混凝土成品觀感等因素。

6
外加劑(如膨脹劑、減水劑、緩凝劑等)

外加劑的種類及添加量影響混凝土的凝固時間、強度、混凝土物理性能等因素。

六大組分的技術要求

1
水泥

配制普通混凝土的水泥,可采用六大常用水泥(見下表),必要時也可采用快硬硅酸鹽水泥或其他品種水泥。

國外最新研究:廢棄口罩加入混凝土增加強度

水泥品種的選用應根據混凝土工程特點、所處環境條件及設計施工的要求進行,常用水泥品種的選擇可參照下表。

國外最新研究:廢棄口罩加入混凝土增加強度

水泥強度等級的選擇,應與混凝土的設計強度等級相適應。一般以水泥強度等級為混凝土強度等級的1.5~2.0倍為宜,對于高強度等級混凝土可取0.9~1.5倍。用低強度等級水泥配制高強度等級混凝土時,會使水泥用量過大,不經濟,而且還會影響混凝土的其他技術性質。用高強度等級水泥配制低強度等級混凝土時,會使水泥用量偏少,影響和易性及密實度,導致該混凝土耐久性差,故必須這么做時應摻人一定數量的混合材料。

2
細骨料

粒徑在4.75mm以下的骨料稱為細骨料,在普通混凝土中指的是砂。砂可分為天然砂和人工砂兩類。天然砂包括河砂、湖砂、山砂和淡化海砂(氯離子含量不大于0.06%);人工砂是經除土處理的機制砂、混合砂的統稱。因河砂干凈,又符合有關標準的要求,所以在配制混凝土時最常用。混凝土用細骨料的技術要求有以下幾方面:

1.顆粒級配及粗細程度

砂的顆粒級配是指砂中大小不同的顆粒相互搭配的比例情況,大小顆粒搭配得好時砂粒之間的空隙最少。砂的粗細程度是指不同粒徑的砂?;旌显谝黄鸷罂傮w的粗細程度,通常有粗砂、中砂與細砂之分。在相同質量條件下,細砂的總表面積較大,而粗砂的總表面積較小。在混凝土中,砂子的表面需要由水泥漿包裹,砂粒之間的空隙需要由水泥漿填充,為達到節約水泥和提高強度的目的,應盡量減少砂的總表面積和砂粒間的空隙,即選用級配良好的粗砂或中砂比較好。

砂的顆粒級配和粗細程度,常用篩分析的方法進行測定。根據0.63mm篩孔的累計篩余量,將砂分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個級配區。用所處的級配區來表示砂的顆粒級配狀況,用細度模數表示砂的粗細程度。細度模數愈大,表示砂愈粗,按細度模數砂可分為粗、中、細三級。

在選擇混凝土用砂時,砂的顆粒級配和粗細程度應同時考慮。配制混凝土時宜優先選用Ⅱ區砂。當采用Ⅰ區砂時,應提高砂率,并保持足夠的水泥用量,以滿足混凝土的和易性要求;當采用Ⅲ區砂時,宜適當降低砂率,以保證混凝土的強度。對于泵送混凝土,宜選用中砂,且砂中小于0.315mm的顆粒應不少于15%。

2.有害雜質和堿活性

混凝土用砂要求潔凈、有害雜質少。砂中所含有的泥塊、淤泥、云母、有機物、硫化物、硫酸鹽等,都會對混凝土的性能有不利的影響,屬有害雜質,需要控制其含量不超過有關規范的規定。重要工程混凝土所使用的砂,還應進行堿活性檢驗,以確定其適用性。

3.堅固性

砂的堅固性是指砂在氣候、環境變化或其他物理因素作用下抵抗破裂的能力。砂的堅固性用硫酸鈉溶液檢驗,試樣經5次循環后其質量損失應符合有關標準的規定。

3
粗骨料

粒徑大于5mm的骨料稱為粗骨料。普通混凝土常用的粗骨料有碎石和卵石。由天然巖石或卵石經破碎、篩分而得的粗骨料,稱為碎石或碎卵石。巖石由于自然條件作用而形成的粗骨料,稱為卵石。混凝土用粗骨料的技術要求有以下幾方面:

1.顆粒級配及最大粒徑

普通混凝土用碎石或卵石的顆粒級配情況有連續粒級和單粒級兩種。其中,單粒級的骨料一般用于組合成具有要求級配的連續粒級,它也可與連續粒級的碎石或卵石混合使用,以改善其級配。如資源受限必須使用單粒級骨料時,則應采取措施避免混凝土發生離析。

粗骨料中公稱粒級的上限稱為最大粒徑。當骨料粒徑增大時,其比表面積減小,混凝土的水泥用量也減少,故在滿足技術要求的前提下,粗骨料的最大粒徑應盡量選大一些。在鋼筋混凝土結構工程中,粗骨料的最大粒徑不得超過結構截面最小尺寸的1/4,同時不得大于鋼筋間最小凈距的3/4。對于混凝土實心板,可允許采用最大粒徑達1/3板厚的骨料,但最大粒徑不得超過40mm。對于采用泵送的混凝土,碎石的最大粒徑應不大于輸送管徑的1/3,卵石的最大粒徑應不大于輸送管徑的1/2.5。

2.強度和堅固性

碎石或卵石的強度可用巖石抗壓強度和壓碎指標兩種方法表示。當混凝土強度等級為C60及以上時,應進行巖石抗壓強度檢驗。用于制作粗骨料的巖石的抗壓強度與混凝土強度等級之比不應小于1.50對經常性的生產質量控制則可用壓碎指標值來檢驗。

有抗凍要求的混凝土所用粗骨料,要求測定其堅固性。即用硫酸鈉溶液檢驗,試樣經5次循環后其質量損失應符合有關標準的規定。

3.有害雜質和針、片狀顆粒

粗骨料中所含的泥塊、淤泥、細屑、硫酸鹽、硫化物和有機物等是有害物質,其含量應符合有關標準的規定。另外,粗骨料中嚴禁混入煅燒過的白云石或石灰石塊。

重要工程混凝土所使用的碎石或卵石,還應進行堿活性檢驗,以確定其適用性。

粗骨料中針、片狀顆粒過多,會使混凝土的和易性變差,強度降低,故粗骨料中的針、片狀顆粒含量應符合有關標準的規定。

4

混凝土拌合及養護用水的水質應符合《混凝土用水標準》JGJ63—2006的有關規定。對于設計使用年限為100年的結構混凝土,氯離子含量不得超過500mg/L;對使用鋼絲或經熱處理鋼筋的預應力混凝土,氯離子含量不得超過350mg/L。地表水、地下水、再生水的放射性應符合現行國家標準《生活飲用水衛生標準》GB5749—2006的規定。

混凝土拌合用水的水質檢驗項目包括pH值、不溶物、可溶物、C1-、SO?2-、堿含量(采用堿活性骨料時檢驗)。被檢驗水樣還應與飲用水樣進行水泥凝結時間和水泥膠砂強度對比試驗。此外,混凝土拌合用水不應漂浮明顯的油脂和泡沫,不應有明顯的顏色和異味;混凝土企業設備洗刷水不宜用于預應力混凝土、裝飾混凝土、加氣混凝土和暴露于腐蝕環境的混凝土,不得用于使用堿活性或潛在堿活性骨料的混凝土。未經處理的海水嚴禁用于鋼筋混凝土和預應力混凝土。在無法獲得水源的情況下,海水可用于素混凝土,但不宜用于裝飾混凝土。

混凝土養護用水的水質檢驗項目包括pH值、C1-、SO?2- 、堿含量(采用堿活性骨料時檢驗),可不檢驗不溶物和可溶物、水泥凝結時間和水泥膠砂強度。

5
外加劑

外加劑是在混凝土拌合前或拌合時摻人,摻量一般不大于水泥質量的5%(特殊情況除外),并能按要求改善混凝土性能的物質。各種混凝土外加劑的應用改善了新拌合硬化混凝土的性能,促進了混凝土新技術的發展,促進了工業副產品在膠凝材料系統中更多的應用,還有助于節約資源和環境保護,已經逐步成為優質混凝土必不可少的材料。

混凝土外加劑的質量應符合現行的《混凝土外加劑》GB8076—2008、《混凝土外加劑應用技術規范》GB50119—2013、《混凝土外加劑中釋放氨的限量》GB18588—2001的有關規定。各類具有室內使用功能的混凝土外加劑中釋放的氨量必須不大于0.10%(質量分數)。

根據《混凝土外加劑》GB8076—2008,混凝土外加劑的技術要求包括受檢混凝土性能指標和勻質性指標。受檢混凝土性能指標具體包括減水率、泌水率比、含氣量、凝結時間之差、1h經時變化量這些推薦性指標和抗壓強度比、收縮率比、相對耐久性(200次)這些強制性指標。勻質性指標具體包括氯離子含量、總堿量、含固量、含水率、密度、細度、pH值和硫酸鈉含量。

《混凝土膨脹劑》GB23439—2009規定,混凝土膨脹劑的技術要求包括化學成分和物理性能。其中,化學成分包括氧化鎂和堿含量兩項指標,氧化鎂含量應不大于5%,堿含量屬選擇性指標;物理性能指標包括細度、凝結時間、限制膨脹率和抗壓強度,限制膨脹率為強制性指標。

6
礦物摻合料

為改善混凝土性能、節約水泥、調節混凝土強度等級,在混凝土拌合時加入的天然的或人工的礦物材料,統稱為混凝土摻合料。混凝土摻合料分為活性礦物摻合料和非活性礦物摻合料。非活性礦物摻合料基本不與水泥組分起反應,如磨細石英砂、石灰石、硬礦渣等材料。活性礦物摻合料本身不硬化或硬化速度很慢,但能與水泥水化生成的Ca(OH)?起反應,生成具有膠凝能力的水化產物,如粉煤灰、?;郀t礦渣粉、硅灰、沸石粉等。

粉煤灰來源廣泛,是當前用量最大、使用范圍最廣的混凝土摻合料。根據《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T1596—2005,拌制混凝土和砂漿用粉煤灰的技術要求包括細度、需水量比、燒失量、含水量、三氧化硫、游離氧化鈣、安定性、放射性、堿含量和均勻性。按細度、需水量比和燒失量,拌制混凝土和砂漿用粉煤灰可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個等級,其中Ⅰ級品質最好。

重要的混凝土工程及大體積工程常常摻入較多的礦物摻合料,這時應根據《普通混凝土配合比設計規程》JGJ55-2011進行混凝土配合比設計。

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