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建筑废料再生微粉配置混凝土的性能及其应用研究

申报人：黄正宁 申报日期：2025-01-08

基本情况

2025年批次
建筑废料再生微粉配置混凝土的性能及其应用研究 学生申报
创新训练项目
工学
土木类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
本项目拟通过对再生微粉的大致化学成分、再生微粉作为配置混凝土掺合料用量对混凝土性能影响、不同活化机理对再生微粉配置混凝土的激发效果、再生微粉配置的混凝土各项强度的研究，以提高利用建筑废料的态度完成再生微粉配置混凝土再利用的想法:一方面解决了国家建筑废料泛滥，利用率低下的问题。另一方面通过对再生微粉的研究从而减轻原混凝土材料的浪费利用造成的环境污染。项目研究成果，可以为全国范围内各工程产生废料的处理提供经济，有效的解决办法。
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指导教师参加国家重点研发计划课程1项；参与国家自然科学基金2项；主持中青年提升项目1项
指导老师积极参与本项目研究，对项目研究方向进行多次指导，肯定了本项目研究的意义与价值，对团队成员进行了实验操作的指导。为项目能更好地研究提供了巨大的帮助。
区级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
黄正宁 土木工程学院 土木工程（实验班） 2023 总负责
杨成和 土木工程学院 土木工程 2023 查询并信息分析
梁业展 土木工程学院 土木工程 2023 PPT制作
苏俊锦 土木工程学院 土木工程（实验班） 2023 汇报答辩
梁鸿涛 土木工程学院 土木工程 2023 小论文撰写

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
胡祥 土木工程学院 否

立项依据

随着我国城镇化进程不断加快，在旧建筑物拆除和新建筑物建造过程中产生了大量的建筑垃圾。据统计，我国建筑垃圾混凝土年排量从2020年约6亿多吨预计将增至2050年的54亿吨，很长一段时间内，我国采用露天堆放和直接填埋的方式处理建筑垃圾，带来了一系列生态和环境问题，当前发达国家建筑垃圾资源化的利用率已达60%~95%，但我国尚不足5%，这说明我国对建筑废料的重新利用还是有很大的进步空间的。随着自然资源的急剧短缺和价格的大幅上涨，建筑废料的重新利用将成为一项重大的投资热点。
故如今对建筑废料的高效利用一度成为社会话题热点，再生微粉的发现成为了解决建筑废料利用率低下的问题，而国内再生微粉的原材料来源普遍，种类繁多；矿物质成分与粉末成分的差异，导致粉末基本特征信息分散大，周期性弱。建筑废料再生微粉的主要有氧化钙、二氧化硅、氧化铝等一些化学成分，在这些化学成分中一般氧化钙的含量较高。但由砖块生产的再生微粉中的二氧化硅含量较高，而在混凝土破碎产生的再生微粉中的含量则较少。
为此，我们基于“固废利用，变废为宝”的指导方针，拟通过对再生微粉的大致化学成分的研究，再生微粉作为配置混凝土掺合料用量对混凝土性能影响的研究，不同激发剂对再生微粉配置混凝土时的催化作用以及再生微粉配置的混凝土各项强度的研究，以提高利用建筑废料的态度完成再生微粉配置混凝土再利用的想法:一方面解决了国家建筑废料泛滥，利用率低下的问题。另一方面通过对再生微粉的研究从而减轻原混凝土材料的浪费利用造成的环境污染。项目研究成果，可以为全国范围内各工程产生废料的处理提供经济，有效的解决办法。
目前我国的建筑废物使用率十分低，相比于发达国家，我国调研得出实际资源化利用率大概只有5%。目前建筑废物资源化重利用，比较成熟的手段是将其破碎形成再生粗细骨料之后再使用。但是不可避免的会产生一些(一般是15%～20%)粒径小于0.075mm的再生微粉，若如果能够对这些再生微粉加以利用，势必对建筑废料重新利用的进程具有重大意义，具体的研究内容如下：
(1)再生微粉的大致化学成分
将再生微粉进行化学成分分析并研究，增加对再生微粉化学物质含量的了解与掌握，有利于对建筑废料分类处理后产生再生的微粉的利用，做到物尽其用。以下是刘诚、白希选、王相卿等人对P·O42.5级水泥进行各项处理得到的水泥和再生微粉主要化学成分表，其成分与水泥、粉煤灰相似。
(2)再生微粉作为配置混凝土掺合料用量对混凝土性能影响
本试验再生微粉等质量取代水泥的比例分别为0、5%、10%、15%、20%，另外，为了保证再生混凝土的工作性良好，试验过程中添加了适量附加水，具体配合比见表。
不难看出建筑废料中筛取的再生微粉可以重新得到利用。建筑废料再生微粉作为掺合料代替部分水泥或粉煤灰等，用于配置混凝土，不仅可以变废为宝，还可以节约水泥，降低能耗与环境污染，有很大的经济效益和社会意义，如何利用好再生微粉是建筑废料综合利用、实现零排放的瓶颈。
（3）不同活化机理对再生微粉配置混凝土的激发效果
下表是熊科兴、王存等人对为对比物理化学联合活化和单一物理或化学活化在活性上的区别，计算掺加质量分数为4%Ca(OH)2和机械研磨20 min时的胶砂活性指数，结果见下表。
从活化效果来看，从大到小依次为机械研磨与Ca(OH)2联合激发C-2组、物理激发C-0组、Ca(OH)2化学激发A-2组、未激发A-0组。未激发组活性指数达到67.0%;单一物理活化最优组活性达到74.3%,提升了7.3%;单一化学激发组活性达到73.8%,提升了6.8%;物理化学联合活化激发最优组的活性指数达到80.2%,相比于未处理活性指数提升了13.2%,相比于单一物理激发最优组提升了11.0%,相比于单一化学激发最优组提升了11.5%。联合活化效果提升程度都大于单一物理活化或者单一化学活化组。研究结果表明，可以采用物理和化学联合激发激发的方法来激发再生微粉的活性。
（4）不同再生微粉掺和量配置的混凝土抗压强度的研究
目前，再生微粉对水泥基材料力学性能的研究成果相差较大。再生微粉对水泥基材料力学性能的影响与其掺量密切相关。用适当的再生微粉代替水泥，对提高水泥基材料的力学性能具有积极作用。以下是刘诚等人对再生微粉配置得到的混凝土中，再生微粉掺量对再生混凝土抗压强度的影响。不难看出随着龄期的增加，试件的抗压强度增大；随着再生微粉的掺量从0逐渐增至20%，试件的7、28、56 d抗压强度均呈先增大后减小的趋势，说明掺入适量再生微粉可以提高再生混凝土的抗压强度，其中，当再生微粉的掺量为15%时，对再生混凝土抗压强度的提高效果最好。此时，R15试件的7、28、56 d抗压强度相较于R0试件分别提高了25.3%、16.5%、9.1%，且分别能达到N试件的82.9%、89.8%、89.3%。
（1）XIAO等人发现，含15%、30%和45%再生建筑微粉的混凝土（w/b=0.5）的抗压强度，比不含再生建筑微粉的混凝土高5.9%、低2.9%和低25.3%，这是因为再生建筑微粉的活性改善了孔结构。再生建筑微粉中的微粒也起到了晶核的作用，促进了C-S-H的形成，有助于提高抗压强度。
（2）KIM等人发现，含有15%～45%再生建筑微粉的混凝土的劈裂抗拉强度，比不含再生建筑微粉的参比样低10.5%～39.5%,XIAO等人报道，当w/b比为0.4和0.5时，45%再生建筑微粉混凝土的劈裂抗拉强度分别比参比样低28.5%和16.7%。SINGH等人进一步发现，加入高达10%的再生建筑微粉对预制混凝土的劈裂抗拉强度有积极影响。
（3）中国矿业大学赵桂云在混凝土再生微粉基本性能及其活化技术的研究，重点考虑了矿物掺合料的种类（再生微粉、粉煤灰）与取代率（0%、10%、20%、30%）、水胶比（0.54、0.61）和活性激发方法（化学激发和物理激发）这三个因素对混凝土抗压强度性能以及抗碳化性能的影响，并分析不同活性激发处理后再生微粉混凝土、普通混凝土、粉煤灰混凝土的抗压强度和抗碳化性能的差异。
（4）易超等人在建筑垃圾资源化制备再生混凝土的的研究中选择未进行分拣的包含有废弃混凝土、废弃砖块、废弃砂浆、废弃瓷砖和废弃玻璃等多种成分的建筑垃圾为研究对象，较为系统的研究了建筑垃圾再生骨料及其所制备的再生骨料混凝土，以期对生产实际有所帮助。
因此，随着“双碳”战略目标的提出，利用建筑废料再生新的建筑材料，使其工程性能能够满足建设需要，是固废资源化的一条有效途径，具有广阔的应用市场。
将产生的一些粒径小于0.075mm的再生微粉，加以有效利用，从而减轻原混凝土材料的浪费利用造成环境污染的可能，同时将这部分也纳入到资源化利用的范畴，为工程建设产生的废料利用和全国各地因为对建筑垃圾不当处理而造成环境污染的综合利用提供一种全新的研究思路和可行的技术方案。
（1）研究再生微粉以不同掺和量制成的混凝土的与天然骨料制成的混凝土对比的差异，选出最合适的配合比，以此来使得研究所得混凝土各物性达到合理要求，节约成本，开启新道路。
（2）将多元建筑垃圾进行筛分和清洗，为达到梯级利用，将建筑垃圾微粉进行回收再利用，制作成再生混凝土。
（3）研究再生微粉代替部分水泥制作而成的混凝土，制作成混凝土试件，研究混凝土试件的各项力学性能。
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(2)拟解决的问题：
再生微粉砂浆抗压强度模型的建立；
实验过程对操作和配比的严格精度要求，若出现不当易造成误差；
实验场地的温度和湿度对对微粉活性的影响。
(3)预期成果
①再生微粉作为掺和料代替水泥等降低能耗和减少环境污染，降低成本。
②在物理和化学不同机理的激发下，一定量的再生微粉代替水泥制备的混凝土的抗压强度有所高。
③发表论文一篇，申请专利一项
2024年5月-6月：再生微粉的大致化学成分的研究；
2024年7月-9月：再生微粉作为配置混凝土掺合料用量对混凝土性能影响的研究；
2024年10月-12月：不同活化机理对再生微粉配置混凝土的激发效果
的研究；
2024年10月-12月：不同再生微粉掺和量配置的混凝土抗压强度的研究；
2025年1月-5月：整理试验数据，撰写发表小论文，完成结题报告。

1）项目负责人为土木工程专业大二学生，已经阅读过众多该领域的文献资料，对该项目有足够的了解，具有扎实的试验功底和分析能力；
2）项目组其他组员大部分为土木工程专业大二学生，经过两年来的专业学习，具备了良好的专业功底，并且富有创新能力和吃苦肯干精神；
3）该项目为团队指导老师邓雪莲老师主持在研项目的一部分内容，目前已开展了相关的研究工作，为本项目的实施提供了一些有利条件。

申请者所在单位拥有广西绿色建材与建筑工业化重点实验室、广西岩土力学与工程重点实验室、广西高校区域性土木工程灾害防治重点实验室，建有以科研为中心的结构工程研究中心，具有必要的试验场地和采集、测试、分析实验装置，结构工程研究中心可满足项目试验要求，另有仿真实验室的多台高性能工作站可以满足数值计算。

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 7000.00 无 2500.00 4500.00
1. 业务费 4000.00 无 500.00 3500.00
（1）计算、分析、测试费 500.00 无 250.00 250.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 500.00 无 250.00 250.00
（4）文献检索费 0.00 无 0.00 0.00
（5）论文出版费 3000.00 无 0.00 3000.00
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 无 0.00 0.00
4. 材料费 3000.00 无 2000.00 1000.00
结束

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