摘 要

减少废渣和CO₂排放是当前建材行业可持续发展的重要趋势之一。本文为了提高废弃混凝土再生资源的利用效率以及固化CO₂，提出将废弃混凝土中的硬化水泥浆体与骨料进行组分分离，将得到的废弃水泥石粉体煅烧处理后制备可再次水化且具备胶凝能力的再生胶凝材料，而后对其进行快速溶碳化养护，以期获得一种新型的低碳建筑材料。

本文研究了废弃混凝土的组分分离方法，再生胶凝材料的煅烧制备工艺，以及碳化养护制度等对再生胶凝材料碳化体性能的影响，最终利用抗压强度分析、X射线衍射分析(XRD)分析、核磁共振分析（²⁹Si-NMR）、扫描电子显微镜研究（SEM）等现代测试技术探究不同原材料处理工艺与煅烧制度下制备得到的再生胶凝材料在碳化前后微观结构特征。

实验结果表明，不同原材料处理工艺与煅烧制度下制备得到的再生胶凝材料在碳化前后微观形貌和性能方面均存在明显差异。研究发现650℃煅烧得到的再生胶凝材料中C₂S矿物相多为β-C₂S，而950℃煅烧得到的再生胶凝材料中C₂S矿物相多为γ-C₂S。通过比较不同煅烧温度下所得再生胶凝材料碳化过后的游离氧化钙含量及抗压强度发现，当煅烧温度为950℃时得到的再生胶凝材料，游离氧化钙含量达到最少，为2.6%，而其拥有最高的抗压强度，为26.27MPa，后期会对950℃下煅烧得到的再生胶凝材料进行其他方面的研究。分析认为，再生胶凝材料的快速碳化机理是通过再生胶凝材料中的C₂S与CO₂发生反应，生成CaCO₃，提高了抗压强度，且降低了孔隙率。

关键词：再生胶凝材料；碳化养护；微观结构；抗压强度

Abstract

Reducing waste residue and CO₂ emissions is one of the important trends for sustainable development of building materials industry. In order to improve the utilization efficiency of recycled resources of waste concrete and solidify carbon dioxide, this paper proposes that the hardened cement paste and aggregate in waste concrete should be separated from each other, and the waste cement paste powder can be calcined to prepare regenerated cementitious materials which can be re-hydrated and have cementitious ability. Then, the recycled cementitious materials can be quickly dissolved and carbonized, so as to obtain a new type of low-carbon construction building materials.

In this paper, the effects of component separation method of waste concrete, calcination process of recycled cementitious materials and carbonization curing system on the properties of carbides of recycled cementitious materials are studied. Finally, the microstructural characteristics of regenerated cementitious materials prepared under different raw material treatment processes and calcination systems were investigated by means of modern testing techniques such as compressive strength analysis, X-ray diffraction analysis (XRD), nuclear magnetic resonance analysis (²⁹Si-NMR), scanning electron microscopy (SEM).

The experimental results show that there are obvious differences in the micro-morphology and properties of regenerated cementitious materials prepared by different raw material treatment processes and calcination systems before and after carbonization. It was found that most of the C₂S mineral phases in the regenerated cementitious materials calcined at 650 ℃ are β-C₂S, while most of the C₂S mineral phases in the regenerated cementitious materials calcined at 950℃ are γ-C₂S. By comparing the free calcium oxide content and compressive strength of regenerated cementitious materials after carbonization at different calcination temperatures, it was found that the free calcium oxide content of regenerated cementitious materials reached the minimum of 2.6% and the highest compressive strength was 26.27 MPa when the calcination temperature was 950℃. In the later stage, the regenerated cementitious materials calcined at 950 ℃ will be studied in other aspects. The rapid carbonization mechanism of regenerated cementitious materials is the reaction of C₂S and CO₂ in regenerated cementitious materials to produce CaCO₃, which improves the compressive strength and reduces the porosity.

Key Words：recycled cementitious materials；carbonated curing；microstructure；compressive strength

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的目的与意义 1

1.2 与课题相关的国内外研究进展 2

1.2.1 再生胶凝材料的国内外研究进展 2

1.2.2 碳化养护的国内外研究进展 3

1.3 本文研究的主要内容 4

第2章 再生胶凝材料的制备 5

2.1 废弃混凝土原料的获取 5

2.1.1 利用组分分离技术获取废弃水泥石 5

2.1.2 实验室加速水化法制备原料 5

2.2 制备再生胶凝材料 5

2.2.1 原材料 5

2.2.2 再生胶凝材料的制备方法 6

第3章 再生胶凝材料的碳化养护 8

3.1 实验方法 8

3.2 碳化养护后的性能测试 8

3.2.1 游离氧化钙的测定 8

3.2.2 性能测试方法 9

第4章 结果与讨论 10

4.1 再生胶凝材料中游离氧化钙的测定结果 10

4.2 再生胶凝材料碳化过后的抗压强度分析 11

4.3 X射线衍射分析（XRD） 12

4.4 核磁共振分析（²⁹Si-NMR） 15

4.5 扫描电子显微镜研究（SEM） 18

4.6 总结与展望 19

参考文献 21

致谢 23

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的与意义

胶凝材料是指通过自身的物理化学作用，在可塑性浆体变为坚硬石状体的过程中，能将散粒或块状材料粘结成为整体的材料，亦称为胶结材料。而在土木工程材料中，其定义较为广泛，指凡是经过一系列物理、化学变化能将散粒状或块状材料粘结成整体的材料，统称为胶凝材料^[1]。硅酸盐水泥是广泛使用的一类无机胶凝材料。通常依靠其熟料矿物硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙（下文中依次以C₃S、C₂S、C₃A、C₄AF代替）等与水发生水化反应，生成水化硅酸钙、六方板状的氢氧化钙、钙矾石、单硫型水化硫铝酸钙（下文中依次以C-S-H凝胶、CH、AFt 和AFm代替）等水化产物，形成胶凝能力。

近年来，随着大规模新混凝土建筑物的建造和废旧混凝土建筑物的拆除，我国每年产生的废弃混凝土达5000～6000万吨，预计今后废弃混凝土的产生量仍将逐年增多。目前对这些废弃物的处理方法单一，一般是将废弃混凝土破碎后用作路基或低强度建筑制品的填充材料，亦或运用再生集料混凝土技术实现废弃混凝土再生资源化。但总体而言，对废弃混凝土的处理仍处于不利用或低层次利用的阶段，这不仅是对资源和能源的巨大浪费，同时破坏了生态环境。废弃混凝土中主要包括粗骨料和砂浆，而砂浆中又包括细集料、水泥及胶凝材料水化产物、未水化水泥和其他胶凝材料。在低水灰比的高标号废弃混凝土中，未水化水泥量甚至达到水泥总用量的30%以上，这部分未水化水泥在混凝土中仅作为微集料存在^[2]，没有发挥其水化活性，这其实就是废弃混凝土可再生利用的关键之处。国内外专家学者研究发现，废弃混凝土中的未水化水泥及水化硅酸钙的脱水相仍具有水化胶凝能力。因此，可以将废弃混凝土中的硬化水泥浆体与骨料进行组分分离，而后利用得到的水泥水化产物脱水相及未水化水泥制备再生胶凝材料^[3]。即通过将废弃混凝土破碎、将粗集料与砂浆分离、砂浆粉磨、筛分去除大部分石英砂后进行低温煅烧等处理，以此方法制得的再生胶凝材料具有良好的水化活性。通过废弃混凝土再利用制备再生胶凝材料，不仅使废弃物得到了合理处置，避免了对环境的污染，同时可变废为宝，制得性能优异的再生建筑材料，意义巨大。

与此同时，随着汽车尾气排放量的大幅上升，以及工厂化石燃料的大量燃烧，空气中的CO₂含量正在逐年提高，因而导致温室效应等全球化问题。水泥的生产过程中亦会产生大量的CO₂气体，生产1t水泥，平均会产生将近1t的CO₂气体^[4]，这些气体的随意排放亦会加重温室效应。因此，控制CO₂的排放量刻不容缓。事实上，非水硬性硅酸盐矿物可在H₂O存在的情况下与高浓度CO₂发生快速碳化反应，生成CaCO₃等产物而具备胶凝能力。除去此方法及种植大量绿色植物外，国内外专家学者试图运用碳化技术将CO₂永久固化存储于某些天然矿物或固体废弃物中。因此，将废弃混凝土处理过程中产生的水泥石粉末经煅烧后得到再生胶凝材料，而后对其进行碳化养护，对于固化CO₂气体，减少碳排放具有正效益。因此，从上述两个角度出发，探究再生胶凝材料的碳化性能不仅能够降低空气中CO₂的浓度，缓解温室效应，减轻生态环境的负担，也能够有望变废为宝，获得一种新型的性能优良的建筑材料。