國外最新研究：廢棄口罩加入混凝土增加強(qiáng)度

自新冠疫情爆發(fā)以來，一次性口罩已經(jīng)成為一種新的垃圾，而且數(shù)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(dāng)它們被添加到混凝土中時可以增加混凝土的強(qiáng)度。

以前的研究表明，混凝土在澆筑前摻入微小的增強(qiáng)纖維，就不太容易出現(xiàn)裂縫。考慮到這一事實，美國華盛頓州立大學(xué)（Washington State University）的科學(xué)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(zhì)耳環(huán)，然后將剩余的纖維撕成5 - 30毫米長的纖維。

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(jié)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(jié)果顯示，當(dāng)纖維增強(qiáng)的水泥固化一個月后，它比未經(jīng)處理的波特蘭水泥（硅酸鹽水泥）的劈裂抗拉強(qiáng)度高出47%。首席科學(xué)家Xianming Shi說道：“這項工作展示了一種將廢棄口罩從廢物中轉(zhuǎn)移到高價值應(yīng)用的技術(shù)?！?/span>

上述研究成果已于近期發(fā)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(xué)（RMIT）進(jìn)行的一項研究同樣表明，口罩纖維有助于加強(qiáng)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(xì)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）。

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(jié)成一個結(jié)實的整體。砂、石一般不參與水泥與水的化學(xué)反應(yīng)，其主要作用是節(jié)約水泥、承擔(dān)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(jié)約水泥的作用。

六大組分對混凝土質(zhì)量的影響因素

1

水泥

水泥的材質(zhì)選用及標(biāo)號的選用影響混凝土強(qiáng)度及混凝土凝固水化熱等，相關(guān)成品質(zhì)量對混凝土的成品質(zhì)量起主要作用。

2

水

水的PH值、水質(zhì)、硫酸鹽等含量影響混凝土強(qiáng)度及混凝土質(zhì)量。

3

粗骨料（主要為石子）

石子的強(qiáng)度及材質(zhì)影響混凝土強(qiáng)度及混凝土成品質(zhì)量。

4

細(xì)骨料（主要為砂子）

砂子的含泥量、砂子本體材質(zhì)、砂的有害物質(zhì)含量不同程度地影響混凝土的強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度、混凝土物理性能等因素。

六大組分的技術(shù)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。

水泥品種的選用應(yīng)根據(jù)混凝土工程特點、所處環(huán)境條件及設(shè)計施工的要求進(jìn)行，常用水泥品種的選擇可參照下表。

水泥強(qiáng)度等級的選擇，應(yīng)與混凝土的設(shè)計強(qiáng)度等級相適應(yīng)。一般以水泥強(qiáng)度等級為混凝土強(qiáng)度等級的1.5～2.0倍為宜，對于高強(qiáng)度等級混凝土可取0.9～1.5倍。用低強(qiáng)度等級水泥配制高強(qiáng)度等級混凝土?xí)r，會使水泥用量過大，不經(jīng)濟(jì)，而且還會影響混凝土的其他技術(shù)性質(zhì)。用高強(qiáng)度等級水泥配制低強(qiáng)度等級混凝土?xí)r，會使水泥用量偏少，影響和易性及密實度，導(dǎo)致該混凝土耐久性差，故必須這么做時應(yīng)摻人一定數(shù)量的混合材料。

2

細(xì)骨料

粒徑在4.75mm以下的骨料稱為細(xì)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(jīng)除土處理的機(jī)制砂、混合砂的統(tǒng)稱。因河砂干凈，又符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，所以在配制混凝土?xí)r最常用?；炷劣眉?xì)骨料的技術(shù)要求有以下幾方面：

1.顆粒級配及粗細(xì)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(xì)程度是指不同粒徑的砂粒混合在一起后總體的粗細(xì)程度，通常有粗砂、中砂與細(xì)砂之分。在相同質(zhì)量條件下，細(xì)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(dá)到節(jié)約水泥和提高強(qiáng)度的目的，應(yīng)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(xì)程度，常用篩分析的方法進(jìn)行測定。根據(jù)0.63mm篩孔的累計篩余量，將砂分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個級配區(qū)。用所處的級配區(qū)來表示砂的顆粒級配狀況，用細(xì)度模數(shù)表示砂的粗細(xì)程度。細(xì)度模數(shù)愈大，表示砂愈粗，按細(xì)度模數(shù)砂可分為粗、中、細(xì)三級。

在選擇混凝土用砂時，砂的顆粒級配和粗細(xì)程度應(yīng)同時考慮。配制混凝土?xí)r宜優(yōu)先選用Ⅱ區(qū)砂。當(dāng)采用Ⅰ區(qū)砂時，應(yīng)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(dāng)采用Ⅲ區(qū)砂時，宜適當(dāng)降低砂率，以保證混凝土的強(qiáng)度。對于泵送混凝土，宜選用中砂，且砂中小于0.315mm的顆粒應(yīng)不少于15%。

2.有害雜質(zhì)和堿活性

混凝土用砂要求潔凈、有害雜質(zhì)少。砂中所含有的泥塊、淤泥、云母、有機(jī)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(zhì)，需要控制其含量不超過有關(guān)規(guī)范的規(guī)定。重要工程混凝土所使用的砂，還應(yīng)進(jìn)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(huán)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(jīng)5次循環(huán)后其質(zhì)量損失應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)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(jīng)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(shù)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(xù)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(xù)粒級，它也可與連續(xù)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(yīng)采取措施避免混凝土發(fā)生離析。

粗骨料中公稱粒級的上限稱為最大粒徑。當(dāng)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(shù)要求的前提下，粗骨料的最大粒徑應(yīng)盡量選大一些。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程中，粗骨料的最大粒徑不得超過結(jié)構(gòu)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(dá)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(yīng)不大于輸送管徑的1/3，卵石的最大粒徑應(yīng)不大于輸送管徑的1/2.5。

2.強(qiáng)度和堅固性

碎石或卵石的強(qiáng)度可用巖石抗壓強(qiáng)度和壓碎指標(biāo)兩種方法表示。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C60及以上時，應(yīng)進(jìn)行巖石抗壓強(qiáng)度檢驗。用于制作粗骨料的巖石的抗壓強(qiáng)度與混凝土強(qiáng)度等級之比不應(yīng)小于1.50對經(jīng)常性的生產(chǎn)質(zhì)量控制則可用壓碎指標(biāo)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(jīng)5次循環(huán)后其質(zhì)量損失應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

3.有害雜質(zhì)和針、片狀顆粒

粗骨料中所含的泥塊、淤泥、細(xì)屑、硫酸鹽、硫化物和有機(jī)物等是有害物質(zhì)，其含量應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。另外，粗骨料中嚴(yán)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(yīng)進(jìn)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(qiáng)度降低，故粗骨料中的針、片狀顆粒含量應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

4

水

混凝土拌合及養(yǎng)護(hù)用水的水質(zhì)應(yīng)符合《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》JGJ63—2006的有關(guān)規(guī)定。對于設(shè)計使用年限為100年的結(jié)構(gòu)混凝土，氯離子含量不得超過500mg/L；對使用鋼絲或經(jīng)熱處理鋼筋的預(yù)應(yīng)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(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB5749—2006的規(guī)定。

混凝土拌合用水的水質(zhì)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(yīng)與飲用水樣進(jìn)行水泥凝結(jié)時間和水泥膠砂強(qiáng)度對比試驗。此外，混凝土拌合用水不應(yīng)漂浮明顯的油脂和泡沫，不應(yīng)有明顯的顏色和異味；混凝土企業(yè)設(shè)備洗刷水不宜用于預(yù)應(yīng)力混凝土、裝飾混凝土、加氣混凝土和暴露于腐蝕環(huán)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(jīng)處理的海水嚴(yán)禁用于鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)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(yǎng)護(hù)用水的水質(zhì)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(jié)時間和水泥膠砂強(qiáng)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(zhì)量的5%（特殊情況除外），并能按要求改善混凝土性能的物質(zhì)。各種混凝土外加劑的應(yīng)用改善了新拌合硬化混凝土的性能，促進(jìn)了混凝土新技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了工業(yè)副產(chǎn)品在膠凝材料系統(tǒng)中更多的應(yīng)用，還有助于節(jié)約資源和環(huán)境保護(hù)，已經(jīng)逐步成為優(yōu)質(zhì)混凝土必不可少的材料。

混凝土外加劑的質(zhì)量應(yīng)符合現(xiàn)行的《混凝土外加劑》GB8076—2008、《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》GB50119—2013、《混凝土外加劑中釋放氨的限量》GB18588—2001的有關(guān)規(guī)定。各類具有室內(nèi)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(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

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

《混凝土膨脹劑》GB23439—2009規(guī)定，混凝土膨脹劑的技術(shù)要求包括化學(xué)成分和物理性能。其中，化學(xué)成分包括氧化鎂和堿含量兩項指標(biāo)，氧化鎂含量應(yīng)不大于5%，堿含量屬選擇性指標(biāo)；物理性能指標(biāo)包括細(xì)度、凝結(jié)時間、限制膨脹率和抗壓強(qiáng)度，限制膨脹率為強(qiáng)制性指標(biāo)。

6

礦物摻合料

為改善混凝土性能、節(jié)約水泥、調(diào)節(jié)混凝土強(qiáng)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(tǒng)稱為混凝土摻合料?；炷翐胶狭戏譃榛钚缘V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(yīng)，如磨細(xì)石英砂、石灰石、硬礦渣等材料?；钚缘V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(yīng)，生成具有膠凝能力的水化產(chǎn)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(dāng)前用量最大、使用范圍最廣的混凝土摻合料。根據(jù)《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(shù)要求包括細(xì)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(xì)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(zhì)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(yīng)根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》JGJ55-2011進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計。