一种新的、零水泥的解决方案能阻止混凝土下水管道故障吗?

混凝土下水道管道经常失败,只需10至20年。零水泥混凝土提供强大,耐用,环保且经济高效的选择
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1842年,纽约的莫霍克市安装了第一个混凝土卫浴下水道在美国。从那以后,混凝土污水管道成为了卫生系统的支柱,在世界各地使用了数十万英里。

虽然Mohawk管子在以上以多世纪以来报道,但这是一个例外。具体的污水管经常失灵只需10到20年,导致维修需要撕毁地面,转移交通和扰乱社区。年度维修和更换成本约为250亿美元在美国和英国5000万英镑。

导致失败的罪魁祸首是污水管道中的酸性环境。“污水管道中的微生物会产生硫化氢气体,”皇家墨尔本理工学院土木工程博士后Rajeev Roychand说。这种酸性气体与水分结合形成硫酸,硫酸会从混凝土中滤出石灰,腐蚀污水管道。

在氧化硫氧化细菌存在下形成的硫酸与石灰反应,导致腐蚀和结构厚度降低。

这对普通波特兰水泥(OPC)浸出的石灰也有助于形成堵塞下水道的Fatbergs。Fatbergs凝结的脂肪,油脂和润滑脂(雾),与湿湿巾一样的冲洗材料结合,粘在管道内部。和胖子们名副其实:2017年从伦敦的Whitechapel删除了130吨,拉伸800英尺。

有一个更关键的问题。这水泥和混凝土工业约占温室气体总量的5%。因此,制造商正在寻找改变水泥组成的方法,使其更节能。

最近的研究由Roychand和同事们解决了这三个问题。结果:满足的零水泥混凝土(ZCC)ASTM强度要求对于混凝土污水管,提供防腐蚀性,为传统混凝土提供环保选择。

寻找OPC替代品

混凝土强度的关键是硅酸钙水合物凝胶。“正常水泥水化反应强化并凝固混凝土,但也产生一些残留的石灰,”Roychand说。石灰通常保持在混凝土中,形成碱性涂层,保护用于加强混凝土的钢免受腐蚀。但是当酸去除石灰时,混凝土管叮叮当当和削弱。

加入无定形二氧化硅,就像渣一样,不仅消耗了多余的石灰,还产生了额外的凝胶。“这增加了混凝土的强度,同时完全消除了碱度,”Roychand解释说。

Roychand和他的同事们采取了一种逐步的方法,用其他成分的混合物替代混凝土中70%-100%的OPC。研究人员的目标是减少或完全消除游离石灰的含量。

该研究分为两部分,首先考察原材料的性能,然后评估混凝土的抗压强度和在腐蚀性酸性环境下的性能。

成功的原材料

使水泥更加环保是一个首要任务。其他方法包括使用替代燃料,并将水泥混合或用工业副产物替换常规聚集体。事实上,生产的混合水泥的比例有所增加近年来,建筑业越来越意识到温室气体的影响。

从早期的研究中,Roychand和他的同事们落在了几种材料上进行了调查。前三个都与石灰反应,形成额外的硅酸钙水合物凝胶:

  • 粉煤灰- 煤燃烧的二氧化硅副产品
  • - 一种玻璃样副产物,钢冶炼用作混凝土中的骨料
  • 纳米二氧化硅-一种特别活泼的二氧化硅,因为它的颗粒尺寸小
  • 氢氧化钙- 酸橙的外部源,确保反应继续

研究人员使用x射线和热分析来建立试验水泥复合材料的物理、化学和力学性能,并用扫描电子显微镜来评估混凝土的微观结构。Roychand说:“结合分析,我们可以清楚地了解反应和形成的产物,以及它们是如何提高强度的。”

更坚固且持久的混凝土

研究小组对压缩强度的测试证实,ZCC的机械性能满足了ASTM的要求。接下来是酸攻击耐用性的测试,以评估腐蚀性能。

以前的研究进入了污水环境中的酸度发现pH值在管道底部的7.2(像自来水一样)和顶部的2.9(像葡萄柚汁一样)之间变化。但腐蚀是多年后缓慢发生的。

Roychand和他的团队使用了更加酸化的pH值,以加速该过程。“如果我们在污水管中存在的酸度消失,那么它就会让我大约有一个实验做一个实验,”Roychand说。

让混凝土腐蚀两个月后,研究人员确定ZCC降低了96%的腐蚀。混凝土中石灰含量越高,在酸性环境下,混凝土的劣化速度越快。

如上图所示(从左到右):常规水泥混凝土在酸性溶液中56天后,显示出由酸与石灰的反应产生的松散物质和泡沫形成;清洁和干燥后的相同样品;在酸溶液中56天后和ZCC。

一个坚实的未来

为了使ZCC更具营销性,研究人员将纳米菌从混合物中除去。“用更具成本效益的材料取代纳米硅,混凝土对混凝土行业变得更加有意思,”罗伊克斯说。

事实上,ZCC克服了使用传统混凝土产生的所有三个主要问题。罗伊昌德说:“你可以获得类似的优势,既经济又能减少环境排放。”

向前迈进,研究团队计划检查主要基础设施投资的其他领域,如海洋环境,材料也容易腐蚀。

*零水泥复合材料的开发,用于保护混凝土污水管腐蚀和遗传“发表在 资源,保护与回收 (DOI: 10.1016/j.resconrec.2020.105166)

这座古老和不寻常的建筑材料正在尝试复出。