【技术】新科技：废弃口罩增加混凝土强度

自新冠疫情爆发以来，一次性口罩已经成为一种新的垃圾，而且数量庞大。不过，它们实际上可能是有用途的，因为最近的研究表明， 当它们被添加到混凝土中时可以增加混凝土的强度。

以前的研究表明，混凝土在浇筑前掺入微小的增强纤维，就不太容易出现裂缝。考虑到这一事实，美国华盛顿州立大学（Washington State University）的科学家们就想知道：废弃口罩中的聚丙烯或聚酯纤维是否可能是这些纤维的来源。

为了找到答案，研究人员首先从一次性外科口罩上取下金属鼻桥和棉质耳环，然后将剩余的纤维撕成5 - 30毫米长的纤维。

接下来，用氧化石墨烯溶液处理纤维。它会在这些纤维上面形成一层涂层，增加额外的表面积，帮助它们与常用的波特兰水泥浆（硅酸盐水泥）结合。然后，它们会被添加到水泥中，作为混凝土的粘合剂，体积占比0.1%。

测试结果显示，当纤维增强的水泥固化一个月后， 它比未经处理的波特兰水泥 （硅酸盐水泥） 的劈裂抗拉强度高出47%。 首席科学家Xianming Shi说道：“这项工作展示了一种将废弃口罩从废物中转移到高价值应用的技术。”

上述研究成果已于近期发表在了《材料快报》（Materials Letters）杂志上。去年，澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）进行的一项研究同样表明，口罩纤维有助于加强沥青和底层道路材料。

附：工程人必知的混凝土组分知识

在混凝土中， 砂、石 起骨架作用，称为骨料或集料； 水泥与水 形成水泥浆，包裹在骨料的表面并填充其空隙。在混凝土硬化前，水泥浆、外加剂与掺合料起润滑作用，赋予拌合物一定的流动性，便于施工操作。水泥浆硬化后，则将砂、石骨料胶结成一个结实的整体。砂、石一般不参与水泥与水的化学反应，其主要作用是节约水泥、承担荷载和限制硬化水泥的收缩。 外加剂、掺合料 除了起改善混凝土性能的作用外，还有节约水泥的作用。

水泥的材质选用及标号的选用影响混凝土强度及混凝土凝固水化热等，相关成品质量对混凝土的成品质量起主要作用。

水的PH值、水质、硫酸盐等含量影响混凝土强度及混凝土质量。

石子的强度及材质影响混凝土强度及混凝土成品质量。

砂子的含泥量、砂子本体材质、砂的有害物质含量不同程度地影响混凝土的强度及凝固时间。

不同掺合料影响混凝土的和易性、强度曲线、混凝土成品观感等因素。

外加剂的种类及添加量影响混凝土的凝固时间、强度、混凝土物理性能等因素。

配制普通混凝土的水泥，可采用六大常用水泥（见下表），必要时也可采用快硬硅酸盐水泥或其他品种水泥。

水泥品种的选用应根据混凝土工程特点、所处环境条件及设计施工的要求进行，常用水泥品种的选择可参照下表。

水泥强度等级的选择，应与混凝土的设计强度等级相适应。一般以水泥强度等级为混凝土强度等级的1.5～2.0倍为宜，对于高强度等级混凝土可取0.9～1.5倍。用低强度等级水泥配制高强度等级混凝土时，会使水泥用量过大，不经济，而且还会影响混凝土的其他技术性质。用高强度等级水泥配制低强度等级混凝土时，会使水泥用量偏少，影响和易性及密实度，导致该混凝土耐久性差，故必须这么做时应掺人一定数量的混合材料。

粒径在4.75mm以下的骨料称为细骨料，在普通混凝土中指的是砂。砂可分为天然砂和人工砂两类。天然砂包括河砂、湖砂、山砂和淡化海砂（氯离子含量不大于0.06%）；人工砂是经除土处理的机制砂、混合砂的统称。因河砂干净，又符合有关标准的要求，所以在配制混凝土时最常用。混凝土用细骨料的技术要求有以下几方面：

1.颗粒级配及粗细程度

砂的颗粒级配是指砂中大小不同的颗粒相互搭配的比例情况，大小颗粒搭配得好时砂粒之间的空隙最少。砂的粗细程度是指不同粒径的砂粒混合在一起后总体的粗细程度，通常有粗砂、中砂与细砂之分。在相同质量条件下，细砂的总表面积较大，而粗砂的总表面积较小。在混凝土中，砂子的表面需要由水泥浆包裹，砂粒之间的空隙需要由水泥浆填充，为达到节约水泥和提高强度的目的，应尽量减少砂的总表面积和砂粒间的空隙，即选用级配良好的粗砂或中砂比较好。

砂的颗粒级配和粗细程度，常用筛分析的方法进行测定。根据0.63mm筛孔的累计筛余量，将砂分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个级配区。用所处的级配区来表示砂的颗粒级配状况，用细度模数表示砂的粗细程度。细度模数愈大，表示砂愈粗，按细度模数砂可分为粗、中、细三级。

在选择混凝土用砂时，砂的颗粒级配和粗细程度应同时考虑。配制混凝土时宜优先选用Ⅱ区砂。当采用Ⅰ区砂时，应提高砂率，并保持足够的水泥用量，以满足混凝土的和易性要求；当采用Ⅲ区砂时，宜适当降低砂率，以保证混凝土的强度。对于泵送混凝土，宜选用中砂，且砂中小于0.315mm的颗粒应不少于15%。

2.有害杂质和碱活性

混凝土用砂要求洁净、有害杂质少。砂中所含有的泥块、淤泥、云母、有机物、硫化物、硫酸盐等，都会对混凝土的性能有不利的影响，属有害杂质，需要控制其含量不超过有关规范的规定。重要工程混凝土所使用的砂，还应进行碱活性检验，以确定其适用性。

3.坚固性

砂的坚固性是指砂在气候、环境变化或其他物理因素作用下抵抗破裂的能力。砂的坚固性用硫酸钠溶液检验，试样经5次循环后其质量损失应符合有关标准的规定。

粒径大于5mm的骨料称为粗骨料。普通混凝土常用的粗骨料有碎石和卵石。由天然岩石或卵石经破碎、筛分而得的粗骨料，称为碎石或碎卵石。岩石由于自然条件作用而形成的粗骨料，称为卵石。混凝土用粗骨料的技术要求有以下几方面：

1.颗粒级配及最大粒径

普通混凝土用碎石或卵石的颗粒级配情况有连续粒级和单粒级两种。其中，单粒级的骨料一般用于组合成具有要求级配的连续粒级，它也可与连续粒级的碎石或卵石混合使用，以改善其级配。如资源受限必须使用单粒级骨料时，则应采取措施避免混凝土发生离析。

粗骨料中公称粒级的上限称为最大粒径。当骨料粒径增大时，其比表面积减小，混凝土的水泥用量也减少，故在满足技术要求的前提下，粗骨料的最大粒径应尽量选大一些。在钢筋混凝土结构工程中，粗骨料的最大粒径不得超过结构截面最小尺寸的1/4，同时不得大于钢筋间最小净距的3/4。对于混凝土实心板，可允许采用最大粒径达1/3板厚的骨料，但最大粒径不得超过40mm。对于采用泵送的混凝土，碎石的最大粒径应不大于输送管径的1/3，卵石的最大粒径应不大于输送管径的1/2.5。

2.强度和坚固性

碎石或卵石的强度可用岩石抗压强度和压碎指标两种方法表示。当混凝土强度等级为C60及以上时，应进行岩石抗压强度检验。用于制作粗骨料的岩石的抗压强度与混凝土强度等级之比不应小于1.50对经常性的生产质量控制则可用压碎指标值来检验。

有抗冻要求的混凝土所用粗骨料，要求测定其坚固性。即用硫酸钠溶液检验，试样经5次循环后其质量损失应符合有关标准的规定。

3.有害杂质和针、片状颗粒

粗骨料中所含的泥块、淤泥、细屑、硫酸盐、硫化物和有机物等是有害物质，其含量应符合有关标准的规定。另外，粗骨料中严禁混入煅烧过的白云石或石灰石块。

重要工程混凝土所使用的碎石或卵石，还应进行碱活性检验，以确定其适用性。

粗骨料中针、片状颗粒过多，会使混凝土的和易性变差，强度降低，故粗骨料中的针、片状颗粒含量应符合有关标准的规定。

混凝土拌合及养护用水的水质应符合《混凝土用水标准》JGJ63—2006的有关规定。对于设计使用年限为100年的结构混凝土，氯离子含量不得超过500mg/L；对使用钢丝或经热处理钢筋的预应力混凝土，氯离子含量不得超过350mg/L。地表水、地下水、再生水的放射性应符合现行国家标准《生活饮用水卫生标准》GB5749—2006的规定。

混凝土拌合用水的水质检验项目包括pH值、不溶物、可溶物、C1-、SO?2-、碱含量（采用碱活性骨料时检验）。被检验水样还应与饮用水样进行水泥凝结时间和水泥胶砂强度对比试验。此外，混凝土拌合用水不应漂浮明显的油脂和泡沫，不应有明显的颜色和异味；混凝土企业设备洗刷水不宜用于预应力混凝土、装饰混凝土、加气混凝土和暴露于腐蚀环境的混凝土，不得用于使用碱活性或潜在碱活性骨料的混凝土。未经处理的海水严禁用于钢筋混凝土和预应力混凝土。在无法获得水源的情况下，海水可用于素混凝土，但不宜用于装饰混凝土。

混凝土养护用水的水质检验项目包括pH值、C1-、SO?2- 、碱含量（采用碱活性骨料时检验），可不检验不溶物和可溶物、水泥凝结时间和水泥胶砂强度。

外加剂是在混凝土拌合前或拌合时掺人，掺量一般不大于水泥质量的5%（特殊情况除外），并能按要求改善混凝土性能的物质。各种混凝土外加剂的应用改善了新拌合硬化混凝土的性能，促进了混凝土新技术的发展，促进了工业副产品在胶凝材料系统中更多的应用，还有助于节约资源和环境保护，已经逐步成为优质混凝土必不可少的材料。

混凝土外加剂的质量应符合现行的《混凝土外加剂》GB8076—2008、《混凝土外加剂应用技术规范》GB50119—2013、《混凝土外加剂中释放氨的限量》GB18588—2001的有关规定。各类具有室内使用功能的混凝土外加剂中释放的氨量必须不大于0.10%（质量分数）。

根据《混凝土外加剂》GB8076—2008，混凝土外加剂的技术要求包括受检混凝土性能指标和匀质性指标。受检混凝土性能指标具体包括减水率、泌水率比、含气量、凝结时间之差、1h经时变化量这些推荐性指标和抗压强度比、收缩率比、相对耐久性（200次）这些强制性指标。匀质性指标具体包括氯离子含量、总碱量、含固量、含水率、密度、细度、pH值和硫酸钠含量。

《混凝土膨胀剂》GB23439—2009规定，混凝土膨胀剂的技术要求包括化学成分和物理性能。其中，化学成分包括氧化镁和碱含量两项指标，氧化镁含量应不大于5%，碱含量属选择性指标；物理性能指标包括细度、凝结时间、限制膨胀率和抗压强度，限制膨胀率为强制性指标。

为改善混凝土性能、节约水泥、调节混凝土强度等级，在混凝土拌合时加入的天然的或人工的矿物材料，统称为混凝土掺合料。混凝土掺合料分为活性矿物掺合料和非活性矿物掺合料。非活性矿物掺合料基本不与水泥组分起反应，如磨细石英砂、石灰石、硬矿渣等材料。活性矿物掺合料本身不硬化或硬化速度很慢，但能与水泥水化生成的Ca(OH)?起反应，生成具有胶凝能力的水化产物，如粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、硅灰、沸石粉等。

粉煤灰来源广泛，是当前用量最大、使用范围最广的混凝土掺合料。根据《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T1596—2005，拌制混凝土和砂浆用粉煤灰的技术要求包括细度、需水量比、烧失量、含水量、三氧化硫、游离氧化钙、安定性、放射性、碱含量和均匀性。按细度、需水量比和烧失量，拌制混凝土和砂浆用粉煤灰可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个等级，其中Ⅰ级品质最好。

重要的混凝土工程及大体积工程常常掺入较多的矿物掺合料，这时应根据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011进行混凝土配合比设计。