工業(yè)固體廢料在混凝土中的應(yīng)用

賀愛平，熊云先

(1.中南冶金地質(zhì)研究所，湖北宜昌 443000;2.湖北宜通建設(shè)工程有限責(zé)任公司，湖北宜昌 443000)

0 引言

當(dāng)今人類社會生產(chǎn)生活對各種材料的巨大需求造成資源短缺、生態(tài)惡化，為此，國際社會及中國政府把發(fā)展綠色材料作為可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。所謂綠色材料是指“在原材料采用、產(chǎn)品制造、使用或者再生循環(huán)以及廢料處理等環(huán)節(jié)中，對地球負(fù)荷最小和最有利于人類健康的材料”[1]。混凝土是當(dāng)代最大的人造工程材料，生產(chǎn)硅酸鹽水泥消耗大量自然資源和能源，是工業(yè)“三廢”污染的主要源頭之一。把工業(yè)固體廢料應(yīng)用到混凝土中，替代部分水泥膠凝材料或作為特種骨料，或盡可能地減少拌制混凝土?xí)r對其它自然資源與工業(yè)材料的使用量，是生產(chǎn)環(huán)境友好型綠色混凝土的有效途徑。

綠色混凝土可充分利用工業(yè)固體廢料和其它二次資源，最大限度地減少高能耗、高污染的水泥用量。工業(yè)固體廢料種類很多、排放量巨大，中國堆放經(jīng)年的工業(yè)固體廢料多達(dá)數(shù)十億噸，每年還以驚人的數(shù)量在遞增。堆存工業(yè)固體廢料需要占用大量土地、破壞植被、污染土壤水體與空氣，管理與運(yùn)營成本高，并成為次生地質(zhì)災(zāi)害和火災(zāi)的安全隱患;同時工業(yè)固體廢料中尚有大量可用成分，作為廢料丟棄造成了資源浪費(fèi)。因此，綜合利用工業(yè)固體廢料，將其應(yīng)用到拌制混凝土中，化害為利，化廢為用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和社會意義。

1 工業(yè)固體廢料在混凝土中的應(yīng)用狀況

目前，應(yīng)用到混凝土中的工業(yè)固體廢料大致有以下幾類:①作混凝土骨料。如礦山開采的廢石、選礦預(yù)拋尾的粗粒尾礦、老舊建筑及其它混凝土工程拆除產(chǎn)生的廢棄混凝土渣等，經(jīng)破碎、篩分分級后作骨料二次使用;選礦尾礦砂經(jīng)篩分脫除細(xì)泥后作混凝土細(xì)骨料二次利用。②作為活性礦物摻合料(亦稱礦物減水劑)。燃煤電廠粉煤灰、鋼鐵冶煉爐渣、生產(chǎn)黃磷的?；姞t磷渣、偏高嶺土渣、硅灰、硅藻土、沸石粉、燒煤矸石、鋰渣、錳渣、銅渣、城市垃圾焚燒灰、下水道污泥、低溫稻殼灰、工業(yè)赤泥、鍋爐煤渣、凝灰?guī)r、浮石粉等，這些工業(yè)固體廢棄物都含有大量無定形SiO2和Al2O3，或活性較高的CaO，加入到水泥混凝土拌合物中后，參與水泥水化反應(yīng)并生成堅硬的水泥石，從而減少混凝土中硅酸鹽水泥用量;同時，這些工業(yè)固體廢料在水泥混凝土硬化過程中，可以起到增加塑性、削減水泥水化熱峰值、提高混凝土密實度和耐久性的作用。③作為特種混凝土材料，如用廢棄的橡膠輪胎作為骨料之一，配制具有隔聲、隔熱、減震和抗裂的混凝土;用各類廢棄塑料纖維、聚脂纖維和鋼纖維等配制抗裂抗折混凝土;用浮石粉、凝灰?guī)r粉、粉煤灰陶粒、煤矸石粉、礦渣配制的輕質(zhì)混凝土[2]。

1.1 工業(yè)固體廢料作混凝土骨料

礦山開采時，都會產(chǎn)生大量采礦廢渣與選礦尾礦。采礦廢渣及選礦預(yù)拋尾產(chǎn)生的大塊尾礦，經(jīng)破碎、篩分處理后可生產(chǎn)各種規(guī)格的混凝土骨料;選礦尾礦篩分分級后，粗粒級可作混凝土細(xì)骨料，細(xì)泥則用于生產(chǎn)免燒尾礦磚、砌塊、廣場磚、鋪路磚、新型墻體材料等。上述礦山廢渣綜合利用后，可在一定程度上解決廢渣堆存占地及運(yùn)營管理費(fèi)用等問題，并可為礦山帶來新的利潤增長點(diǎn)。

中國建筑用骨料來自兩方面:一是開山炸石，二是河道采砂采石。開山炸石在消耗自然資源的同時，破壞山體穩(wěn)定性，毀壞森林植被，流失富有機(jī)質(zhì)土壤，造成自然地表千瘡百孔，長時間內(nèi)難于恢復(fù)生機(jī)。河道采砂采石極易造成河流改道、河床床面起伏不定，嚴(yán)重威脅航運(yùn)安全，也極易造成崩堤崩岸影響防洪安全。大力推行使用礦山廢渣和尾礦作混凝土建筑骨料，可有效地緩解上述矛盾，是發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的明智之舉。武鋼(集團(tuán))公司程潮鐵礦選礦廠，預(yù)選拋尾可產(chǎn)生占原礦總量30%左右、粒度在20～200 mm、以中等強(qiáng)度的碳酸鹽類巖石為主的尾礦，該尾礦及礦山采礦廢渣經(jīng)破碎、分級后作為建筑骨料出售，避免了大量廢石堆放占用土地，提供了近百個工作崗位和數(shù)十臺汽車的運(yùn)輸業(yè)務(wù)，產(chǎn)品具有很好的市場需求[3]。

中國是玻璃生產(chǎn)與消費(fèi)大國，每年產(chǎn)生的廢棄玻璃在數(shù)百萬噸以上，除部分回收利用外，大部分被作為垃圾丟棄。玻璃硬度較天然砂高、易碎、不吸水、耐腐蝕，廢棄玻璃破碎后作混凝土細(xì)骨料使用。摻一定數(shù)量的玻璃細(xì)骨料，可以有效地改善新拌混凝土或砂漿的和易性，提高了二者的工作性能。用一部分廢棄玻璃作細(xì)骨料配制的高流動性混凝土，可用于鋼筋密集構(gòu)件或施工作業(yè)空間狹小的自流平混凝土施工，可相應(yīng)地減少價格高昂的減水劑用量。

另外，隨著中國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，老舊水泥混凝土工程需要拆除重建，且拆除量較大。在拆除的混凝土中，約有一半可回收作為粗骨料再用，以減少環(huán)境垃圾，變廢為用。

1.2 工業(yè)固體廢料作混凝土礦物摻合料

粒化高爐礦渣、?；姞t磷渣、鐵礦深度還原焙燒—磁選尾礦等工業(yè)廢料中會有大量活性SiO2、Al2O3玻璃體及CaO，作為礦物摻合料替代部分水泥，加入到混凝土或砂漿中進(jìn)行拌合后，在堿土金屬鹽CaSO4、CaO的作用下，其潛在的水硬性被激發(fā)出來，產(chǎn)生緩慢的水化作用;若采用Na2SO4、Na2CO3、NaOH等堿金屬鹽作激發(fā)劑，則產(chǎn)生強(qiáng)烈的水化作用;同時，工業(yè)廢料中游離的SiO2還可以和水泥水化產(chǎn)物—游離CaO及高堿度的水化硅酸鈣產(chǎn)生二次反應(yīng)，生成強(qiáng)度更高、穩(wěn)定性與耐久性更好的低堿度水化硅酸鈣水泥石[4]。由于上述工業(yè)廢料在一定條件下具有與硅酸鹽水泥同樣的膠凝性能，從而可以相應(yīng)減少拌制水泥混凝土或砂漿的水泥用量，其替代率最高可達(dá)60%。日本等發(fā)達(dá)國家早在上世紀(jì)60年代即將鋼鐵工業(yè)的廢料—高爐礦渣用于替代部分水泥來拌制混凝土，中國寶鋼于上世紀(jì)90年代開始高爐礦渣用于混凝土工程中的試驗，取得很好效果后，遂在全國各大煉鋼企業(yè)推廣，各煉鋼企業(yè)的廢渣成了具有商業(yè)價值的搶手材料。高爐礦渣經(jīng)水淬、細(xì)磨后替代部分水泥，降低了成本，提高了混凝土性能，同時也使煉鋼企業(yè)大大減少了堆積廢渣的占地，并產(chǎn)生新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，其經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益和社會效益十分巨大。

粉煤灰、硅灰、燒煤矸石、城市垃圾焚燒灰、低溫稻殼灰、鍋爐煤渣、偏高嶺土、硅藻土、沸石粉、凝灰?guī)r粉、浮石粉、錳渣、鋰渣、銅渣、下水道污泥等工業(yè)廢料中含有大量活性的SiO2和Al2O3，與水泥一起拌制混凝土、砂漿時，與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)，產(chǎn)生具有與水泥水化產(chǎn)物同樣抗壓性能、抗折性能的水化硅酸鈣和水化硅鋁酸鈣，因此，加入上述工業(yè)廢料到水泥混凝土和砂漿中，可以節(jié)省15% ～40%的水泥。目前，電廠粉煤灰、硅灰等綜合利用率很高，中國南方地區(qū)幾乎供不應(yīng)求。但上述其它工業(yè)固體廢料的綜合利用率尚不理想。

1.3 工業(yè)赤泥廢料作礦物摻合料激發(fā)劑

無論采用何種工藝處理鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁，都會產(chǎn)生大量尾渣，俗稱赤泥或紅泥。中國目前尚未有效處理和綜合利用這一廢棄物，大量赤泥露天堆存或排向江、河、溝、溪，隨著塵埃飛揚(yáng)和其中堿液滲透，對周邊空氣、水體和土壤造成極大污染。赤泥通常呈高鈣高堿性，其pH值達(dá)到11以上，將高堿性赤泥與粉煤灰、硅灰、燒煤矸石粉等等工業(yè)廢料進(jìn)行混配后，作為活性礦物摻合料加入到水泥混凝土中，可以有效激發(fā)其它工業(yè)廢料的反應(yīng)活性，加快早期水化速度，提高混凝土各齡期強(qiáng)度和密實性[5]。

1.4 利用工業(yè)固體廢料制作特種混凝土

隨著中國成為世界汽車第一生產(chǎn)、銷售大國，每年都會產(chǎn)生大量廢舊輪胎，并呈逐年增多趨勢。據(jù)不完全統(tǒng)計，中國每年產(chǎn)生的廢舊輪胎在3億條以上，除部分回收利用外，堆積的廢棄輪胎總數(shù)在5億條左右。廢棄輪胎堆積極易滋生蚊蟲、引發(fā)傳染疾病、造成火災(zāi)，也占用了大量土地。可將廢棄輪胎中的橡膠加工成片、塊、?；蚍郏〈糠旨?xì)骨料制成混凝土?；谙鹉z材料的特性，混凝土在承受荷載達(dá)到峰值后還能繼續(xù)工作而不受破壞，因此具有良好的韌性;加入橡膠粉(粒)的混凝土材料吸收能量的能力增強(qiáng)，從而表現(xiàn)出良好的抗沖擊性;橡膠骨料還能使混凝土動彈性模量和固有頻率降低，使聲波在混凝土中的傳播速度減慢，提高了隔聲性能;橡膠材料的導(dǎo)熱系數(shù)為普通混凝土的5%，故混凝土中加入橡膠粉(粒)后降低了混凝土導(dǎo)熱性，提高了隔熱功能;橡膠混凝土阻尼性能、溫度穩(wěn)定性、耐磨性、抗收縮性、抗凍融性較普通混凝土都好。上述優(yōu)良性能使得建設(shè)的低噪、耐磨、抗裂、抗老化混凝土路面性能更優(yōu)，大大提高了混凝土路面使用質(zhì)量和使用壽命;同時橡膠混凝土作為韌性面層或條形彈性體用于水泥混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫，以及作為修復(fù)伸縮縫開裂的材料，都有廣泛的應(yīng)用[6]。

工業(yè)廢料輕質(zhì)混凝土是三類輕質(zhì)混凝土之一，是利用粉煤灰陶粒、自燃煤矸石作骨料，以相對較低標(biāo)號水泥及粉煤灰、礦渣為膠凝材料配制的特種混凝土，具有密度小、相對強(qiáng)度高、保溫與抗凍性能優(yōu)良等特點(diǎn)，是典型的綠色混凝土材料。工業(yè)廢料輕質(zhì)混凝土廣泛應(yīng)用于制作保溫墻體、砌塊、現(xiàn)澆保溫樓面樓板、澆制鋼筋輕質(zhì)混凝土剪力墻。由于密度小質(zhì)量輕，承載輕質(zhì)混凝土的梁、柱結(jié)構(gòu)尺寸可相應(yīng)縮減，從而在節(jié)省鋼筋水泥等建筑材料的同時也增加了建筑物的使用面積。

另外，用廢棄的塑料、聚脂材料制作纖維材料，配制抗裂抗折混凝土，用于井窖蓋、閘門、衛(wèi)生間樓板、水池、樓面等抗裂防滲混凝土構(gòu)件的澆筑也值得研究。

2 磷渣作混凝土礦物摻合料的試驗與實踐

宜昌是全國重要磷礦開采與深加工基地，轄區(qū)內(nèi)有多家大中型磷化工企業(yè)，每年開采磷礦會產(chǎn)生數(shù)量龐大的采礦廢渣、數(shù)十萬噸的尾礦和數(shù)十萬噸磷渣。上述工業(yè)廢渣除部分磷渣用作水泥生產(chǎn)礦化劑外，其它大部分均未進(jìn)行綜合利用。

采用磷礦石、硅石和焦炭在電爐內(nèi)制取黃磷所剩的廢渣就是磷渣。生產(chǎn)1 t黃磷會產(chǎn)生3 t磷渣，其成分主要是在1 400～1 600℃高溫環(huán)境下形成的硅酸鈣熔融物。磷渣出爐前溫度仍高達(dá)1 350～1 400℃，經(jīng)水淬冷卻，即成?；姞t磷渣，其中玻璃體含量高達(dá)80% ～90%。磷渣化學(xué)成分主要為:CaO 40% ～50%，SiO225% ～42%，Al2O32.5% ～5%，F(xiàn)e2O30.2% ～2.5%，MgO 0.5% ～3%，P2O51% ～4%，F(xiàn) 2.5%左右;另有少量假硅灰石、石英、硅酸三鈣和硅酸二鈣晶體存在。上述化學(xué)成分及磷渣的玻璃體特性，使其具備了在水泥凝膠體系中可以參與水化反應(yīng)的條件，即在混凝土中可以用磷渣替代部分水泥作膠凝材料。

本試驗采用的磷渣為宜昌某黃磷生產(chǎn)企業(yè)的工業(yè)廢渣，對比用礦物摻合料為荊門熱電廠產(chǎn)二級粉煤灰和武漢盛大材料有限公司產(chǎn)?；郀t礦渣;水泥為宜都華新公司生產(chǎn)的P.O42.5級水泥，28 d抗壓強(qiáng)度為53.5 MPa;粗、細(xì)骨料為宜昌某商品混凝土公司生產(chǎn)用機(jī)制粗骨料和河砂;外加劑為本所二級單位(宜昌利劍混凝土外加劑技術(shù)開發(fā)部)生產(chǎn)的YB-1型緩凝高效泵劑，摻量0.8%時減水率≥20%;激發(fā)劑NA、NB為宜昌市售普通無機(jī)化工材料，易溶無毒。

經(jīng)試配調(diào)整后，正式配制的混凝土各項技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表1。混凝中YB-1摻量為0.9%，粉煤灰、礦渣和磷渣摻量為20%，激發(fā)劑NA、NB用量適當(dāng);各項材料成本按宜昌市市面價計[7]。

表1 不同礦物摻合料混凝土性能指標(biāo)Table 1 Performance index of concrete mixed with mineral admixtures

經(jīng)多組平行試驗驗證，摻磷渣的混凝土各項技術(shù)指標(biāo)穩(wěn)定，滿足了宜昌某商品混凝土公司拌制大體積混凝土的要求。自2007年起，每年生產(chǎn)摻磷渣的混凝土2萬m3以上，使用磷渣1 600 t/a以上。由于磷渣為宜昌本地生產(chǎn)，與其它礦物摻合料相比運(yùn)輸成本相對較低，具有成本優(yōu)勢。

3 工業(yè)固體廢料在混凝土中應(yīng)用的問題

在中國工業(yè)固體廢料應(yīng)用到混凝土工程中還處于起步和發(fā)展初期階段，除粉煤灰、礦渣、硅灰等少數(shù)品種作摻合料替代部分水泥膠凝材料、部分大塊度廢石作骨料得到應(yīng)用外，其它種類的工業(yè)固體廢料應(yīng)用得較少;尤其是通過改性、加工使大量不具有活性的工業(yè)廢渣應(yīng)用到混凝土工程中的研究做得不夠。主要問題有下述幾方面:

中國火力發(fā)電廠主要集中在北方及南方的大城市周邊地區(qū)，整頓兼并后的鋼鐵冶煉企業(yè)也只是在少數(shù)地區(qū)存在，因此，現(xiàn)有在混凝土中應(yīng)用較為成熟的粉煤灰與礦渣使用上有局限性。例如在鄂西的恩施地區(qū)修建滬蓉高速和宜萬鐵路時，最近也得從300 km以外的荊門熱電廠采用汽車購運(yùn)粉灰，若從武漢汽車購運(yùn)礦渣，運(yùn)距則在600 km以上，高昂的運(yùn)費(fèi)使二者運(yùn)達(dá)工地后的單價超過了當(dāng)?shù)厮鄡r格。

對工業(yè)固體廢料綜合利用特別是在混凝土中的應(yīng)用認(rèn)識不足。廢渣產(chǎn)出企業(yè)、混凝土使用者往往只考慮各自的經(jīng)濟(jì)效益和風(fēng)險因素，固守陳規(guī)，不愿主動接受新觀念，對固體廢料綜合利用的可行性、環(huán)境效益、社會效益考慮得少。

研究投入不足。工業(yè)固體廢料綜合利用研究與應(yīng)用水平是考查一個國家文明程度的重要標(biāo)志，中國是發(fā)展中大國，工業(yè)固體廢料存量及增量大，種類多，分布范圍廣，如何加以利用、特別是在混凝土中加以應(yīng)用，有大量研發(fā)工作要做。但是由于研究投入不足，許多項目無法深入，成果應(yīng)用推廣受到限制，這種狀況亟待改變。

4 結(jié)語

中國正處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展期，特大、大中型基礎(chǔ)建設(shè)和普通工民建工程數(shù)量龐大，每年需要使用驚人數(shù)量的水泥、砂石材料，由此產(chǎn)生的資源消耗量、能源消耗量和大氣污染量也是十分巨大的。混凝土行業(yè)必須轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，盡可能地使用工業(yè)固體廢料等二次資源，實現(xiàn)資源、能源的節(jié)約和高效利用，走可持續(xù)發(fā)展道路。

政府應(yīng)在工業(yè)項目可行性研究階段，即要求業(yè)主對項目產(chǎn)生的廢料進(jìn)行綜合利用研究，力爭實現(xiàn)當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下最大限度地回收利用項目廢料，從每一個項目源頭建立綠色經(jīng)濟(jì)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展的企業(yè)發(fā)展規(guī)劃。

應(yīng)加大各類工業(yè)固體廢料綜合利用研究和推廣應(yīng)用力度，政策到位、研發(fā)團(tuán)隊到位、資金到位。要因地制宜就地取材，對各地區(qū)不同類型的工業(yè)固體廢料進(jìn)行專項綜合利用研究。對工業(yè)固體廢料在混凝土中的應(yīng)用研究與成果推廣更應(yīng)強(qiáng)力推進(jìn)，為更多種類的工業(yè)廢渣得到利用奠定基礎(chǔ)，也使各地區(qū)在使用工業(yè)廢渣替代混凝土材料時，無需避近就遠(yuǎn)，在體現(xiàn)綜合利用工業(yè)廢料環(huán)保效益和社會效益的同時，也體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 張仁瑜，等.綠色建材發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J].建筑科學(xué)，2006，22(64).

[2] 朱宏軍，等.特種混凝土和新型混凝土[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[3] 賀愛平.湖北省主要金屬尾礦綜合利用現(xiàn)狀及對策研究[R].宜昌:中南冶金地質(zhì)研究所，2012.

[4] 蒲心誠，等.高效活性礦物摻料與混凝土的高性能化[J].混凝土，2002(2):3－6.

[5] 周文獻(xiàn)，等.赤泥對粉煤灰激發(fā)作用的試驗研究[J].混凝土，2002(1):37－40.

[6] 孫家瑛，等.橡膠混凝土研制及物理力學(xué)性能研究[J].混凝土，2001(10):30－32.

[7] 賀愛平，等.YB－1型緩凝高效泵送劑技術(shù)性能優(yōu)化及產(chǎn)業(yè)化[R].宜昌:中南冶金地質(zhì)研究所，2007.