固體廢棄物在水泥中的應(yīng)用

王 靜

(霍州煤電集團(tuán)云廈勘探試驗(yàn)有限責(zé)任公司,山西 霍州 031400)

固體廢棄物在水泥中的應(yīng)用

王 靜

(霍州煤電集團(tuán)云廈勘探試驗(yàn)有限責(zé)任公司,山西 霍州 031400)

固體廢棄物(固廢)是人類(lèi)在工業(yè)生產(chǎn)、日常生活中產(chǎn)生的固態(tài)、半固態(tài)廢棄物質(zhì)，對(duì)土壤、水資源、大氣環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害。然而，目前技術(shù)水平低下，綜合利用意識(shí)低導(dǎo)致了固廢循環(huán)利用率較低等問(wèn)題。研究了鋼渣、粉煤灰、赤泥等固體廢棄物作為摻合料在水泥熟料中的應(yīng)用，從多個(gè)角度研究了摻加固廢后的水泥性能，為固廢資源化應(yīng)用提供了有效途徑。

固體廢棄物，水泥，資源化應(yīng)用

1 固體廢棄物及其危害

人類(lèi)在生產(chǎn)、生活中產(chǎn)生的固態(tài)、半固態(tài)廢棄物質(zhì)，即“垃圾”就是固體廢棄物，主要包括了固態(tài)的爐渣、污泥，以及廢酸堿、有機(jī)溶劑等高濃度液體，固廢對(duì)人類(lèi)社會(huì)、環(huán)境的危害有很多方面，其中主要表現(xiàn)為大量固廢占用了寶貴的土地資源，并對(duì)環(huán)境造成了很大的影響。

由于固體廢棄物常常采用露天堆存，所以在處理過(guò)程中需占用大量土地。我國(guó)每年排放的城市垃圾以3%～5%的速度侵吞土地，這部分垃圾廢棄物未經(jīng)處理，會(huì)影響到自然環(huán)境以及城市衛(wèi)生，對(duì)人類(lèi)的生存條件及健康造成威脅。部分有毒廢棄物通過(guò)自然循環(huán)作用，其毒性物質(zhì)會(huì)滲入土壤，破壞土壤的腐解能力；部分固廢顆粒隨水循環(huán)進(jìn)入水體，導(dǎo)致地下水受到嚴(yán)重的污染，造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞；固廢微?？善∮诳諝庵?，造成能見(jiàn)度降低，北方形成霧霾的部分原因就是由于微粒進(jìn)入大氣導(dǎo)致的。環(huán)境修復(fù)是一項(xiàng)長(zhǎng)期的工作，其修復(fù)和處理需要花費(fèi)很大的代價(jià)，也會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)造成一定程度的影響[1]。目前，我國(guó)的固廢利用率較低，技術(shù)水平低下，綜合利用意識(shí)差，使得一部分可回收資源并未發(fā)揮應(yīng)有的作用，成為廢棄物污染環(huán)境。

2 固體廢棄物在水泥中的應(yīng)用

我國(guó)是世界上水泥用量最大的國(guó)家，隨著一帶一路的持續(xù)推進(jìn)，我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)在沿線各國(guó)相繼啟動(dòng)，近年來(lái)我國(guó)的水泥產(chǎn)量、使用量和使用范圍常年位居世界首位。水泥在生產(chǎn)過(guò)程中消耗了大量的粘土、石灰石等資源，如何使用較高摻量的固體廢棄物，使水泥在生產(chǎn)過(guò)程中的能耗降低，并利用各類(lèi)固體廢棄物的特有屬性，提高水泥熟料的耐久性、抗腐蝕性等問(wèn)題就成為了目前亟待解決的問(wèn)題。目前，鋼渣、粉煤灰、赤泥等固體廢棄物已經(jīng)作為水泥熟料中的摻合料被研究和開(kāi)發(fā)，其中部分產(chǎn)品已經(jīng)被大量的應(yīng)用在水泥生產(chǎn)中。

Craighill[2]研究了英國(guó)拆建廢棄物生命周期的環(huán)境影響，表明填埋對(duì)環(huán)境的影響最大，處理再利用對(duì)環(huán)境影響稍小，直接利用對(duì)環(huán)境的影響最小。龔志起等[3]研究了生命周期評(píng)價(jià)方法，表明再生骨料替代利用對(duì)環(huán)境的影響最小。孫楠楠[4]構(gòu)建了再生混凝土生產(chǎn)過(guò)程中碳排放—運(yùn)距關(guān)系模型，提出再生混凝土工廠與攪拌站之間的臨界運(yùn)輸距離為40 km。

2.1 鋼渣在水泥中的應(yīng)用

鋼渣是煉鋼工業(yè)中產(chǎn)生的廢渣，目前在我國(guó)的綜合利用率僅為10%～20%，大量的鋼渣不能及時(shí)處理，造成了土地資源的占用以及環(huán)境的污染。鋼渣中含有大量的CaO,FeO和MgO等可利用成分[5]，所以如何激發(fā)鋼渣的活性，并應(yīng)用到水泥制品中是學(xué)者研究的焦點(diǎn)問(wèn)題之一。

目前采用粉磨方式對(duì)鋼渣進(jìn)行活性激發(fā)的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，部分學(xué)者對(duì)單獨(dú)粉磨鋼渣作為混凝土摻和料的性質(zhì)進(jìn)行了研究[6]。但鋼渣微粉的應(yīng)用相對(duì)較差，其主要原因是由于鋼渣僅僅具有潛在的水硬性，但材料產(chǎn)生強(qiáng)度較慢，水化反應(yīng)過(guò)程較長(zhǎng)，且鋼渣產(chǎn)品的強(qiáng)度受到限制，表現(xiàn)為混凝土早期強(qiáng)度偏低。唐衛(wèi)軍[7]研究了不同摻量、不同細(xì)度的鋼渣微粉替代50%水泥的活性指數(shù)和流動(dòng)度比。研究發(fā)現(xiàn)，隨著鋼渣細(xì)度的增加，流動(dòng)度比有所提高；對(duì)鋼渣微粉活性進(jìn)行化學(xué)激發(fā)發(fā)現(xiàn)，堿激發(fā)效果明顯優(yōu)于酸性激發(fā)劑；摻加20%～80%的混凝土早期抗壓強(qiáng)度可顯著提高。

2.2 粉煤灰在水泥中的應(yīng)用

粉煤灰是煤燃燒后煙氣中的細(xì)灰，是燃煤電廠排出的固體廢物。隨著我國(guó)電力工業(yè)的快速發(fā)展，粉煤灰的排放量也逐年增加。粉煤灰排放產(chǎn)生的揚(yáng)塵會(huì)污染大氣，也會(huì)對(duì)人體健康造成不同程度的影響。粉煤灰中含有未完全燃燒的碳，代替粘土可降低煅燒生料時(shí)的能耗，且粉煤灰中的硅含量越高，粘土替代率也可以相應(yīng)的提升。粉煤灰本身含有活性物質(zhì)SiO2,Al2O3,f-CaO和CaSO4，可增強(qiáng)水泥的早強(qiáng)性。

欒曉風(fēng)等[8]采用XRD對(duì)NaOH,Na2SO4和Na3PO4·12H2O激發(fā)粉煤灰水泥中粉煤灰的活性效果進(jìn)行了研究，表明3種鈉鹽皆能激發(fā)粉煤灰活性，NaOH可提升水泥3 d，28 d抗壓強(qiáng)度6.8%，7.7%，Na2SO4對(duì)水泥3 d抗壓強(qiáng)度提升可達(dá)18.2%，Na3PO4·12H2O對(duì)水泥的28 d抗壓強(qiáng)度提高了17.7%，XRD顯示鈉鹽在不同程度上促進(jìn)了水泥的水化，激發(fā)了粉煤灰的潛在活性。陳琳等[9]研究了不同細(xì)度、不同摻量的粉煤灰對(duì)粉煤灰—礦渣—水泥復(fù)合材料強(qiáng)度的影響，表明礦渣越細(xì)，復(fù)合材料的強(qiáng)度越高，當(dāng)粉煤灰和礦渣總摻量為50%時(shí)，可配置出52.5R復(fù)合水泥。

2.3 赤泥在水泥中的應(yīng)用

赤泥是制鋁工業(yè)在生產(chǎn)氧化鋁過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物，按氧化鋁生產(chǎn)方法不同，分為燒結(jié)法赤泥和拜爾法赤泥[10]。使用燒結(jié)法工藝，首先要將鋁土礦和石灰石混合，經(jīng)高溫鍛燒、冷卻、熟料粉化等流程，最終經(jīng)過(guò)鍛燒成為氧化鋁。在生產(chǎn)過(guò)程中摻入了大量石灰石，雜質(zhì)中的硅酸二鈣、水合氧化鐵、方解石等礦物以赤泥的形式排放。燒結(jié)法赤泥中含有大量的硅酸二鈣，在生產(chǎn)水泥的過(guò)程中可作為原料摻入，節(jié)省了大量的資源，在節(jié)能減排方面具有重大的意義。拜耳法赤泥的主要成分為水化石榴石、鋁硅酸鈉、一水硬鋁石、氫氧化鈣等膠凝性質(zhì)較差的物質(zhì)，與燒結(jié)法赤泥的成分不同，只能部分替代粘土。彭小芹等[11]研究了赤泥對(duì)堿礦渣水泥固化體(AASS)以及硅酸鹽水泥固化體(PCS)在力學(xué)性能方面的影響，表明赤泥摻量為10%時(shí)，PCS和AASS的力學(xué)性能會(huì)有所提升，但隨著赤泥的增加，固化體的力學(xué)性能會(huì)逐漸降低，表明赤泥用于AASS具有可行性。祝麗萍等[12]研究了以赤泥為主要膠凝組分的全尾砂膠結(jié)充填材料，研究表明材料強(qiáng)度比水泥制備的充填料試塊要好，在滿足礦山充填要求的同時(shí)，其流動(dòng)性、保水性及成本都優(yōu)于水泥膠結(jié)充填材料，使用XRD和SEM研究表明礦物水化反應(yīng)生成了大量的AFt,AFm，使膠結(jié)體系的結(jié)構(gòu)致密性增強(qiáng)。

3 結(jié)語(yǔ)

固體廢棄物是人類(lèi)在生產(chǎn)、生活中產(chǎn)生的固態(tài)、半固態(tài)廢棄物質(zhì)，占用了寶貴的土地資源，并對(duì)環(huán)境造成了很大的影響。固體廢棄物未經(jīng)處理，會(huì)嚴(yán)重影響到自然環(huán)境以及城市衛(wèi)生，對(duì)人類(lèi)的生存條件及健康造成威脅。我國(guó)的固廢利用率較低，技術(shù)水平低下，綜合利用意識(shí)差，使得一部分可回收資源并未發(fā)揮應(yīng)有的作用，成為廢棄物污染環(huán)境。

我國(guó)水泥產(chǎn)量和使用量常年位居世界首位，如何使用較高摻量的固體廢棄物，使水泥在生產(chǎn)過(guò)程中的能耗降低成為目前亟待解決的問(wèn)題。使用堿激發(fā)鋼渣摻入水泥中，其流動(dòng)度比有所提高，且摻加20%～80%的混凝土早期抗壓強(qiáng)度可顯著提高。使用NaOH,Na2SO4和Na3PO4·12H2O激發(fā)粉煤灰水泥中粉煤灰的活性效果表明，NaOH可提升水泥3 d，28 d的抗壓強(qiáng)度，Na2SO4可大幅提升水泥3 d抗壓強(qiáng)度，Na3PO4·12H2O可提升水泥28 d抗壓強(qiáng)度。當(dāng)赤泥摻量為10%時(shí)，堿礦渣水泥固化體和硅酸鹽水泥固化體的力學(xué)性能會(huì)有所提升。所以，鋼渣、粉煤灰、赤泥等固體廢棄物已經(jīng)作為水泥熟料中的摻合料被廣泛研究，但還需對(duì)其進(jìn)行深入的分析和應(yīng)用，從而使固體廢棄物得到更深層次的開(kāi)發(fā)。

[1] 武 強(qiáng),劉宏磊,陳 奇，等.礦山環(huán)境修復(fù)治理模式理論與實(shí)踐[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(5):1085-1092.

[2] Craighill A,Powell J C.A lifecycle assessment and evaluation of construction and demolition waste[J].Addiction,1999,63(3-4):279-280.

[3] 龔志起,丁 銳,陳柏昆.廢棄混凝土處理方式的環(huán)境影響比較[J].工程管理學(xué)報(bào),2011,25(3):266-270.

[4] 孫楠楠.運(yùn)輸及碳化對(duì)RAC生命周期碳排放的影響研究[D].杭州：浙江大學(xué),2014.

[5] 張朝暉,廖杰龍,巨建濤，等.鋼渣處理工藝與國(guó)內(nèi)外鋼渣利用技術(shù)[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào),2013,25(7):1-4.

[6] 趙三銀,李偉升,林永權(quán)，等.轉(zhuǎn)爐鋼渣粉磨動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究[J].水泥工程,2006(2):5-8.

[7] 唐衛(wèi)軍.鋼渣礦渣復(fù)合微粉對(duì)水泥和混凝土性能影響的實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京),2009.

[8] 欒曉風(fēng),潘志華,王冬冬.粉煤灰水泥體系中粉煤灰活性的化學(xué)激發(fā)[J].硅酸鹽通報(bào),2010,29(4):757-761.

[9] 陳 琳,潘如意,沈曉冬，等.粉煤灰—礦渣—水泥復(fù)合膠凝材料強(qiáng)度和水化性能[J].建筑材料學(xué)報(bào),2010,13(3):380-384.

[10] 南相莉,張廷安,劉 燕，等.我國(guó)赤泥綜合利用分析[J].過(guò)程工程學(xué)報(bào),2010,10(S1):264-270.

[11] 彭小芹,張 祺,李曉盼，等.赤泥對(duì)水泥固化體性能的影響[J].硅酸鹽通報(bào),2015,34(4):1100-1104.

[12] 祝麗萍,倪 文,張旭芳，等.赤泥—礦渣—水泥基全尾砂膠結(jié)充填料的性能與微觀結(jié)構(gòu)[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(7):838-842.

Applicationofsolidwasteincement

WangJing

(HuozhouCoalElectricityGroupYunshaExplorationTestCo.,Ltd,Huozhou031400,China)

Solid wastes, including solid and semi-solid wastes, are generated by human beings during industrial production and daily life, which seriously harms the soil resource, the water resource and the atmospheric environment. However, the waste currently has rather low cyclic utilization level because low technical ability and poor comprehensive awareness. In order to reutilize the solid waste such as steel slag, fly ash and red mud, the waste as cement admixtures is mixed into cement clinker. The performance of the cement mixture was studied in terms of its research from multiple perspectives, which has significant meaning for solid waste reutilization.

solid waste, cement, resource utilization

2017-10-07

王 靜(1989- )，女，助理工程師

1009-6825(2017)35-0115-02

X705

A