工業固體廢料在混凝土中的應用

賀愛平，熊云先

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

0 引言

當今人類社會生產生活對各種材料的巨大需求造成資源短缺、生態惡化，為此，國際社會及中國政府把發展綠色材料作為可持續發展的戰略。所謂綠色材料是指“在原材料采用、產品制造、使用或者再生循環以及廢料處理等環節中，對地球負荷最小和最有利于人類健康的材料”[1]。混凝土是當代最大的人造工程材料，生產硅酸鹽水泥消耗大量自然資源和能源，是工業“三廢”污染的主要源頭之一。把工業固體廢料應用到混凝土中，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時對其它自然資源與工業材料的使用量，是生產環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。工業固體廢料種類很多、排放量巨大，中國堆放經年的工業固體廢料多達數十億噸，每年還以驚人的數量在遞增。堆存工業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，管理與運營成本高，并成為次生地質災害和火災的安全隱患;同時工業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。因此，綜合利用工業固體廢料，將其應用到拌制混凝土中，化害為利，化廢為用，具有顯著的經濟、環保和社會意義。

1 工業固體廢料在混凝土中的應用狀況

目前，應用到混凝土中的工業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、選礦預拋尾的粗粒尾礦、老舊建筑及其它混凝土工程拆除產生的廢棄混凝土渣等，經破碎、篩分分級后作骨料二次使用;選礦尾礦砂經篩分脫除細泥后作混凝土細骨料二次利用。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、生產黃磷的粒化電爐磷渣、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、工業赤泥、鍋爐煤渣、凝灰巖、浮石粉等，這些工業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、凝灰巖粉、粉煤灰陶粒、煤矸石粉、礦渣配制的輕質混凝土[2]。

1.1 工業固體廢料作混凝土骨料

礦山開采時，都會產生大量采礦廢渣與選礦尾礦。采礦廢渣及選礦預拋尾產生的大塊尾礦，經破碎、篩分處理后可生產各種規格的混凝土骨料;選礦尾礦篩分分級后，粗粒級可作混凝土細骨料，細泥則用于生產免燒尾礦磚、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營管理費用等問題，并可為礦山帶來新的利潤增長點。

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，破壞山體穩定性，毀壞森林植被，流失富有機質土壤，造成自然地表千瘡百孔，長時間內難于恢復生機。河道采砂采石極易造成河流改道、河床床面起伏不定，嚴重威脅航運安全，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，是發展綠色經濟、循環經濟的明智之舉。武鋼(集團)公司程潮鐵礦選礦廠，預選拋尾可產生占原礦總量30%左右、粒度在20～200 mm、以中等強度的碳酸鹽類巖石為主的尾礦，該尾礦及礦山采礦廢渣經破碎、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十臺汽車的運輸業務，產品具有很好的市場需求[3]。

中國是玻璃生產與消費大國，每年產生的廢棄玻璃在數百萬噸以上，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骨料使用。摻一定數量的玻璃細骨料，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骨料配制的高流動性混凝土，可用于鋼筋密集構件或施工作業空間狹小的自流平混凝土施工，可相應地減少價格高昂的減水劑用量。

另外，隨著中國社會經濟的快速發展，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，以減少環境垃圾，變廢為用。

1.2 工業固體廢料作混凝土礦物摻合料

粒化高爐礦渣、粒化電爐磷渣、鐵礦深度還原焙燒—磁選尾礦等工業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出來，產生緩慢的水化作用;若采用Na2SO4、Na2CO3、NaOH等堿金屬鹽作激發劑，則產生強烈的水化作用;同時，工業廢料中游離的SiO2還可以和水泥水化產物—游離CaO及高堿度的水化硅酸鈣產生二次反應，生成強度更高、穩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60%。日本等發達國家早在上世紀60年代即將鋼鐵工業的廢料—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推廣，各煉鋼企業的廢渣成了具有商業價值的搶手材料。高爐礦渣經水淬、細磨后替代部分水泥，降低了成本，提高了混凝土性能，同時也使煉鋼企業大大減少了堆積廢渣的占地，并產生新的經濟增長點，其經濟、環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、凝灰巖粉、浮石粉、錳渣、鋰渣、銅渣、下水道污泥等工業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，與水泥水化產物Ca(OH)2反應，產生具有與水泥水化產物同樣抗壓性能、抗折性能的水化硅酸鈣和水化硅鋁酸鈣，因此，加入上述工業廢料到水泥混凝土和砂漿中，可以節省15% ～40%的水泥。目前，電廠粉煤灰、硅灰等綜合利用率很高，中國南方地區幾乎供不應求。但上述其它工業固體廢料的綜合利用率尚不理想。

1.3 工業赤泥廢料作礦物摻合料激發劑

無論采用何種工藝處理鋁土礦生產氧化鋁，都會產生大量尾渣，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廢料進行混配后，作為活性礦物摻合料加入到水泥混凝土中，可以有效激發其它工業廢料的反應活性，加快早期水化速度，提高混凝土各齡期強度和密實性[5]。

1.4 利用工業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、銷售大國，每年都會產生大量廢舊輪胎，并呈逐年增多趨勢。據不完全統計，中國每年產生的廢舊輪胎在3億條以上，除部分回收利用外，堆積的廢棄輪胎總數在5億條左右。廢棄輪胎堆積極易滋生蚊蟲、引發傳染疾病、造成火災，也占用了大量土地。可將廢棄輪胎中的橡膠加工成片、塊、粒或粉，取代部分細骨料制成混凝土。基于橡膠材料的特性，混凝土在承受荷載達到峰值后還能繼續工作而不受破壞，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，從而表現出良好的抗沖擊性;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;橡膠材料的導熱系數為普通混凝土的5%，故混凝土中加入橡膠粉(粒)后降低了混凝土導熱性，提高了隔熱功能;橡膠混凝土阻尼性能、溫度穩定性、耐磨性、抗收縮性、抗凍融性較普通混凝土都好。上述優良性能使得建設的低噪、耐磨、抗裂、抗老化混凝土路面性能更優，大大提高了混凝土路面使用質量和使用壽命;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構伸縮縫，以及作為修復伸縮縫開裂的材料，都有廣泛的應用[6]。

工業廢料輕質混凝土是三類輕質混凝土之一，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、相對強度高、保溫與抗凍性能優良等特點，是典型的綠色混凝土材料。工業廢料輕質混凝土廣泛應用于制作保溫墻體、砌塊、現澆保溫樓面樓板、澆制鋼筋輕質混凝土剪力墻。由于密度小質量輕，承載輕質混凝土的梁、柱結構尺寸可相應縮減，從而在節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、衛生間樓板、水池、樓面等抗裂防滲混凝土構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，轄區內有多家大中型磷化工企業，每年開采磷礦會產生數量龐大的采礦廢渣、數十萬噸的尾礦和數十萬噸磷渣。上述工業廢渣除部分磷渣用作水泥生產礦化劑外，其它大部分均未進行綜合利用。

采用磷礦石、硅石和焦炭在電爐內制取黃磷所剩的廢渣就是磷渣。生產1 t黃磷會產生3 t磷渣，其成分主要是在1 400～1 600℃高溫環境下形成的硅酸鈣熔融物。磷渣出爐前溫度仍高達1 350～1 400℃，經水淬冷卻，即成粒化電爐磷渣，其中玻璃體含量高達80% ～90%。磷渣化學成分主要為:CaO 40% ～50%，SiO225% ～42%，Al2O32.5% ～5%，Fe2O30.2% ～2.5%，MgO 0.5% ～3%，P2O51% ～4%，F 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企業的工業廢渣，對比用礦物摻合料為荊門熱電廠產二級粉煤灰和武漢盛大材料有限公司產粒化高爐礦渣;水泥為宜都華新公司生產的P.O42.5級水泥，28 d抗壓強度為53.5 MPa;粗、細骨料為宜昌某商品混凝土公司生產用機制粗骨料和河砂;外加劑為本所二級單位(宜昌利劍混凝土外加劑技術開發部)生產的YB-1型緩凝高效泵劑，摻量0.8%時減水率≥20%;激發劑NA、NB為宜昌市售普通無機化工材料，易溶無毒。

經試配調整后，正式配制的混凝土各項技術經濟指標見表1。混凝中YB-1摻量為0.9%，粉煤灰、礦渣和磷渣摻量為20%，激發劑NA、NB用量適當;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Table 1 Performance index of concrete mixed with mineral admixtures

經多組平行試驗驗證，摻磷渣的混凝土各項技術指標穩定，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，與其它礦物摻合料相比運輸成本相對較低，具有成本優勢。

3 工業固體廢料在混凝土中應用的問題

在中國工業固體廢料應用到混凝土工程中還處于起步和發展初期階段，除粉煤灰、礦渣、硅灰等少數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用外，其它種類的工業固體廢料應用得較少;尤其是通過改性、加工使大量不具有活性的工業廢渣應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:

中國火力發電廠主要集中在北方及南方的大城市周邊地區，整頓兼并后的鋼鐵冶煉企業也只是在少數地區存在，因此，現有在混凝土中應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粉灰，若從武漢汽車購運礦渣，運距則在600 km以上，高昂的運費使二者運達工地后的單價超過了當地水泥價格。

對工業固體廢料綜合利用特別是在混凝土中的應用認識不足。廢渣產出企業、混凝土使用者往往只考慮各自的經濟效益和風險因素，固守陳規，不愿主動接受新觀念，對固體廢料綜合利用的可行性、環境效益、社會效益考慮得少。

研究投入不足。工業固體廢料綜合利用研究與應用水平是考查一個國家文明程度的重要標志，中國是發展中大國，工業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用，有大量研發工作要做。但是由于研究投入不足，許多項目無法深入，成果應用推廣受到限制，這種狀況亟待改變。

4 結語

中國正處于經濟高速發展期，特大、大中型基礎建設和普通工民建工程數量龐大，每年需要使用驚人數量的水泥、砂石材料，由此產生的資源消耗量、能源消耗量和大氣污染量也是十分巨大的。混凝土行業必須轉變傳統生產方式，大力發展循環經濟，盡可能地使用工業固體廢料等二次資源，實現資源、能源的節約和高效利用，走可持續發展道路。

政府應在工業項目可行性研究階段，即要求業主對項目產生的廢料進行綜合利用研究，力爭實現當前技術經濟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濟、循環經濟和可持續發展的企業發展規劃。

應加大各類工業固體廢料綜合利用研究和推廣應用力度，政策到位、研發團隊到位、資金到位。要因地制宜就地取材，對各地區不同類型的工業固體廢料進行專項綜合利用研究。對工業固體廢料在混凝土中的應用研究與成果推廣更應強力推進，為更多種類的工業廢渣得到利用奠定基礎，也使各地區在使用工業廢渣替代混凝土材料時，無需避近就遠，在體現綜合利用工業廢料環保效益和社會效益的同時，也體現其經濟效益。

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

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

[3] 賀愛平.湖北省主要金屬尾礦綜合利用現狀及對策研究[R].宜昌:中南冶金地質研究所，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，等.赤泥對粉煤灰激發作用的試驗研究[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性能優化及產業化[R].宜昌:中南冶金地質研究所，2007.