工業(yè)廢渣做細磨摻合料生產(chǎn)高性能混凝土

工業(yè)廢渣的合理利用是國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的一項重要內(nèi)容。合理利用廢渣作水泥混合材和配制混凝土可以節(jié)省大量水泥熟料和鋼材，減少水泥生產(chǎn)對環(huán)境的污染，是落實重質(zhì)限量的建材行業(yè)跨世紀發(fā)展戰(zhàn)略的必然選擇。

　　1.我國目前的使用情況

　　我國是利用工業(yè)廢渣和天然火山灰資源做水泥混合材最早、使用量最多的國家。解放前就有一些水泥廠利用礦渣做混合材生產(chǎn)礦渣硅酸鹽水泥。解放后經(jīng)濟建設(shè)急需大量水泥，使我國在利用礦渣作為水泥混合材方面發(fā)展迅速，特別是立窯工業(yè)的發(fā)展，利用礦渣等活性混合材改善水泥安定性已成為立窯生產(chǎn)水泥的重要途徑。水泥廠利用礦渣與活性混合材生產(chǎn)不同品種和標號的水泥，特別是近年來一些工廠還在水泥中摻入少量細磨石灰石，提高了水泥的強度。水泥工業(yè)中節(jié)能利廢發(fā)揮了明顯的效益，取得顯著成就。

　　1995年我國水泥產(chǎn)量4.76億噸，立窯水泥占81％。其中625號、525號、425號、325號水泥分別占水泥總量的0.17％、9.1％、51.7％和37.7％，525號及以上水泥占不到總量的10％。在425號水泥中混合材摻加量若按20％計，混合材應(yīng)為4920萬噸；在325號水泥中混合材摻加量若按30％計，混合材應(yīng)為5370萬噸；混合材總量為1.03億噸，其中礦渣約5200萬噸，。其余為火山灰、粉煤灰及石灰石等。由此可見，目前我國水泥工業(yè)用作混合材的廢渣和天然資源年約1億噸左右。

　　然而摻混合材的水泥一般都是早期強度低，凝結(jié)時間長。隨著現(xiàn)代化工程的發(fā)展，混凝土朝著高強、高耐久性，即高性能方向發(fā)展。在今后工程標準不斷提高的形勢下，一些摻混合材的低標號水泥已不能滿足工程的需要，會愈來愈不受歡迎。這些水泥大多數(shù)是以降低熟料強度與性能為代價的，在某種程度上說摻混合材的低標號水泥不僅浪費了資源也浪費了能源，還污染了環(huán)境，從長遠看是不可取的，因此可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保型混凝土摻合料的研究開發(fā)將是一項十分迫切的任務(wù)。當前世界一些國家除了研究利用工業(yè)廢渣做水泥混合材外又有新的突破——利用工業(yè)廢渣做細磨摻合料生產(chǎn)高性能混凝土，國內(nèi)一些科研部門也已開始了這方面的研究和應(yīng)用，使工業(yè)廢渣的作用有了很大升級，產(chǎn)生了更高的使用價值。

　　2.國外發(fā)展現(xiàn)狀

　　2.1　研制高性能混凝土　

　　近年來，隨著現(xiàn)代化工程的發(fā)展，混凝土越來越多地被用來建造大橋、重載和需要承受惡劣環(huán)境條件的構(gòu)筑物，如大跨度橋梁、高層建筑、海洋構(gòu)筑物，污水處理工程等。這些工程要求混凝土不僅有良好的物理力學(xué)性能，而且還應(yīng)有卓越的耐久性。這是因為，其一，這些構(gòu)筑物工程浩大，相應(yīng)維修、重建費用高。

　　據(jù)資料介紹，在工業(yè)發(fā)達國家占建筑工業(yè)總投資40％以上的費用用于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的修理和維護。結(jié)構(gòu)的維修和更換費用急劇上升。根據(jù)美國1988年報導(dǎo)，美國混凝土基礎(chǔ)工程估計價值達6萬億美元。而其后每年用于維修和重建費用將高達3000億美元。據(jù)我國駐貝魯特記者報導(dǎo)，許多海灣國家沿海地區(qū)大批城市建筑遭受破壞，例如，巴林政府大廈和阿聯(lián)酋的沙加國際機場的部分建筑及迪拜的鐘樓等許多建筑物停用或大修。除建筑質(zhì)量差的原因外，是這些地區(qū)高溫、潮濕、晝夜溫差大和海風帶來的高含量硫酸鹽和氯化鈉等，使建筑物遭受侵蝕的結(jié)果。其二，混凝土不耐久，水泥及各種材料需要量就大，水泥生產(chǎn)需消耗大量燃料和能量，以每噸水泥標準煤耗為0.2噸計，如世界水泥產(chǎn)量為14億噸，耗煤2.8億噸。同時每生產(chǎn)一噸水泥大約將產(chǎn)生1噸CO2，全世界水泥產(chǎn)量14億噸，即產(chǎn)生14億噸CO2，這對溫室效應(yīng)的影響十分明顯。出于節(jié)約能源、資源、減少對環(huán)境的污染和減少維修費用等的考慮，重視混凝土的耐久性、提高其使用壽命已成為全世界水泥[FS:PAGE]和混凝土科技工作者的共識。如美國舊金山—奧克蘭灣大橋和金門橋已使用60年，科學(xué)家們?nèi)栽谠O(shè)法使其壽命再延長50～100年，目前已有較多的科學(xué)家主張將大混凝土工程按使用壽命大于100年來設(shè)計?；诖耍仨氝M一步提高混凝土的耐久性。

　　近年來出現(xiàn)的高性能混凝土拌合物具有高流動性、可泵性、不離析，而且保塑時間可根據(jù)工程需要來調(diào)整，便于澆注和密實；混凝土凝結(jié)硬化過程中水化熱低、內(nèi)部缺陷少、結(jié)構(gòu)密實、硬化后體積穩(wěn)定、收縮變形小，抗凍、抗?jié)B等耐久性能好，用于結(jié)構(gòu)工程可減小構(gòu)件尺寸，使結(jié)構(gòu)簡單輕巧。高性能混凝土的這些優(yōu)良性能為建造現(xiàn)代化大型建筑物提供了可靠的技術(shù)保證。發(fā)展高性能混凝土是提高混凝土耐久性的重要舉措。當然高性能混凝土也不是十全十美，還存在一些問題，正處在發(fā)展中。加速人們對高性能混凝土的認識，研究、應(yīng)用高性能混凝土必將產(chǎn)生不可估量的經(jīng)濟效益和社會效益。

　　2.2　細磨摻合料在混凝土中的作用及作用機理　

　　混凝土是由水泥、水、集料三種原料配制而成，根據(jù)工程需要加入外加劑改善混凝土的某些性能。當今混凝土的組分發(fā)展到水泥、水、集料、外加劑和細磨摻合料5種，外加劑和摻合料不是可有可無的組分，兩者在混凝土中起著相當重要的作用。這些摻合料大多是以工業(yè)廢渣經(jīng)過超細磨得來，在混凝土中可單摻還可同時摻兩種以上的廢渣，如以礦渣加粉煤灰、礦渣加硅灰、粉煤灰加硅灰等來提高作用。細磨摻合料不僅能夠代替較多的熟料，并且不降低強度，還能夠改善混凝土的某些性能，尤其90天以后強度有明顯增加。這樣，既利用了廢渣，又大量減少了熟料，對于環(huán)保十分有利。為此，世界已舉辦了五屆“粉煤灰、硅灰、礦渣、天然火山灰在混凝土中的應(yīng)用”國際會議，第六屆將于1998年在泰國曼谷召開，可見國際科技界對活性細磨摻合料在水泥與混凝土中所起重要作用的高度重視。歸納起來，活性細磨礦物摻合料在水泥和混凝土中主要有下列幾個方面的作用：

　　提高水泥的標號或混凝土強度

　　例如，在制備超高強混凝土?xí)r，在摻入高效減水劑的同時，必須摻入硅灰、細磨粉煤灰或細磨礦渣等。

　　改善混凝土的耐久性在混凝土中摻入細磨活性摻合料，可以提高混凝土的抗蝕性和其他耐久性指標，并能有效地防止混凝土中的堿骨料反應(yīng)。

　　促進環(huán)境保護粉煤灰、礦渣及硅灰等都是工業(yè)廢料，特別是粉煤灰，排放量很大，造成了環(huán)境污染。在水泥和混凝土中應(yīng)用各種工業(yè)廢料、變廢料為資源，對促進環(huán)境保護意義重大。

　　降低成本、節(jié)約能源粉煤灰、礦渣等的成本都遠低于水泥熟料，摻入這些材料可以減少熟料用量，也就減少了煅燒熟料用的燃料，減少CO2排放量。

　　在水泥與混凝土中摻入活性細磨摻合料之后，混凝土的強度提高、耐久性得到改善，主要原因是摻入足夠數(shù)量的活性細磨摻合料后，微細粉在水化過程中能起晶核作用，促進硅酸鹽礦物的水化，提高了水泥石結(jié)構(gòu)的密實度。摻料中的活性SiO2能逐步與水泥石中的Ca2和高堿性水化硅酸鈣產(chǎn)生二次反應(yīng)，生成低堿性水化硅酸鈣，同時Ca2也與摻合料中的活性Al2O3反應(yīng)，生成水化鋁酸鈣，或與SiO2及Al2O3生成水化硅鋁酸鈣。這樣，使水化產(chǎn)物的數(shù)量增多，又使不穩(wěn)定的高堿性水化物轉(zhuǎn)向低堿性的穩(wěn)定的水化物，使水泥石結(jié)構(gòu)致密、穩(wěn)定，從而使其強度及其性
能得到大幅度提高和改善。

　　2.3　重大工程使用效果

　　礦渣、粉煤灰、硅灰細磨摻合料在混凝土中的應(yīng)用引起世界各國的高度重視。最近的資料表明，硅灰雖然研究較多，但產(chǎn)量有限，全球硅灰產(chǎn)量也不過100～200萬噸。同時硅灰容重太小，運輸不方便，且價格昂貴，在實用上受到很大限制。而粉煤灰最值得注意。

　　從1985年開始，加拿大礦物與能源技術(shù)中心在Malhotra領(lǐng)導(dǎo)之下對大摻量粉煤灰混凝土進行了長期系統(tǒng)的研究。采用高效減水劑降低水灰比或超量取代，即略為增加每立方米混凝土膠凝材料的總量，但純水泥用量顯著降低，從而配制成滿足力學(xué)性能要求的耐久性能優(yōu)異的混凝
土。如水泥用量僅152～153kg／m3，粉煤灰摻量為近60％時，混凝土28天抗壓強度達C30，1年強度達C50。

　　特別重要的是當水灰比為0.33時，各項性能均有很大提高，1000次凍融之后，物體仍十分完好，氯離子透入數(shù)在91天濕養(yǎng)之后小于650庫侖，這些數(shù)值與摻硅灰相當，而抗?jié)B系數(shù)達10－14m／sec。因此具有優(yōu)異的抗蝕、抗凍性能。　

　　英國M.Chael的調(diào)查研究證實，當粉煤灰含量占水泥重量的20～30％時，雖然現(xiàn)場施工時28天強度摻粉煤灰者略低一些，但10～33年之后將同時澆注的混凝土的巖蕊取出來比較，摻粉煤灰者要高5～33％。這是因為在現(xiàn)場使用之后摻粉煤灰者強度增長較多，為28天的146～240％，而未摻粉煤灰者強度雖然增大，但增長幅度要小，僅為116～156％。這種對比包括水池、橋、壩、海堤和基礎(chǔ)。而對氯離子的擴散和抗堿骨料反應(yīng)顯然粉煤灰水泥混凝土要好得多。

　　目前國外力求擴大粉煤灰的用途，采取的措施主要是調(diào)整混凝土配合比和采用高效減水劑。在混凝土中摻粉煤灰有多種形式，如等量取代、等強取代和超量取代。等量取代，即混凝土中膠凝材料摻量不變，用粉煤灰取代部分水泥。等強取代，即取代后膠凝材料摻量由28天強度決定。超量取代是混凝土中膠凝材料的總量增加，但純水泥的用量可以減少，這樣，既能保證各種性能還能節(jié)約資源能源。

　　混凝土的配制方式有兩種，粉煤灰在施工現(xiàn)場或混凝土攪拌站直接摻入是一種方式，另一種方式是在水泥廠中在粉磨之前摻入磨中與水泥熟料一起粉磨。近來國外也主張要發(fā)展高摻量粉煤灰混合水泥。因為水泥廠摻粉煤灰有很多優(yōu)點，煤粉灰在磨細過程中得到機械活化。特別是低級粉煤灰和粗粉煤灰，比面積增加之后可大大激發(fā)其化學(xué)活性，同時在水泥廠中可嚴格控制配合比，對于小型工程可免去運送，儲存粉煤灰的流程和設(shè)備。

　　3.建議

　　由于細磨摻合料可以改善混凝土的某些性能、提高混凝土的耐久性，它越來越受到人們的關(guān)注。1994年在維也納由奧地利水泥研究所和RILEM3C委員會聯(lián)合組織了有關(guān)高性能混凝土的耐久性問題研討會，該會的一個主要信息是若想延長結(jié)構(gòu)物的使用壽命，最大限度地發(fā)揮材料性能，需要結(jié)構(gòu)工程師和材料工程師的通力合作。這一信息為我們水泥工作者提出了新的課題。分析我國工業(yè)廢渣和水泥工業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)狀，1995年我國粉煤灰排放量超過1億噸，到2000年估計將達1.6億噸。據(jù)統(tǒng)計1995年粉煤灰的綜合利用率為47％，其中建材工業(yè)用量超過總用量的30％。全國約有5％的水泥生產(chǎn)企業(yè)在水泥粉磨時用粉煤灰做混合材，年生產(chǎn)粉煤灰水泥約2000萬噸。粉煤灰摻入量按20％～40％計，粉煤灰用作水泥混合材的量僅為400～800萬噸。

　　目前我國水泥實物質(zhì)量還不高，在水泥總量中只有15％左右的水泥達到國際先進和一般實物質(zhì)量水平，325號水泥占水泥總量的三分之一，這類水泥按國際標準檢驗都屬不合格產(chǎn)品，在我國還占不少的比例。在水泥總量已滿足市場需求并在某些地區(qū)出現(xiàn)供大于求的情況下，根據(jù)我國當前水泥工業(yè)的生產(chǎn)條件、市場需求的發(fā)展趨勢以及現(xiàn)有的工業(yè)廢渣資源情況，借鑒國際先進國家水泥混凝土發(fā)展的經(jīng)驗，對我國如何發(fā)展細磨摻合料及水泥產(chǎn)品如何適應(yīng)混凝土的發(fā)展提出以下幾點建議。

　　3.1　水泥產(chǎn)品中要提高高標號水泥或高性能水泥的比重

　　用低標號水泥配制相同標號的混凝土水泥用量要大得多，更由于我國還有一些立窯水泥廠生產(chǎn)熟料中fCaO高，質(zhì)量不穩(wěn)定，通過摻入大量混合材消解游離氧化鈣，從而更降低了水泥的標號。而生產(chǎn)這些低標號水泥能源和資源消耗并不很低，鑒于我國目前325號水泥占水泥總量三分之一的現(xiàn)實，建議今后水泥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中應(yīng)逐步淘汰325號水泥、適當增加高標號水泥的比重或生產(chǎn)帶有細磨摻合料的高性能水泥。以滿足日益發(fā)展的現(xiàn)代化工程的需要。

　　3.2　在水泥廠生產(chǎn)高品質(zhì)通用水泥的同時，配套生產(chǎn)系列高性能混凝土摻合料建議今后水泥廠或粉磨站在生產(chǎn)高品質(zhì)通用水泥的同時也可以生產(chǎn)摻合料，將摻合料供給預(yù)拌混凝土廠或工地，摻合料不分標號，專供配制不同要求的高性能混凝土。水泥廠還可將水泥、細磨摻合料、集料、外加劑配制成干拌料，直接向用戶供貨。用戶在工地加水即可拌用，使水泥的生產(chǎn)、銷售與使用協(xié)調(diào)起來。
　　3.3　成立由科研院校、企業(yè)、施工單位組成的三位一體的科研攻關(guān)小組根據(jù)國內(nèi)外混凝土的發(fā)展趨勢，膠結(jié)材料主要是高摻量的粉煤灰水泥和復(fù)合摻合料水泥。這就給水泥生產(chǎn)者提出一系列新課題，如這種材料的化學(xué)成分、配合比、顆粒級配等如何最能適應(yīng)混凝土工程的需要，類似這樣要研究解決的問題很多。為滿足混凝土的性能要求，提高其耐久性，若科研、生產(chǎn)和施工單位能
密切配合，共同開發(fā)研制，共享經(jīng)濟利益，則將對這一工作會有很大的促進作用。

　　3.4　水泥分流使用　

　　根據(jù)不同工程的需要，水泥分流使用。早期強度高的硅酸鹽、普通硅酸鹽水泥用于工業(yè)及民用建筑，后期強度高耐久性好的水泥用于水中工程，地下工程。分流使用還能提高耐久性，在有腐蝕的污水處理工程、海水工程中使用摻粉煤灰水泥可大大延長混凝土的壽命。鑒于我國粉煤灰排放量逐年增多的趨勢，若能因地制宜，利用當?shù)胤勖夯屹Y源生產(chǎn)高摻量粉煤灰水泥將獲得可觀的經(jīng)濟效益，同時也是建材工業(yè)對保護環(huán)境、節(jié)約能源和造福子孫的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略作出的具大貢獻。

　　3.5　提高認識，加速觀念的轉(zhuǎn)變

　　各級領(lǐng)導(dǎo)要把以提高產(chǎn)量為目標轉(zhuǎn)移到提高產(chǎn)品質(zhì)量上來，全面落實建材工業(yè)的跨世紀發(fā)展戰(zhàn)略。水泥生產(chǎn)者要增強質(zhì)量意識，深刻認識水泥質(zhì)量的含義不僅僅指強度，如純硅酸鹽水泥就不適合配制大壩混凝土，應(yīng)以提高混凝土的耐久性為目的，更加重視水泥的凝結(jié)硬化特性、顆粒組成、早期強度以及水泥的均勻性和穩(wěn)定性。重視水泥的建筑性能，如砂漿稠度和混凝土抗凍性、抗蝕性、耐磨性等，盡快提高我國水泥的實物質(zhì)量。傳統(tǒng)的以強度為主的考查模式應(yīng)被施工性能和耐久性為主的考查模式來取代。正如國家建材局技術(shù)情報所喬齡山總工程師強調(diào)的：“水泥僅是半成品，應(yīng)把水泥的生產(chǎn)鏈延續(xù)到混凝土”，望這個觀點能引起大家足夠的重視。