王晨晨，王學志，賀晶晶

（1.遼寧工業(yè)大學土木建筑工程學院，錦州 121001；2.中國電建集團西北勘測設計研究院工程實驗監(jiān)測院，西安 710000）

可持續(xù)發(fā)展是指當前人類的生產、生活和創(chuàng) 造行為，不會對未來人類的生存需求產生影響。該模式早在1987年就被稱為世界的發(fā)展模式[1]。我國也自1972年開始開展生態(tài)環(huán)境保護工作[2]。近年來，隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展以及國家對新型城鎮(zhèn)化建設的大力推進，冶金廢渣、建筑垃圾等副產品的產量也在不斷攀增，而資源二次利用率卻只有10%左右，當前這些工業(yè)固體廢棄物的處理方式大多以堆放、填埋為主，不僅造成了土地資源緊張，也加劇了環(huán)境污染。在“十四五”規(guī)劃中提到，當前我國大宗工業(yè)固體廢棄物仍面臨產生強度高、利用不充分、綜合利用產品附加值低等嚴峻挑戰(zhàn)。關于工業(yè)固體廢棄物資源化利用的高質量途徑探索成為當前研究重點。

混凝土力學性能良好，具有耐久性、低成本、高剛性等諸多優(yōu)點，是土木工程中最廣泛使用的建筑材料。混凝土綠色化是可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護的重要環(huán)節(jié)。將各行業(yè)產生的固體廢棄物綜合應用于混凝土無疑屬綠色混凝土范疇[3]，這不僅響應了國家“十四五”規(guī)劃中關于該領域的主要目標，即：到2025年，大宗固體廢棄物的綜合利用能力顯著提升，利用規(guī)模不斷擴大，新增工業(yè)固體廢棄物綜合利用率達到60%，實現(xiàn)了資源的二次利用。還能降低混凝土制備的經濟成本，利于保護生態(tài)環(huán)境，產生經濟效益的同時也產生了生態(tài)效益。

通過歸納大量文獻研究，總結了眾多學者在該研究領域的工作進展和研究成果，總結了關于硅錳渣、粉煤灰和煤矸石這3種固體廢棄物的物理化學特性，然后從理化性質角度對工業(yè)固廢應用于混凝土制備中的可行性作出了一定的機理分析，并進一步討論了不同的摻量水平對混凝土抗壓強度的影響，系統(tǒng)性的針對工業(yè)固體廢棄物的再利用對混凝土的抗壓強度的影響研究現(xiàn)狀進行了綜述。

1 工業(yè)固體廢棄物的物理化學特性

1.1 硅錳渣

硅錳渣的結構疏松，外觀常為淺綠色，由一些形狀不規(guī)則的多孔非晶體粒組成[4]，顆粒密度在2.94cm3左右[5]。研究得出硅錳渣具有很強的抗?jié)窀?、凍融、溫度變化和化學腐蝕的能力[6]，且有與高爐爐渣相似的硅鈣性質，但其化學成分不同[7]，表1為硅錳渣的主要化學組成成分及含量，且可以看出硅錳渣的主要化學組成為SiO2和CaO，其次是Al2O3和MnO，其含量總和接近90%，由于硅錳渣中MnO含量較低，CaO比例較高,這使其可以替代水泥用于混凝土[8]。

表1 硅錳渣的主要化學成分組成

1.2 粉煤灰

粉煤灰由細小的粉狀顆粒組成，主要為球形、固體或中空，大部分為玻璃性質(無定形)，平均粒徑＜20μm[9]，比表面積在170m2/kg到1 000m2/kg之間，pH值在1.2到12.5之間[10]，質地很輕。粉煤灰主要組成成分中按照氧化物的含量由大到小依次為：SiO2＞Al2O3＞Fe2O3＞CaO＞MgO＞K2O[11]。根據(jù)CaO含量是否大于10%，粉煤灰被分為膠凝灰或者火山灰，具有火山灰性質的主要是F類（由燃燒無煙煤或煙煤所得，CaO含量一般低于10%）粉煤灰[12]，其中的SiO2與CaO水化釋放的Ca（OH）2反應生成CaO.SiO2.2H2O，使得F級粉煤灰替代部分水泥時可以降低水化熱，從而降低混凝土早期開裂的風險[13]，此特性使其在混凝土和其他建筑應用中可以替代水泥使用。

1.3 煤矸石

煤矸石（圖1a）是在煤成形過程中與煤共同沉積的有機化合物和無機化合物混合在一起的巖石，通常呈薄層，其外觀呈黑色或灰黑色，表面多粘附煤泥和細顆粒，呈疏松狀，片狀顆粒和孔隙較多，性能波動較大。煤矸石在一定溫度下經過長期堆放會發(fā)生自燃，形成自然煤矸石（圖1b），自然煤矸石堆積密度通常在900kg/m3—1 300kg/m3，且孔隙率高，含碳量低，具有一定的火山灰特性[14]。煤矸石與普通石子相比，由于其松散密度在1 100kg/m3左右，所以多用于制備輕骨料混凝土。

圖1 煤矸石圖片[15]

2 工業(yè)固體廢棄物對混凝土抗壓強度影響研究現(xiàn)狀

抗壓強度是指標準試件在壓力作用下直至破壞時的臨界值，單位面積所能承受的最大壓力，是混凝土基本力學性能之一，是開展其它性能試驗的前提條件。由于固體廢棄物的加入本身會使混凝土強度降低，而抗壓強度是固體廢棄物摻加量對強度損失最直觀的體現(xiàn)，只有當抗壓強度在規(guī)范要求范圍內，對其他力學性能及耐久性進行研究才有意義。通過實驗室試驗研究不同因素對混凝土抗壓強度的影響，從而也為實際工程中混凝土應用提供依據(jù)。

下文通過總結國內外學者對硅錳渣、粉煤灰、煤矸石摻量對混凝土抗壓強度的影響，總結出將其當做原材料時，用于混凝土制備的最佳摻量范圍。

2.1 硅錳渣對混凝土抗壓強度影響的研究

我國鋼鐵產量居世界首位，隨著鋼鐵產量的增加，工業(yè)環(huán)節(jié)所產生的廢棄物硅錳渣的產量也居高不下，如何對硅錳渣進行最佳資源化處理是我們一直探究的。國內外學者通過將硅錳渣篩分、磨細用做膠凝材料或輕骨料進行了研究，表2主要為不同學者將硅錳渣作原材料使用時對混凝土抗壓強度的影響進行的研究。

表2 國內外學者對硅錳渣的研究

當前對硅錳渣的研究多數(shù)以國外學者偏多，且其研究方向都比較分散或與其他材料一起使用[9]。從文章中可以看出硅錳渣最常用做的材料還是取代部分水泥,且用量都不超過40%，摻量為15%時一般為最佳摻量，強度降低可接受范圍摻量為30%[4，16，17]。

硅錳渣中高含量的SiO2和Al2O3，所表現(xiàn)出的火山灰特性使其可以取代膠凝材料用于混凝土[18]，但由于堿性氧化物的存在，這會抑制混凝土的強度發(fā)展，且硅錳渣由于其礦物學特性本身呈酸性，這也是限制其在混凝土中大量取代膠凝材料的原因之一。若可以通過一定的物理化學方法對硅錳渣進行一定的預處理便可以提高其在混凝土中的摻加量，提高硅錳渣的利用率。

2.2 粉煤灰對混凝土抗壓強度影響的研究

粉煤灰作為一種工業(yè)廢料，合理利用于混凝土不僅可以降低水泥的使用，增強經濟效益，而且對混凝土的后期強度還有一定的提高作用。粉煤灰部分取代水泥，對早期強度略有降低，對后期強度有一定提高作用主要是因為粉煤灰前期火山灰活性反映不充分，其膠凝性無法充分展現(xiàn)，而隨著時間的增長，粉煤灰中的SiO2和Al2O3與水泥反應生成的Ca（OH）2越來越多，使混凝土后期強度、不透水性都有一定程度的增加。隨著對粉煤灰研究的深入，其摻量已不僅限于規(guī)范中要求的30%，越來越多的研究開始側重大摻量（即其摻量超出規(guī)范要求的30%甚至全部取代）粉煤灰對混凝土的影響，粉煤灰大摻量應用于混凝土可以更大程度上解決粉煤灰的用量。粉煤灰在混凝土中的應用已成為研究重點，表3、表4分別介紹了國內外學者對將粉煤灰用于混凝土時對混凝土抗壓強度的影響研究。

表3 國內學者對粉煤灰的研究

表4 國外學者對粉煤灰的研究

通過不同學者對粉煤灰的研究可以看出當粉煤灰的摻量在10%—15%時，其力學性能表現(xiàn)最好[21，22]，當增大粉煤灰的摻量時，其前期性能降低明顯，但對后期強度有一定的提高作用[23-26]，原因除了SiO2和Al2O3與水泥發(fā)生化學反應生成了Ca（OH）2外，還因為粉煤灰中粒徑很小的微珠和碎屑在水泥中可以相當于未水化的水泥顆粒，極細小的微珠相當于活潑的納米材料，能明顯地改善和增強混凝土及制品的結構強度，提高勻質性和致密性[27-28]。

綜合學者們的研究可以看出粉煤灰摻量超過30%時性能開始出現(xiàn)明顯降低[30，32，33]，而在大摻量粉煤灰研究中有的學者得出當粉煤灰摻量60%時，水泥砂漿180天的抗壓強度可以達到標準水泥砂漿的95%，當研究大摻量粉煤灰時還可以通過堿激發(fā)等化學方法在一定程度上增加其強度，通過部分學者對大摻量粉煤灰的研究，可以看出混凝土后期強度的優(yōu)勢明顯優(yōu)于早期強度[34]，突出了研究大摻量粉煤灰時的研究重點，也為將粉煤灰大摻量用作混凝土膠凝材料提供了依據(jù)，這也可以更好地大批量處理粉煤灰。

2.3 煤矸石對混凝土抗壓強度影響的研究

冬季北方地區(qū)的供暖需要消耗大量煤炭，煤炭的開采與洗選必然會產生煤矸石，煤矸石的大量堆放不僅會占用土地，煤矸石的長期堆放會使硫化物溢出污染大氣，甚至長期堆放的煤矸石會發(fā)生自燃造成火災的發(fā)生。當前國內煤矸石的用途多為回收煤炭和黃鐵礦、用于發(fā)電、制造建筑材料等，但煤矸石的整體利用率仍然不高，為提高煤矸石的利用率，多數(shù)學者將煤矸石用作混凝土骨料，因為混凝土的易取材和使用普遍性，如果煤矸石在混凝土中合理應用，將會很大程度上降低煤矸石對堆放對環(huán)境和土地造成的污染。

表5 和表6分別為國內外學者將煤矸石單獨或者與其他材料混合作為混凝土原料對混凝土抗壓強度影響的研究。

表5 國內學者對煤矸石的實驗研究

表6 國外學者對煤矸石的實驗研究

通過上述研究可以看出單摻煤矸石的混凝土其摻量在30%以下性能影響最小，摻量超過30%會使混凝土強度降低明顯[36-39]，原因主要是煤矸石內部結構疏松多孔[40]，且煤矸石摻量過大會形成強砂漿包裹弱骨料的現(xiàn)象，充當粗骨料的煤矸石無法發(fā)揮其作用，致使混凝土強度降低。有的學者會在煤矸石混凝土的基礎上研究粉煤灰摻量對其性能的影響，這使粉煤灰與煤矸石可以共同消耗，大程度的增加固廢用量，在煤矸石混凝土基礎上摻加粉煤灰時，按其摻量不同，60天或90天抗壓強度能達到甚至超過未摻粉煤灰的煤矸石混凝土[41]。

這些研究多以自然煤矸石為研究對象，同樣得出當煤矸石摻量不大時，可以使混凝土抗壓強度滿足規(guī)范要求[42，43]，但當煤矸石摻量超過30%時，抗壓強度出現(xiàn)明顯降低[44]，這是因為自然煤矸石較原狀煤矸石來說含碳量低，且火山灰特性增強，使其與水泥界面的結合得以改善，所以在強度變化上自然煤矸石普遍優(yōu)于原狀煤矸石[45]。也有的學者得出當自然煤矸石100%取代粗骨料時，混凝土強度較基準強度降低19.4%[46]。

煤矸石自身疏松多孔，吸水率大是降低混凝土強度的主要原因，且煤矸石自身強度劣于天然骨料的強度，這導致其在混凝土中的摻加量不宜過高，避免引起過多的強度損失；其煤矸石本身的不穩(wěn)定性會使混凝土產生裂縫，這也是在研究和實際應用中應高度重視的問題，在實驗室實際應用煤矸石時常用高溫煅燒等方法除去一些表面雜質，盡量減小其對強度損失的影響。

3 結語

1）通過對各種固體廢棄物的物理化學特性總結得出，將其摻入混凝土取代部分原材料具有一定的可行性。

2）通過分析其各自的摻量對混凝土抗壓強度的影響得出，通過控制其摻量可使取代部分骨料后的混凝土達到標準抗壓強度的要求。

3）通過固體廢棄物綜合應用于混凝土大大降低了工業(yè)廢棄物的堆放對環(huán)境造成的危害，響應了可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護的號召，降低了混凝土的生產成本，有利于提高企業(yè)和社會的經濟效益。

4）硅錳渣、煤矸石、粉煤灰各自作為一種工業(yè)廢棄物應用于混凝土有一定的可行性與合理性，但其摻量也局限在某一定量，如何大宗化的利用工業(yè)固體廢棄物，將其綜合應用于混凝土以及對混凝土性能的影響值得我們繼續(xù)探究。