陸智斐

（上海海洋大學(xué)后勤與基建管理處,上海201306）

混凝土材料在建筑材料中因其耐火性、易成型和結(jié)構(gòu)完整性被廣泛使用。由于舊建筑的拆除及各種原因產(chǎn)生的建筑廢料也在不斷增加,造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題[1-3]。近幾年,綠色可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)低碳戰(zhàn)略理念不斷開展與實(shí)踐,這更需要對(duì)建筑廢棄材料進(jìn)行最大限度與效率的再利用來(lái)貫徹綠色建設(shè)發(fā)展模式。因此,將固廢材料進(jìn)行再利用十分必要[4-7]。本文將從固廢新材料再利用的角度進(jìn)行分析,探討其對(duì)混凝土材料性能的影響、所存在的問(wèn)題及未來(lái)發(fā)展方向。

1 混凝土材料

1.1 混凝土材料的歷史

混凝土材料在早期的生產(chǎn)生活中已經(jīng)出現(xiàn)雛形[8]。通過(guò)利用泥狀的火燒土加入到房基與墻體中間,在硬化后成為填充材料,這與現(xiàn)代混凝土材料十分相似[9-10]?；炷恋南嚓P(guān)研究理論基礎(chǔ)也逐步在完善?，F(xiàn)如今一般混凝土主要為水泥、粗骨料、細(xì)骨料、外加劑和水經(jīng)過(guò)攪拌、混合、硬化后所得到的。

1.2 混凝土材料的技術(shù)性質(zhì)

混凝土中主要技術(shù)性質(zhì)為和易性、強(qiáng)度、變形、耐久性等。

和易性指的是在攪拌混凝土?xí)r所使用到的拌合物的稠度、流動(dòng)性、可塑性、抗分層離析泌水的性能及易抹面性等。混凝土材料的強(qiáng)度即為混凝土硬化后的力學(xué)性能,包括了抗壓、抗拉、抗剪、抗彎、抗折等一系列性能。一般將混凝土在標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度下所展現(xiàn)的不同強(qiáng)度進(jìn)行分類,可分為C10～C100共19個(gè)等級(jí)。

變形指的是混凝土在負(fù)荷狀態(tài)與非負(fù)荷作用下的變形情況。主要為彈性變形、塑性變形、化學(xué)收縮、干濕變形、溫度變形等。

對(duì)于混凝土材料的耐久性,指的是在長(zhǎng)期受到外界和內(nèi)部各類因素綜合影響下,混凝土是否可以保留原本強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的能力,主要為抗凍性、抗?jié)B性、抗蝕性及抗碳化能力等。

2 不同固廢新材料在混凝土材料中的再利用

現(xiàn)代建筑中大多也都由混凝土所構(gòu)造,如樓宇、道路、高鐵等,80%以上的構(gòu)建材料均為混凝土?；炷廉a(chǎn)業(yè)中涉及了多種資源的充分利用,如摻合料、砂和石的選擇。在骨料、摻合料、水泥中均可使用固體廢物。每方預(yù)拌混凝土中可以含有20%的建筑垃圾與3%的粉煤灰。

通過(guò)對(duì)比普通混凝土和利用再生骨料制備的混凝土（RCA）的性能不同,主要與其表面吸附的疏松多孔的老砂漿有關(guān)。RCA所自帶的“舊粗骨料-老漿砂”界面在與水泥、砂、水進(jìn)行混合所制備出RCA時(shí),將會(huì)與新漿砂產(chǎn)生許多界面過(guò)渡區(qū)。如圖1所示,天然粗骨料僅存在一種界面過(guò)渡區(qū)（ITZ1,天然粗骨料與新砂漿）；舊粗骨料與天然粗骨料混合時(shí)除了ITZ1,還同時(shí)存在三個(gè)界面過(guò)渡區(qū)（ITZ2,舊粗骨料與新漿砂；ITZ3,老漿砂與新漿砂；ITZ4,舊粗骨料與老漿砂）；舊粗骨料存在ITZ2、ITZ3、ITZ4三個(gè)界面過(guò)渡區(qū)。

圖1 不同混凝土內(nèi)部界面過(guò)渡區(qū)圖Fig. 1 Map of the transition zone at the internal interface of different concretes

2.1 粉煤灰

粉煤灰是來(lái)源于生活垃圾與煤的焚燒所產(chǎn)生的細(xì)微固體顆粒物。大量研究表明,摻雜粉煤灰的混凝土其長(zhǎng)期性能可有效改善,有利于延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物的使用壽命。對(duì)比如今混凝土中的硅酸鹽水泥材料,它同樣是經(jīng)過(guò)了煅燒過(guò)程。在升級(jí)低質(zhì)量交通公路與地方道路時(shí),可考慮使用粉煤灰替代水泥,不僅增強(qiáng)混凝土材料強(qiáng)度還可以降低成本。

從微觀形貌上來(lái)看,粉煤灰這類微米級(jí)材料在改善混凝土材料性能時(shí),發(fā)揮著三種效應(yīng)。首先是形態(tài)效應(yīng),指粉煤灰顆粒形貌、粗細(xì)、表面粗糙程度等特征在混凝土中的效應(yīng)。粉煤灰顆粒光滑,可以起到滾珠的作用。其次是微集料效應(yīng),表現(xiàn)為填充效應(yīng)和界面效應(yīng)。微細(xì)的粉煤灰顆粒能夠均勻填充于骨料顆粒的空隙之中,阻止水泥顆粒間的團(tuán)聚。最后是火山灰效應(yīng),粉煤灰的潛在活性可與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠、水化鋁酸鈣凝膠等,并填充于毛細(xì)孔隙內(nèi)。粉煤灰摻雜的混凝土不僅可以改善強(qiáng)度,還存在另一大優(yōu)勢(shì),即耐久性能。由于粉煤灰是高溫下形成的,其化學(xué)性能穩(wěn)定。粉煤灰可以明顯地降低水化溫升,降低了混凝土材料在初期容易出現(xiàn)開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 混合砂

細(xì)集料是混凝土材料中的重要成分,它的性能將會(huì)對(duì)拌合物的工作性和硬化混凝土的力學(xué)性能、耐久性產(chǎn)生較大影響。如今,天然粗砂的過(guò)度開采造成了環(huán)境破壞和資源緊缺,這與可持續(xù)發(fā)展道路相違。通過(guò)利用已有資源開發(fā)出天然砂的替代品十分重要。因此,機(jī)制砂與混合砂應(yīng)運(yùn)而生。

機(jī)制砂是利用廢棄尾礦資源進(jìn)行再利用,經(jīng)由初步破碎、進(jìn)一步細(xì)破碎后,篩選出成品砂用于混凝土材料中。根據(jù)客戶對(duì)于不同工藝的要求,可制備出符合國(guó)家建筑砂標(biāo)準(zhǔn)、粒徑均勻、級(jí)配合理的不同粒徑（＜4.75mm）機(jī)制砂。另一方面,在機(jī)制砂的生產(chǎn)加工會(huì)產(chǎn)生一定的副產(chǎn)物石粉,它的粒徑小于0.075mm,是細(xì)微級(jí)配,含有雜質(zhì)較少。在凝膠體系中,石灰石粉的加入可以提高材料早期水化速率、增加混凝凝土的收縮性,但是石粉的惰性使得凝膠體系的活性較低和混凝土中有效漿體占比降低,造成早期強(qiáng)度下降。

特細(xì)砂指粒徑在0.25mm或是細(xì)度目數(shù)在1.5以下的砂材料。它在小粒徑范圍的細(xì)骨料填充成分中較為適用,但在實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)特細(xì)砂對(duì)于流動(dòng)性要求較高的商品混凝土材料并不適用。只有在低流動(dòng)性混凝土材料或是干硬性混凝土中才會(huì)發(fā)揮出本身的作用。這是由于特細(xì)砂的比表面積較大,對(duì)于水泥用量與用水量要求高。若條件不足,容易在混凝土硬化成型后導(dǎo)致收縮裂縫等質(zhì)量問(wèn)題,造成混凝土強(qiáng)度不穩(wěn)定并下降。

2.3 礦渣

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,會(huì)產(chǎn)生大量的粉煤灰、礦渣、硅粉等工業(yè)廢材。而這些材料與水泥的某些性質(zhì)相似,它們之間可以相互取代來(lái)制備性能更優(yōu)的混凝土材料。減小水泥用量、加大對(duì)廢渣的再利用對(duì)于可持續(xù)發(fā)展有積極作用。礦渣微粉是將煉鐵過(guò)程中產(chǎn)生的水淬廢料通過(guò)整合后得到的不同粒徑范圍粉末材料,礦渣微粉的化學(xué)成分主要為CaO、SiO2和Al2O3,此外還含有少量的MgO等過(guò)渡金屬氧化物。高含量的CaO、Al2O3、MgO與低含量的SiO2、MnO有利于礦渣微粉的活性。

我國(guó)對(duì)于礦渣微粉的研究始于上世紀(jì)90年代,并在1999年制定了《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》規(guī)程。研究表明,礦渣粉末在于混凝土攪拌后40～70 min時(shí)泌水量最大,隨著粉末比例增加,泌水量也隨之增大。當(dāng)比例為60%時(shí),混凝土材料總泌水量為不摻粉末混凝土的兩倍以上；而初凝和終凝時(shí)間分別延長(zhǎng)了1.5h和6h,礦渣含量對(duì)混凝土性能影響見表1。另一方面,礦粉的加入可以有效降低混凝土材料水化初期的水化熱,使抗Cl-滲透性明顯提高。對(duì)于較大摻雜量的礦渣微粉混凝土工作性能良好,甚至力學(xué)性能較普通混凝土更好。

表1 不同礦渣粉含量對(duì)于混凝土性能影響Table 1 Effect of different slag powder content on concrete properties

2.4 鋼渣

鋼渣為鋼鐵行業(yè)在生產(chǎn)中產(chǎn)生的固體廢物,其產(chǎn)量大、種類多、利用率低、潛在價(jià)值大,具有資源再利用價(jià)值。煉鋼的目的是利用氧氣去除爐料中含有的C、Si、Mn等元素。而鋼渣主要來(lái)源于煉鐵原料中所含雜元素被剝離后的氧化物?；瘜W(xué)成分取決于不同工藝與原料,范圍較為波動(dòng),主要是CaO、SiO2、Al2O3、MgO等。按照活性可分為活性類（硅酸鈣、鋁酸鈣和鐵鋁酸鈣）與非活性類（氧化鎂、氧化亞鐵、氧化錳等）。

鋼渣中含有3CaO·SiO2與2CaO·SiO2,因此可以通過(guò)工藝加大鋼渣潛在的活性。目前大多是通過(guò)提高比表面積來(lái)制造鋼渣水泥。其中,鋼渣占主要比例,在摻合料與石膏的輔助下生產(chǎn)混凝土材料。這類混凝土材料后期強(qiáng)度高,在耐受性等方面十分優(yōu)異,十分適合作為大壩水泥。另外,鋼渣微粉也是一種很好的摻合料,可以替代部分水泥。加入鋼渣粉末后可以減小用水量、提升混凝土材料的流動(dòng)性；由于鋼渣本身的硬度大與耐磨性,摻雜鋼渣粉末的混凝土耐磨抗壓能力也會(huì)相應(yīng)增大。

3 外摻雜材料混凝土所存在的問(wèn)題

數(shù)據(jù)顯示,2015年我國(guó)的工業(yè)廢棄物總量約為40億噸,綜合利用量接近一半,相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家仍較低,特別是尾礦、赤泥等大宗工業(yè)廢料。目前廢料的綜合利用任務(wù)依然嚴(yán)峻。混凝土雖然是最大的、承接著固廢材料再利用的重要主力,但是這些廢棄物的利用率仍處于較低水平。作為超越水泥成為最大產(chǎn)業(yè),混凝土材料對(duì)于固廢材料的應(yīng)用技術(shù)和工藝還需提高。首先是針對(duì)廢混凝土、廢磚、建筑渣土等建筑垃圾,在分類與再生、資源利用等關(guān)鍵技術(shù)需要提高。其次是技術(shù)重點(diǎn),固體廢棄物的產(chǎn)生是不可避免的,但是它們的分類回收和前處理對(duì)系統(tǒng)再利用將起到非常大的作用。如構(gòu)建成套的回收、再生和利用管理體系,對(duì)于后續(xù)的再利用具有重要意義。最后便是產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)以及施工規(guī)范需要統(tǒng)一。

4 結(jié)語(yǔ)

混凝土產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展為工業(yè)固廢綜合利用實(shí)現(xiàn)大規(guī)模消納提供了一條重要途徑。水泥混凝土作為人類使用量最大的人工材料,在我國(guó)已成為消納固體廢棄物的主要行業(yè)。近年來(lái),混凝土材料在固體廢棄物的利用方面已取得較好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益,為節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式作出了重要貢獻(xiàn)。今后,混凝土產(chǎn)業(yè)還將在工業(yè)固廢綜合利用方面擔(dān)當(dāng)和肩負(fù)起更多的新責(zé)任與新使命。