工業(yè)廢渣做細(xì)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(jì)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(jì)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(jì)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(biāo)號的水泥，特別是近年來一些工廠還在水泥中摻入少量細(xì)磨石灰石，提高了水泥的強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)、高耐久性，即高性能方向發(fā)展。在今后工程標(biāo)準(zhǔn)不斷提高的形勢下，一些摻混合材的低標(biāo)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(qiáng)度與性能為代價的，在某種程度上說摻混合材的低標(biāo)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(yuǎn)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(dāng)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(xì)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(dá)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(hù)。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(dá)6萬億美元。而其后每年用于維修和重建費用將高達(dá)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(jī)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(fēng)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(biāo)準(zhǔn)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?，必須進(jìn)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(dāng)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(rèn)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(jì)效益和社會效益。

　　2.2　細(xì)磨摻合料在混凝土中的作用及作用機(jī)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(dāng)今混凝土的組分發(fā)展到水泥、水、集料、外加劑和細(xì)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(dāng)重要的作用。這些摻合料大多是以工業(yè)廢渣經(jīng)過超細(xì)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(xì)磨摻合料不僅能夠代替較多的熟料，并且不降低強(qiáng)度，還能夠改善混凝土的某些性能，尤其90天以后強(qiáng)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(xì)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(xì)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(biāo)號或混凝土強(qiáng)度

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

　　改善混凝土的耐久性在混凝土中摻入細(xì)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(biāo)，并能有效地防止混凝土中的堿骨料反應(yīng)。

　　促進(jìn)環(huán)境保護(hù)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(jìn)環(huán)境保護(hù)意義重大。

　　降低成本、節(jié)約能源粉煤灰、礦渣等的成本都遠(yuǎn)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(xì)磨摻合料之后，混凝土的強(qiáng)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(xì)磨摻合料后，微細(xì)粉在水化過程中能起晶核作用，促進(jìn)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(qiáng)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(xì)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(jìn)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(qiáng)度達(dá)C30，1年強(qiáng)度達(dá)C50。

　　特別重要的是當(dāng)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(dāng)，而抗?jié)B系數(shù)達(dá)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(dāng)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(qiáng)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(qiáng)度增長較多，為28天的146～240％，而未摻粉煤灰者強(qiáng)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(kuò)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(kuò)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(qiáng)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(qiáng)取代，即取代后膠凝材料摻量由28天強(qiáng)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(xì)過程中得到機(jī)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(yán)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(xì)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(dá)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(dá)到國際先進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(jìn)國家水泥混凝土發(fā)展的經(jīng)驗，對我國如何發(fā)展細(xì)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(biāo)號水泥或高性能水泥的比重

　　用低標(biāo)號水泥配制相同標(biāo)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(biāo)號。而生產(chǎn)這些低標(biāo)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(dāng)增加高標(biāo)號水泥的比重或生產(chǎn)帶有細(xì)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(biāo)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(xì)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(jì)利益，則將對這一工作會有很大的促進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(dāng)?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(jì)效益，同時也是建材工業(yè)對保護(hù)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(xiàn)。

　　3.5　提高認(rèn)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(biāo)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(jì)發(fā)展戰(zhàn)略。水泥生產(chǎn)者要增強(qiáng)質(zhì)量意識，深刻認(rèn)識水泥質(zhì)量的含義不僅僅指強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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。