固体废弃物在水泥中的应用

王 静

(霍州煤电集团云厦勘探试验有限责任公司,山西 霍州 031400)

固体废弃物在水泥中的应用

王 静

(霍州煤电集团云厦勘探试验有限责任公司,山西 霍州 031400)

固体废弃物(固废)是人类在工业生产、日常生活中产生的固态、半固态废弃物质，对土壤、水资源、大气环境造成了严重的危害。然而，目前技术水平低下，综合利用意识低导致了固废循环利用率较低等问题。研究了钢渣、粉煤灰、赤泥等固体废弃物作为掺合料在水泥熟料中的应用，从多个角度研究了掺加固废后的水泥性能，为固废资源化应用提供了有效途径。

固体废弃物，水泥，资源化应用

1 固体废弃物及其危害

人类在生产、生活中产生的固态、半固态废弃物质，即“垃圾”就是固体废弃物，主要包括了固态的炉渣、污泥，以及废酸碱、有机溶剂等高浓度液体，固废对人类社会、环境的危害有很多方面，其中主要表现为大量固废占用了宝贵的土地资源，并对环境造成了很大的影响。

由于固体废弃物常常采用露天堆存，所以在处理过程中需占用大量土地。我国每年排放的城市垃圾以3%～5%的速度侵吞土地，这部分垃圾废弃物未经处理，会影响到自然环境以及城市卫生，对人类的生存条件及健康造成威胁。部分有毒废弃物通过自然循环作用，其毒性物质会渗入土壤，破坏土壤的腐解能力；部分固废颗粒随水循环进入水体，导致地下水受到严重的污染，造成不可逆转的破坏；固废微粒可漂浮于空气中，造成能见度降低，北方形成雾霾的部分原因就是由于微粒进入大气导致的。环境修复是一项长期的工作，其修复和处理需要花费很大的代价，也会对经济造成一定程度的影响[1]。目前，我国的固废利用率较低，技术水平低下，综合利用意识差，使得一部分可回收资源并未发挥应有的作用，成为废弃物污染环境。

2 固体废弃物在水泥中的应用

我国是世界上水泥用量最大的国家，随着一带一路的持续推进，我国的基础设施建设在沿线各国相继启动，近年来我国的水泥产量、使用量和使用范围常年位居世界首位。水泥在生产过程中消耗了大量的粘土、石灰石等资源，如何使用较高掺量的固体废弃物，使水泥在生产过程中的能耗降低，并利用各类固体废弃物的特有属性，提高水泥熟料的耐久性、抗腐蚀性等问题就成为了目前亟待解决的问题。目前，钢渣、粉煤灰、赤泥等固体废弃物已经作为水泥熟料中的掺合料被研究和开发，其中部分产品已经被大量的应用在水泥生产中。

Craighill[2]研究了英国拆建废弃物生命周期的环境影响，表明填埋对环境的影响最大，处理再利用对环境影响稍小，直接利用对环境的影响最小。龚志起等[3]研究了生命周期评价方法，表明再生骨料替代利用对环境的影响最小。孙楠楠[4]构建了再生混凝土生产过程中碳排放—运距关系模型，提出再生混凝土工厂与搅拌站之间的临界运输距离为40 km。

2.1 钢渣在水泥中的应用

钢渣是炼钢工业中产生的废渣，目前在我国的综合利用率仅为10%～20%，大量的钢渣不能及时处理，造成了土地资源的占用以及环境的污染。钢渣中含有大量的CaO,FeO和MgO等可利用成分[5]，所以如何激发钢渣的活性，并应用到水泥制品中是学者研究的焦点问题之一。

目前采用粉磨方式对钢渣进行活性激发的研究已经取得了一定的进展，部分学者对单独粉磨钢渣作为混凝土掺和料的性质进行了研究[6]。但钢渣微粉的应用相对较差，其主要原因是由于钢渣仅仅具有潜在的水硬性，但材料产生强度较慢，水化反应过程较长，且钢渣产品的强度受到限制，表现为混凝土早期强度偏低。唐卫军[7]研究了不同掺量、不同细度的钢渣微粉替代50%水泥的活性指数和流动度比。研究发现，随着钢渣细度的增加，流动度比有所提高；对钢渣微粉活性进行化学激发发现，碱激发效果明显优于酸性激发剂；掺加20%～80%的混凝土早期抗压强度可显著提高。

2.2 粉煤灰在水泥中的应用

粉煤灰是煤燃烧后烟气中的细灰，是燃煤电厂排出的固体废物。随着我国电力工业的快速发展，粉煤灰的排放量也逐年增加。粉煤灰排放产生的扬尘会污染大气，也会对人体健康造成不同程度的影响。粉煤灰中含有未完全燃烧的碳，代替粘土可降低煅烧生料时的能耗，且粉煤灰中的硅含量越高，粘土替代率也可以相应的提升。粉煤灰本身含有活性物质SiO2,Al2O3,f-CaO和CaSO4，可增强水泥的早强性。

栾晓风等[8]采用XRD对NaOH,Na2SO4和Na3PO4·12H2O激发粉煤灰水泥中粉煤灰的活性效果进行了研究，表明3种钠盐皆能激发粉煤灰活性，NaOH可提升水泥3 d，28 d抗压强度6.8%，7.7%，Na2SO4对水泥3 d抗压强度提升可达18.2%，Na3PO4·12H2O对水泥的28 d抗压强度提高了17.7%，XRD显示钠盐在不同程度上促进了水泥的水化，激发了粉煤灰的潜在活性。陈琳等[9]研究了不同细度、不同掺量的粉煤灰对粉煤灰—矿渣—水泥复合材料强度的影响，表明矿渣越细，复合材料的强度越高，当粉煤灰和矿渣总掺量为50%时，可配置出52.5R复合水泥。

2.3 赤泥在水泥中的应用

赤泥是制铝工业在生产氧化铝过程中产生的固体废弃物，按氧化铝生产方法不同，分为烧结法赤泥和拜尔法赤泥[10]。使用烧结法工艺，首先要将铝土矿和石灰石混合，经高温锻烧、冷却、熟料粉化等流程，最终经过锻烧成为氧化铝。在生产过程中掺入了大量石灰石，杂质中的硅酸二钙、水合氧化铁、方解石等矿物以赤泥的形式排放。烧结法赤泥中含有大量的硅酸二钙，在生产水泥的过程中可作为原料掺入，节省了大量的资源，在节能减排方面具有重大的意义。拜耳法赤泥的主要成分为水化石榴石、铝硅酸钠、一水硬铝石、氢氧化钙等胶凝性质较差的物质，与烧结法赤泥的成分不同，只能部分替代粘土。彭小芹等[11]研究了赤泥对碱矿渣水泥固化体(AASS)以及硅酸盐水泥固化体(PCS)在力学性能方面的影响，表明赤泥掺量为10%时，PCS和AASS的力学性能会有所提升，但随着赤泥的增加，固化体的力学性能会逐渐降低，表明赤泥用于AASS具有可行性。祝丽萍等[12]研究了以赤泥为主要胶凝组分的全尾砂胶结充填材料，研究表明材料强度比水泥制备的充填料试块要好，在满足矿山充填要求的同时，其流动性、保水性及成本都优于水泥胶结充填材料，使用XRD和SEM研究表明矿物水化反应生成了大量的AFt,AFm，使胶结体系的结构致密性增强。

3 结语

固体废弃物是人类在生产、生活中产生的固态、半固态废弃物质，占用了宝贵的土地资源，并对环境造成了很大的影响。固体废弃物未经处理，会严重影响到自然环境以及城市卫生，对人类的生存条件及健康造成威胁。我国的固废利用率较低，技术水平低下，综合利用意识差，使得一部分可回收资源并未发挥应有的作用，成为废弃物污染环境。

我国水泥产量和使用量常年位居世界首位，如何使用较高掺量的固体废弃物，使水泥在生产过程中的能耗降低成为目前亟待解决的问题。使用碱激发钢渣掺入水泥中，其流动度比有所提高，且掺加20%～80%的混凝土早期抗压强度可显著提高。使用NaOH,Na2SO4和Na3PO4·12H2O激发粉煤灰水泥中粉煤灰的活性效果表明，NaOH可提升水泥3 d，28 d的抗压强度，Na2SO4可大幅提升水泥3 d抗压强度，Na3PO4·12H2O可提升水泥28 d抗压强度。当赤泥掺量为10%时，碱矿渣水泥固化体和硅酸盐水泥固化体的力学性能会有所提升。所以，钢渣、粉煤灰、赤泥等固体废弃物已经作为水泥熟料中的掺合料被广泛研究，但还需对其进行深入的分析和应用，从而使固体废弃物得到更深层次的开发。

[1] 武 强,刘宏磊,陈 奇，等.矿山环境修复治理模式理论与实践[J].煤炭学报,2017,42(5):1085-1092.

[2] Craighill A,Powell J C.A lifecycle assessment and evaluation of construction and demolition waste[J].Addiction,1999,63(3-4):279-280.

[3] 龚志起,丁 锐,陈柏昆.废弃混凝土处理方式的环境影响比较[J].工程管理学报,2011,25(3):266-270.

[4] 孙楠楠.运输及碳化对RAC生命周期碳排放的影响研究[D].杭州：浙江大学,2014.

[5] 张朝晖,廖杰龙,巨建涛，等.钢渣处理工艺与国内外钢渣利用技术[J].钢铁研究学报,2013,25(7):1-4.

[6] 赵三银,李伟升,林永权，等.转炉钢渣粉磨动力学的实验研究[J].水泥工程,2006(2):5-8.

[7] 唐卫军.钢渣矿渣复合微粉对水泥和混凝土性能影响的实验研究[D].北京：中国地质大学(北京),2009.

[8] 栾晓风,潘志华,王冬冬.粉煤灰水泥体系中粉煤灰活性的化学激发[J].硅酸盐通报,2010,29(4):757-761.

[9] 陈 琳,潘如意,沈晓冬，等.粉煤灰—矿渣—水泥复合胶凝材料强度和水化性能[J].建筑材料学报,2010,13(3):380-384.

[10] 南相莉,张廷安,刘 燕，等.我国赤泥综合利用分析[J].过程工程学报,2010,10(S1):264-270.

[11] 彭小芹,张 祺,李晓盼，等.赤泥对水泥固化体性能的影响[J].硅酸盐通报,2015,34(4):1100-1104.

[12] 祝丽萍,倪 文,张旭芳，等.赤泥—矿渣—水泥基全尾砂胶结充填料的性能与微观结构[J].北京科技大学学报,2010,32(7):838-842.

Applicationofsolidwasteincement

WangJing

(HuozhouCoalElectricityGroupYunshaExplorationTestCo.,Ltd,Huozhou031400,China)

Solid wastes, including solid and semi-solid wastes, are generated by human beings during industrial production and daily life, which seriously harms the soil resource, the water resource and the atmospheric environment. However, the waste currently has rather low cyclic utilization level because low technical ability and poor comprehensive awareness. In order to reutilize the solid waste such as steel slag, fly ash and red mud, the waste as cement admixtures is mixed into cement clinker. The performance of the cement mixture was studied in terms of its research from multiple perspectives, which has significant meaning for solid waste reutilization.

solid waste, cement, resource utilization

2017-10-07

王 静(1989- )，女，助理工程师

1009-6825(2017)35-0115-02

X705

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