土木固废新材料在混凝土中的循环利用

陆智斐

（上海海洋大学后勤与基建管理处,上海201306）

混凝土材料在建筑材料中因其耐火性、易成型和结构完整性被广泛使用。由于旧建筑的拆除及各种原因产生的建筑废料也在不断增加,造成严重的环境污染问题[1-3]。近几年,绿色可持续发展的生态低碳战略理念不断开展与实践,这更需要对建筑废弃材料进行最大限度与效率的再利用来贯彻绿色建设发展模式。因此,将固废材料进行再利用十分必要[4-7]。本文将从固废新材料再利用的角度进行分析,探讨其对混凝土材料性能的影响、所存在的问题及未来发展方向。

1 混凝土材料

1.1 混凝土材料的历史

混凝土材料在早期的生产生活中已经出现雏形[8]。通过利用泥状的火烧土加入到房基与墙体中间,在硬化后成为填充材料,这与现代混凝土材料十分相似[9-10]。混凝土的相关研究理论基础也逐步在完善。现如今一般混凝土主要为水泥、粗骨料、细骨料、外加剂和水经过搅拌、混合、硬化后所得到的。

1.2 混凝土材料的技术性质

混凝土中主要技术性质为和易性、强度、变形、耐久性等。

和易性指的是在搅拌混凝土时所使用到的拌合物的稠度、流动性、可塑性、抗分层离析泌水的性能及易抹面性等。混凝土材料的强度即为混凝土硬化后的力学性能,包括了抗压、抗拉、抗剪、抗弯、抗折等一系列性能。一般将混凝土在标准抗压强度下所展现的不同强度进行分类,可分为C10～C100共19个等级。

变形指的是混凝土在负荷状态与非负荷作用下的变形情况。主要为弹性变形、塑性变形、化学收缩、干湿变形、温度变形等。

对于混凝土材料的耐久性,指的是在长期受到外界和内部各类因素综合影响下,混凝土是否可以保留原本强度和结构的能力,主要为抗冻性、抗渗性、抗蚀性及抗碳化能力等。

2 不同固废新材料在混凝土材料中的再利用

现代建筑中大多也都由混凝土所构造,如楼宇、道路、高铁等,80%以上的构建材料均为混凝土。混凝土产业中涉及了多种资源的充分利用,如掺合料、砂和石的选择。在骨料、掺合料、水泥中均可使用固体废物。每方预拌混凝土中可以含有20%的建筑垃圾与3%的粉煤灰。

通过对比普通混凝土和利用再生骨料制备的混凝土（RCA）的性能不同,主要与其表面吸附的疏松多孔的老砂浆有关。RCA所自带的“旧粗骨料-老浆砂”界面在与水泥、砂、水进行混合所制备出RCA时,将会与新浆砂产生许多界面过渡区。如图1所示,天然粗骨料仅存在一种界面过渡区（ITZ1,天然粗骨料与新砂浆）；旧粗骨料与天然粗骨料混合时除了ITZ1,还同时存在三个界面过渡区（ITZ2,旧粗骨料与新浆砂；ITZ3,老浆砂与新浆砂；ITZ4,旧粗骨料与老浆砂）；旧粗骨料存在ITZ2、ITZ3、ITZ4三个界面过渡区。

图1 不同混凝土内部界面过渡区图Fig. 1 Map of the transition zone at the internal interface of different concretes

2.1 粉煤灰

粉煤灰是来源于生活垃圾与煤的焚烧所产生的细微固体颗粒物。大量研究表明,掺杂粉煤灰的混凝土其长期性能可有效改善,有利于延长结构物的使用寿命。对比如今混凝土中的硅酸盐水泥材料,它同样是经过了煅烧过程。在升级低质量交通公路与地方道路时,可考虑使用粉煤灰替代水泥,不仅增强混凝土材料强度还可以降低成本。

从微观形貌上来看,粉煤灰这类微米级材料在改善混凝土材料性能时,发挥着三种效应。首先是形态效应,指粉煤灰颗粒形貌、粗细、表面粗糙程度等特征在混凝土中的效应。粉煤灰颗粒光滑,可以起到滚珠的作用。其次是微集料效应,表现为填充效应和界面效应。微细的粉煤灰颗粒能够均匀填充于骨料颗粒的空隙之中,阻止水泥颗粒间的团聚。最后是火山灰效应,粉煤灰的潜在活性可与水泥水化产生的Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙凝胶、水化铝酸钙凝胶等,并填充于毛细孔隙内。粉煤灰掺杂的混凝土不仅可以改善强度,还存在另一大优势,即耐久性能。由于粉煤灰是高温下形成的,其化学性能稳定。粉煤灰可以明显地降低水化温升,降低了混凝土材料在初期容易出现开裂的风险。

2.2 混合砂

细集料是混凝土材料中的重要成分,它的性能将会对拌合物的工作性和硬化混凝土的力学性能、耐久性产生较大影响。如今,天然粗砂的过度开采造成了环境破坏和资源紧缺,这与可持续发展道路相违。通过利用已有资源开发出天然砂的替代品十分重要。因此,机制砂与混合砂应运而生。

机制砂是利用废弃尾矿资源进行再利用,经由初步破碎、进一步细破碎后,筛选出成品砂用于混凝土材料中。根据客户对于不同工艺的要求,可制备出符合国家建筑砂标准、粒径均匀、级配合理的不同粒径（＜4.75mm）机制砂。另一方面,在机制砂的生产加工会产生一定的副产物石粉,它的粒径小于0.075mm,是细微级配,含有杂质较少。在凝胶体系中,石灰石粉的加入可以提高材料早期水化速率、增加混凝凝土的收缩性,但是石粉的惰性使得凝胶体系的活性较低和混凝土中有效浆体占比降低,造成早期强度下降。

特细砂指粒径在0.25mm或是细度目数在1.5以下的砂材料。它在小粒径范围的细骨料填充成分中较为适用,但在实际工程中发现特细砂对于流动性要求较高的商品混凝土材料并不适用。只有在低流动性混凝土材料或是干硬性混凝土中才会发挥出本身的作用。这是由于特细砂的比表面积较大,对于水泥用量与用水量要求高。若条件不足,容易在混凝土硬化成型后导致收缩裂缝等质量问题,造成混凝土强度不稳定并下降。

2.3 矿渣

在工业生产过程中,会产生大量的粉煤灰、矿渣、硅粉等工业废材。而这些材料与水泥的某些性质相似,它们之间可以相互取代来制备性能更优的混凝土材料。减小水泥用量、加大对废渣的再利用对于可持续发展有积极作用。矿渣微粉是将炼铁过程中产生的水淬废料通过整合后得到的不同粒径范围粉末材料,矿渣微粉的化学成分主要为CaO、SiO2和Al2O3,此外还含有少量的MgO等过渡金属氧化物。高含量的CaO、Al2O3、MgO与低含量的SiO2、MnO有利于矿渣微粉的活性。

我国对于矿渣微粉的研究始于上世纪90年代,并在1999年制定了《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》规程。研究表明,矿渣粉末在于混凝土搅拌后40～70 min时泌水量最大,随着粉末比例增加,泌水量也随之增大。当比例为60%时,混凝土材料总泌水量为不掺粉末混凝土的两倍以上；而初凝和终凝时间分别延长了1.5h和6h,矿渣含量对混凝土性能影响见表1。另一方面,矿粉的加入可以有效降低混凝土材料水化初期的水化热,使抗Cl-渗透性明显提高。对于较大掺杂量的矿渣微粉混凝土工作性能良好,甚至力学性能较普通混凝土更好。

表1 不同矿渣粉含量对于混凝土性能影响Table 1 Effect of different slag powder content on concrete properties

2.4 钢渣

钢渣为钢铁行业在生产中产生的固体废物,其产量大、种类多、利用率低、潜在价值大,具有资源再利用价值。炼钢的目的是利用氧气去除炉料中含有的C、Si、Mn等元素。而钢渣主要来源于炼铁原料中所含杂元素被剥离后的氧化物。化学成分取决于不同工艺与原料,范围较为波动,主要是CaO、SiO2、Al2O3、MgO等。按照活性可分为活性类（硅酸钙、铝酸钙和铁铝酸钙）与非活性类（氧化镁、氧化亚铁、氧化锰等）。

钢渣中含有3CaO·SiO2与2CaO·SiO2,因此可以通过工艺加大钢渣潜在的活性。目前大多是通过提高比表面积来制造钢渣水泥。其中,钢渣占主要比例,在掺合料与石膏的辅助下生产混凝土材料。这类混凝土材料后期强度高,在耐受性等方面十分优异,十分适合作为大坝水泥。另外,钢渣微粉也是一种很好的掺合料,可以替代部分水泥。加入钢渣粉末后可以减小用水量、提升混凝土材料的流动性；由于钢渣本身的硬度大与耐磨性,掺杂钢渣粉末的混凝土耐磨抗压能力也会相应增大。

3 外掺杂材料混凝土所存在的问题

数据显示,2015年我国的工业废弃物总量约为40亿吨,综合利用量接近一半,相对于发达国家仍较低,特别是尾矿、赤泥等大宗工业废料。目前废料的综合利用任务依然严峻。混凝土虽然是最大的、承接着固废材料再利用的重要主力,但是这些废弃物的利用率仍处于较低水平。作为超越水泥成为最大产业,混凝土材料对于固废材料的应用技术和工艺还需提高。首先是针对废混凝土、废砖、建筑渣土等建筑垃圾,在分类与再生、资源利用等关键技术需要提高。其次是技术重点,固体废弃物的产生是不可避免的,但是它们的分类回收和前处理对系统再利用将起到非常大的作用。如构建成套的回收、再生和利用管理体系,对于后续的再利用具有重要意义。最后便是产品的标准、设计以及施工规范需要统一。

4 结语

混凝土产业的快速发展为工业固废综合利用实现大规模消纳提供了一条重要途径。水泥混凝土作为人类使用量最大的人工材料,在我国已成为消纳固体废弃物的主要行业。近年来,混凝土材料在固体废弃物的利用方面已取得较好的经济、环境和社会效益,为节约资源、保护环境、促进工业经济发展方式作出了重要贡献。今后,混凝土产业还将在工业固废综合利用方面担当和肩负起更多的新责任与新使命。