混泥土

工业废渣在高性能混凝土中的应用

工业废渣是指在工业生产中，排放出的有毒的、易燃的、有腐蚀性的、传染疾病的、有化学反应性的以及其他有害的固体废物。

分类

(1)有毒废物。对任何一类特定的遗传活动测定呈阳性反应的；对生活蓄积的潜在性试验呈阳性结果的；超过“特定化学制剂表列”中规定的含量的；根据所选用的分析方法或生物监测方法，超过所规定浓度的废物。

(2)易燃废物。含燃点低于60℃的液体废弃物；在物理因素作用下，容易起火的含液体和气体的废弃物；在点火时剧烈燃烧，易引起火灾的和含氧化剂的废弃物等。

(3)有腐蚀性的废物。含水废弃物、不含水但加入等量水后浸出液的PH值为3以下或12以上的废弃物：最低温度为55℃时，对钢制品的腐蚀深度大于0．64cm/a的废弃物。

(4)能传染疾病的废物。医院或兽医院未经消毒排出的含有病原体的和含致病性生物的污泥等。

(5)有化学反应性的废物。容易引起激烈化学反应但不爆炸的、易与水激烈反应可形成爆炸性混合物的；与水混合时释放有毒烟雾的；在有强烈起始源(加热或和水作用)产生爆炸性或爆炸性反应的；在常温常压下，可能引起爆炸性反应或分解的；属于A级或B级的炸药(包括引火物质、自动聚合物和各种氧化剂)等。

主要危害

工业废渣的固体废弃物长期堆存不仅占用大量土地，而且会造成对水系和大气的严重污染和危害。大量采矿废石堆积的结果，毁坏了大片的农田和森林地带。工业有害渣长期堆存，经过雨雪淋溶，可溶成分随水从地表向下渗透。向土壤迁移转化，富集有害物质、使堆场附近土质酸化、碱化、硬化．甚至发生重金属型污染。例如，一般在有色金属冶炼厂附近的土壤里，铅含量为正常土壤中含量的10一40倍，铜含量为5—200倍，锌含量为5—50倍。这些有毒物质一方面通过土壤进入水体，另一方面在土壤中发生积累而被作物吸收，毒害农作物。工业废渣与城市垃圾在雨水、雪水的作用下，流入江河湖海，造成水体的严重污染与破坏，如果将工业废渣或垃圾直接倒入河流、湖泊或沿海海域中会造成更大污染。世界上原子反应堆的废渣、核爆炸产生的散落物以及向深海投弃的放射性废物，已使能量为0．74EBq(2000×10000Ci)的同位素污染了海洋，海洋生物资源遭到极大破坏。工业废渣与垃圾在缩放过程中，在温度、水分的作用下，某些有机物质发生分解，产生有害气体，一些腐败的垃圾废物散发腥臭味，造成对空气的污染。例如：堆积如山的煤矸石发生自燃时，火势蔓延，难以救护．并放出大量的SO2气体，污染环境，此外，采取焚烧方法处理固体废物时排出的烟尘和有害气体也会污染大气。

工业废渣的合理利用是国民经济可持续发展的一项重要内容。合理利用废渣作水泥混合材和配制混凝土可以节省大量水泥熟料和钢材，减少水泥生产对环境的污染，是落实重质限量的建材行业跨世纪发展战略的必然选择。

1.我国目前的使用情况

我国是利用工业废渣和天然火山灰资源做水泥混合材最早、使用量最多的国家。解放前就有一些水泥厂利用矿渣做混合材生产矿渣硅酸盐水泥。解放后经济建设急需大量水泥，使我国在利用矿渣作为水泥混合材方面发展迅速，特别是立窑工业的发展，利用矿渣等活性混合材改善水泥安定性已成为立窑生产水泥的重要途径。水泥厂利用矿渣与活性混合材

生产不同品种和标号的水泥，特别是近年来一些工厂还在水泥中掺入少量细磨石灰石，提高了水泥的强度。水泥工业中节能利废发挥了明显的效益，取得显著成就。

1995年我国水泥产量4.76亿吨，立窑水泥占81％。 其中625号、525号、425号、325号水泥分别占水泥总量的0.17％、9.1％、51.7％和37.7％，525号及以上 水泥占不到总量的10％。在425号水泥中混合材掺加量若按20％计，混合材应为4920万吨；在325号水泥中混 合材掺加量若按30％计，混合材应为5370万吨；混合材总量为1.03亿吨，其中矿渣约5200万吨，。其余为火山灰、粉煤灰及石灰石等。由此可见，目前我国水 泥工业用作混合材的废渣和天然资源年约1亿吨左右。

然而掺混合材的水泥一般都是早期强度低，凝结 时间长。随着现代化工程的发展，混凝土朝着高强、 高耐久性，即高性能方向发展。在今后工程标准不断提高的形势下，一些掺混合材的低标号水泥已不能满足工程的需要，会愈来愈不受欢迎。这些水泥大多数是以降低熟料强度与性能为代价的，在某种程度上说掺混合材的低标号水泥不仅浪费了资源也浪费了能源，还污染了环境，从长远看是不可取的，因此可持续发展的环保型混凝土掺合料的研究开发将是一项十分迫切的任务。当前世界一些国家除了研究利用工业废渣做水泥混合材外又有新的突破——利用工业废渣做细磨掺合料生产高性能混凝土，国内一些科研部门也已开始了这方面的研究和应用， 使工业废渣的作用有了很大升级，产生了更高的使用价值。

2.国外发展现状

2.1 研制高性能混凝土

近年来，随着现代化工程的发展，混凝土越来越 多地被用来建造大桥、重载和需要承

受恶劣环境条件 的构筑物，如大跨度桥梁、高层建筑、海洋构筑物，污水处理工程等。这些工程要求混凝土不仅有良好的 物理力学性能，而且还应有卓越的耐久性。这是因为， 其一，这些构筑物工程浩大，相应维修、重建费用高。

据资料介绍，在工业发达国家占建筑工业总投资40％ 以上的费用用于现有结构的修理和维护。结构的维修和更换费用急剧上升。根据美国1988年报导，美国混凝土基础工程（公路、桥梁、大坝、供水系统等）估计价值达6万亿美元。而其后每年用于维修和重建费用将高达3000亿美元。据我国驻贝鲁特记者报导，许多海湾国家沿海地区大批城市建筑遭受破坏，例如，巴林政府大厦和阿联酋的沙加国际机场的部分建筑及迪 拜的钟楼等许多建筑物停用或大修。除建筑质量差的原因外，是这些地区高温、潮湿、昼夜温差大和海风 带来的高含量硫酸盐和氯化钠等，使建筑物遭受侵蚀 的结果。其二，混凝土不耐久，水泥及各种材料需要量就大，水泥生产需消耗大量燃料和能量，以每吨水 泥标准煤耗为0.2吨计，如世界水泥产量为14亿吨，耗煤2.8亿吨。同时每生产一吨水泥大约将产生1吨CO2，全世界水泥产量14亿吨，即产生14亿吨CO2，这对温室效应的影响十分明显。出于节约能源、资源、减少对 环境的污染和减少维修费用等的考虑，重视混凝土的耐久性、提高其使用寿命已成为全世界水泥[FS:PAGE]和混凝土科 技工作者的共识。如美国旧金山—奥克兰湾大桥和金门桥已使用60年，科学家们仍在设法使其寿命再延长50～100年，目前已有较多的科学家主张将大混凝土工程按使用寿命大于100年来设计。基于此，必须进一步 提高混凝土的耐久性。

近年来出现的高性能混凝土拌合物具有高流动性、 可泵性、不离析，而且保塑时间可根据工程需要来调 整，便于浇注和密实；混凝土凝结硬化过程中水化热低、内部缺陷少、结构密实、硬化后体积稳定、收缩 变形小，抗冻、抗渗等耐久性能好，用于结构工程可 减小构件尺寸，使结构简单轻巧。高性能混凝土的这些优良性能为建造现代化大型建筑物提供了可靠的技 术保证。发展高性能混凝土是提高混凝土耐久性的重 要举措。当然高性能混

凝土也不是十全十美，还存在一些问题，正处在发展中（如脆性大）。加速人们对 高性能混凝土的认识，研究、应用高性能混凝土必将 产生不可估量的经济效益和社会效益。

2.2 细磨掺合料在混凝土中的作用及作用机理

混凝土是由水泥、水、集料三种原料配制而成， 根据工程需要加入外加剂改善混凝土的某些性能。当 今混凝土的组分发展到水泥、水、集料、外加剂和细磨掺合料5种，外加剂和掺合料不是可有可无的组分， 两者在混凝土中起着相当重要的作用。这些掺合料大 多是以工业废渣经过超细磨得来，在混凝土中可单掺还可同时掺两种以上的废渣，如以矿渣加粉煤灰、矿 渣加硅灰、粉煤灰加硅灰等来提高作用。细磨掺合料 不仅能够代替较多的熟料，并且不降低强度，还能够改善混凝土的某些性能，尤其90天以后强度有明显增 加。这样，既利用了废渣，又大量减少了熟料，对于 环保十分有利。为此，世界已举办了五届“粉煤灰、硅灰、矿渣、天然火山灰在混凝土中的应用”国际会 议，第六届将于1998年在泰国曼谷召开，可见国际科 技界对活性细磨掺合料在水泥与混凝土中所起重要作用的高度重视。归纳起来，活性细磨矿物掺合料在水 泥和混凝土中主要有下列几个方面的作用：

（1）提高水泥的标号或混凝土强度

例如，在制备超高强混凝土（抗压强度≥100MPa） 时，在掺入高效减水剂的同时，必须掺入硅灰、细磨 粉煤灰或细磨矿渣等。

（2）改善混凝土的耐久性在混凝土中掺入细磨活性掺合料，可以提高混凝土的抗蚀性和其他耐久性 指标，并能有效地防止混凝土中的碱骨料反应。

（3）促进环境保护粉煤灰、矿渣及硅灰等都是工业废料，特别是粉煤灰，排放量很大，

造成了环境污染。在水泥和混凝土中应用各种工业废料、变废料为资源，对促进环境保护意义重大。

（4）降低成本、节约能源粉煤灰、矿渣等的成本都远低于水泥熟料，掺入这些材料可以减少熟料用 量，也就减少了煅烧熟料用的燃料，减少CO2排放量。

在水泥与混凝土中掺入活性细磨掺合料之后，混凝土的强度提高、耐久性得到改善，主要原因是掺入足够数量的活性细磨掺合料后，微细粉在水化过程中能起晶核作用，促进硅酸盐矿物的水化，提高了水泥石结构的密实度。掺料中的活性SiO2能逐步与水泥石中的Ca（OH）2和高碱性水化硅酸钙产生二次反应，生成低碱性水化硅酸钙，同时Ca（OH）2也与掺合料中的活性Al2O3反应，生成水化铝酸钙，或与SiO2及Al2O3生成水化硅铝酸钙。这样，使水化产物的数量增多，又使不稳定的高碱性水化物转向低碱性的稳定的水化 物，使水泥石结构致密、稳定，从而使其强度及其性

能得到大幅度提高和改善

。 2.3 重大工程使用效果

矿渣、粉煤灰、硅灰细磨掺合料在混凝土中的应用引起世界各国的高度重视。最近的资料表明，硅灰虽然研究较多，但产量有限，全球硅灰产量也不过100～200万吨。同时硅灰容重太小，运输不方便，且价 格昂贵，在实用上受到很大限制。而粉煤灰最值得注 意。

从1985年开始，加拿大矿物与能源技术中心在Ma lhotra领导之下对 大掺量粉煤灰混凝土进行了长期系统的研究。采用高效减水剂降低水灰比或超量取代，即略为增加每立方 米混凝土胶凝材料的总量，但纯水泥用量显著降低， 从而配制成满足力学性能要求的耐

久性能优异的混凝

土。如水泥用量仅152～153kg／m3，粉煤灰掺量为近60％时，混凝土28天抗压强度达C30，1年强度达C50。

特别重要的是当水灰比为0.33时，各项性能均有很大提高，1000次冻融之后，物体仍十分完好，氯离子透 入数在91天湿养之后小于650库仑，这些数值与掺硅灰相当，而抗渗系数达10－14m／sec。因此具有优异的 抗蚀、抗冻性能。

英国M.Chael的调查研究证实，当粉煤灰含量占水泥重量的20～30％时，虽然现场施工时28天强度掺粉 煤灰者略低一些，但10～33年之后将同时浇注的混凝 土的岩蕊取出来比较，掺粉煤灰者要高5～33％。这是因为在现场使用之后掺粉煤灰者强度增长较多，为28 天的146～240％（平均为193％），而未掺粉煤灰者强度虽然增大，但增长幅度要小，仅为116～156％（平均为138％）。这种对比包括水池、桥、坝、海堤和基础。而对氯离子的扩散和抗碱骨料反应显然粉煤灰水 泥混凝土要好得多。

目前国外力求扩大粉煤灰的用途，采取的措施主 要是调整混凝土配合比和采用高效减水剂。在混凝土 中掺粉煤灰有多种形式，如等量取代、等强取代和超量取代。等量取代，即混凝土中胶凝材料掺量不变， 用粉煤灰取代部分水泥。等强取代，即取代后胶凝材 料掺量由28天强度决定。超量取代是混凝土中胶凝材料的总量增加，但纯水泥的用量可以减少，这样，既 能保证各种性能还能节约资源能源。

混凝土的配制方式有两种，粉煤灰在施工现场或混凝土搅拌站直接掺入是一种方式，另一种方式是在 水泥厂中在粉磨之前掺入磨中与水泥熟料一起粉磨。 近来国外也主张要发展高掺量粉煤灰混合水泥。因为水泥厂掺粉煤灰有很多优点，煤粉灰在磨细过程中得 到机

械活化。特别是低级粉煤灰和粗粉煤灰，比面积 增加之后可大大激发其化学活性，同时在水泥厂中可严格控制配合比，对于小型工程可免去运送，储存粉 煤灰的流程和设备。