复合增钙液态渣粉在寒冷地区水工混凝土中的应用

摘　要:复合增钙液态渣粉是一种性能优良的新型矿物外加剂。它在混凝土中的应用可改善混凝土的工艺性和耐久性,改善了生态环境和生活质量,具有重大的经济效益、社会效益和广阔的应用前景。

关键词:复合增钙液态渣粉;耐久性;水工混凝土;应用价值

中图分类号: TV4214　　　　　文献标识码:A

混凝土作为一种传统工程结构材料,尽管存在自重大、高脆低韧、功能单一、耐久性差等问题,但它在未来社会建设中的地位与作用仍然是其它材料无法代替的。混凝土仍将是房屋和水利建设等土建工程的首选建筑材料,具有长期广泛的应用前景。混凝土材料发展至今,提高混凝土的耐久性和注重混凝土的可持续发展已经成为人们普遍关注的热点。

1　混凝土的耐久性

工程结构材料的耐久性问题是一个世界性难题。全世界由于材料的腐蚀造成的损失达到国民经济总产值( GDP)的2%～4%。设计年限为30a、50a甚至100a的工程结构物,其使用年限往往与设计年限相差甚远,一些建筑物甚至8～10a就已经质量劣化,发生开裂、变形,甚至损坏,导致功能性丧失,每年需要大量的维修费用,给国家造成了巨大的财政负担。1991年提交的美国国会报告《国家公路和桥梁现状》中指出,美国现存的全部混凝土工程价值约60 000亿美元,而每年用于维修的费用高达300亿美元,以后的混凝土工程维修和重建费用高达3 000亿美元;英国英格兰岛中部环形快车道上11座混凝土高架桥,当初建造费用2 800万英镑,到1989年因为维修而耗资4 500万英镑,是当初造价的1.6倍,估计以后15a还要耗资1.2亿英镑,累计接近当初造价的6倍;英国于1981年用于结构维修加固的费用达69亿英镑,到1995年就增长了4 倍,达到252.7 亿英镑,占当年建筑投资的48%[ 1 ]。Mehta[ 2 ]用“5倍定律”来形象地描述混凝土结构耐久性设计的重要性,他指出:“如果我们能够生产出更耐久的产品,就必定能大量地节省材料。例如今天建造的混凝土结构物若不是现在的50a寿命,而是250a寿命,那么混凝土业的资源利用效率就能提高5倍”。

2　水工混凝土的耐久性

水利工程一般规模大,工程周期长,影响深远,关系国计民生。建国以来,我国兴建了大量的水利水电混凝土工程,在防洪度汛、工农业用水、水力发电、航运、养殖、环保、旅游等方面都发挥了巨大的社会效益和经济效益。但众多水利水电工程往往位于偏远山区,自然条件较为严酷,其混凝土耐久性问题具有其特殊性,混凝土的裂缝、渗漏和溶蚀、冲刷磨损和气蚀破坏、冻融破坏、混凝土的碳化和钢筋锈蚀、水质侵蚀,构成了耐久性破坏的复杂多变的主要类型。寒冷地区水利工程的混凝土构筑物,由于使用条件处于动态和静态复合的水的冲磨、气蚀、侵蚀、渗漏、冷冰冻融等反复共同作用下,情况更趋恶劣。一般水工混凝土结构的使用寿命都要求大于50a,但是由于设计欠妥、施工不良、管理不善等众多原因,许多大坝或水库在运行20～30a,甚至更短的时间内就出现了明显的衰变老化,发生各种病害,甚至形成大坝安全运行的潜在威胁。因材质劣化造成失效以致破坏崩塌的事故时有发生,用于混凝土结构修补、重建和改建的费用日益增大,存在着“年年补、年年坏”的现象。如果将水利工程的寿命延长30～50a,其经济效益与社会效益是十分巨大的。

因此,开展对寒冷地区水工混凝土耐久性的研究,延长水利工程的使用年限,显得尤为必要。

3　复合增钙液态渣粉在水工混凝土中的应用意义

3.1　复合增钙液态渣粉的定义

增钙液态渣是立式旋风炉的热电厂高温( 1600℃左右)燃烧后的排放物料经水淬冷却的粒状渣体。按使用技术性能要求,掺入适量矿物外加剂或其他材料(予以改性) ,经粉磨后,使其适用于工程性能要求。增钙粉煤灰是由烟煤与石灰石混合粉磨,进入立式旋风炉内高温1450℃～1 600℃共同混烧后,经收尘系统回收得到的一种工业副产品。复合增钙液态渣粉由增钙液态渣和增钙粉煤灰和其它材料复合而成,属于高钙渣粉高性能的一个品种。

3.2　复合增钙液态渣粉的生态效应

水泥是混凝土必不可少的组成材料。水泥混凝土作为最大宗人造材料,其资源、能源与环保问题十分突出。传统的混凝土生产,尤其是其主要原材料水泥的生产会带来极大的资源、能源消耗和严重的环境污染。生产1 t水泥熟料消耗标准煤135kg,并将近排放出1 t的CO2。水泥工业为地球大气层增加的CO2 等有害气体体积存量达150亿t之多。1 t熟料中平均含CaO 620kg,排放CO2 487kg,比之所消耗的矿物燃料(包括用电)产生的450kg还多,常估为1 t水泥熟料排放1 tCO2。随着建设的迅猛发展,我国水泥产量增加特快, 1996年4.9亿t, 2001年我国水泥产量位居世界第一,这个数字是惊人的,它对环境的影响已经无法估计。因此,必须采取有效措施减少水泥使用量,降低熟料的产量。

将增钙液态渣粉作为一种混凝土掺合料大量应用于水利、桥梁等建筑工程,就是降低水泥用量的一种有效途径。

我国生产排放增钙液态渣粉的电厂有数十家,年排放渣粉几百万吨。在我省共有黑龙江岁宝热电有限公司(阿城) 、佳木斯市热电厂、大庆龙凤热电厂、鹤岗矿务局热电厂4家企业生产增钙粉煤灰渣,全年生产增钙粉煤灰10万余t,增钙液态渣可排放量达到60万t。其中我省仅佳木斯热电厂年排放增钙液态渣近10万余t,增钙粉煤灰2万余t。除了部分供应水泥厂家用作水泥掺合料外,大部分未得到充分利用,不仅占用着土地,而且造成严重的环境污染,极大地影响了周围的生态环境。

如果把电厂排放的增钙液态渣粉充分应用于水利工程中,变废为宝,不仅解决了资源浪费,改善和提高水工混凝土长期耐久性能,而且还能显著降低混凝土成本。我们完全可以将这些放错位置的资源充分利用起来,用较少的水泥,辅助以部分天然或经过处理的工业副产品,配制出高耐久、长寿命的混凝土,达到节约土地、节省能源、节省资源、利国利民得目的,实施可持续发展的战略方针。

3.3　复合增钙液态渣粉的应用价值

作为一种新型的混凝土掺合料,复合增钙液态渣粉具有优异的性能。相对于普通矿物掺合料,增钙液态渣粉的比强度较大,需水比小,化学外加剂匹配性好,水化热低,体积安定性好。它可以改善混凝土的工作性,调整混凝土内部结构和界面状态,降低水化热,尤其是后期,表现出比普通混凝土更加出色的强度和耐久性。众所周知,我们水利工程的许多建筑需要使用大体积混凝土。大体积混凝土体积较大,面积系数较小,混凝土浇注后,水泥发生水化反应释放出大量的水化热。由于混凝土是热的不良导体, 导热系数小(1.28W /mok左右) ,水泥的水化热不易散发,当混凝土的内部温度与表面温度相差大于25℃时,混凝土就会产生温差裂缝,并在温度达到峰值后产生温降收缩裂缝。加上寒冷地区的水工建筑承受冲磨、侵蚀、冷冰冻融等反复共同作用,加剧了裂缝的扩展,使得混凝土发生劣化、变形,对水工建筑物产生极大的危害。而复合增钙液态渣粉的应用,极大地提高了混凝土的密实度,其微集料填充作用细化了混凝土内部的孔隙。由于增钙液态渣粉的水化滞后于水泥的水化,其“错峰作用”大大降低了混凝土内部的放热峰值,有效地降低了混凝土中的水泥水化热及其引起的危害程度,改善了混凝土的耐久性。

工程实践表明:复合增钙液态渣粉对水泥砂浆、混凝土具有良好的适应性,常用掺量为30% ～60% ,可用于配制C20～C80之间的任何一种混凝土。以C30混凝土为例,掺入复合增钙液态渣粉时,混凝土可节约资金24元/m3 左右,对于一个年产10万m3 的商品混凝土搅拌站,如果使用复合增钙液态渣粉等量取代水泥,在最优的技术经济效果下,可增加利润70万元左右。在水工混凝土工程中,选用复合增钙液态渣粉可取代30%以上水泥用量,混凝土降低原材料生产成本25～30元/m3 ,且相应的水泥生产所需的原材料、占用土地的黏土、燃煤、电等都可以得到节约。据不完全统计,我省水工建设中每年平均耗用混凝土约40万m3 ,若按混凝土降低成本30元/m3 计算, 10a之内可节省资金12 000万元。

此外,再加上资源、能源的节省,以及混凝土工程寿命的延长、维护修缮费用的减少、生态环境的改善等潜在效益的发挥,其经济和社会效益十分巨大。

4　复合增钙液态渣粉的研究现状

目前,黑龙江省水利科学研究院承担了黑龙江省科学技术厅科技攻关重点项目《复合增钙液态渣粉在水工混凝土寒冷地区的工程应用耐久性》进行研究。近期,经过科研队伍的辛勤攻关,已取得了阶段性的研究成果。至今已完成了复合增钙液态渣粉水工混凝土的最佳配合比选定、复配外加剂优选、复合增钙液态渣粉水工混凝土微观结构研究,全面展开了混凝土的抗冻、抗渗、抗冲磨、抗侵蚀等耐久性研究,并且在哈尔滨市三家子堤防护坡工程、依兰倭肯河灌区学兴渠首等工程中进行了应用。经初步研究和工程应用表明,复合增钙液态渣粉能够改善新拌混凝土的工作性质及硬化混凝土的力学及耐久性能。作为混凝土掺合料,可以形成了叠加效应的复合材料,在混凝土的水化,尤其是后期水化作用产生了“1 + 1 . 2”的效果,后期强度增长迅速,性能全面提高。该项研究拟于省内广泛推广应用,走向市场。

5　结语

1)复合增钙液态渣粉的应用解决了工业废渣的资源浪费问题,能够有效降低水泥的用量,改善混凝土性能,减少环境的破坏,具有重大的生态效应和经济效应。

2)复合增钙液态渣粉是一种新型混凝土混合材,能够形成形态效应、活性效应和微集料填充效应的叠加效应,有效改善混凝土的耐久性能,具有广阔的应用前景,可在水工等建筑物中大力推广应用。

参考文献:

[ 1 ] 　Etman EE, HelmyMA. Assessment of the behavior of strengthenedconcrete structural elements. First International Conference on Civilengineering1 Cairo, Egyp t, 1998.

[ 2 ] 　陈肇元.土建结构工程的安全性与耐久性[M ] .北京:中国建筑工业出版社, 2003.