工业废渣做细磨掺合料生产高性能混凝土

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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。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：

　　提高水泥的标号或混凝土强度

　　例如，在制备超高强混凝土时，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。

　　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。

　　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。

　　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Ca2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Ca2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Malhotra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％，而未掺粉煤灰者强度虽然增大，但增长幅度要小，仅为116～156％。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。

　　3.建议

　　由于细磨掺合料可以改善混凝土的某些性能、提高混凝土的耐久性，它越来越受到人们的关注。1994年在维也纳由奥地利水泥研究所和RILEM3C委员会联合组织了有关高性能混凝土的耐久性问题研讨会，该会的一个主要信息是若想延长结构物的使用寿命，最大限度地发挥材料性能，需要结构工程师和材料工程师的通力合作。这一信息为我们水泥工作者提出了新的课题。分析我国工业废渣和水泥工业的生产现状，1995年我国粉煤灰排放量超过1亿吨，到2000年估计将达1.6亿吨。据统计1995年粉煤灰的综合利用率为47％，其中建材工业用量超过总用量的30％。全国约有5％的水泥生产企业在水泥粉磨时用粉煤灰做混合材，年生产粉煤灰水泥约2000万吨。粉煤灰掺入量按20％～40％计，粉煤灰用作水泥混合材的量仅为400～800万吨。

　　目前我国水泥实物质量还不高，在水泥总量中只有15％左右的水泥达到国际先进和一般实物质量水平，325号水泥占水泥总量的三分之一，这类水泥按国际标准检验都属不合格产品，在我国还占不少的比例。在水泥总量已满足市场需求并在某些地区出现供大于求的情况下，根据我国当前水泥工业的生产条件、市场需求的发展趋势以及现有的工业废渣资源情况，借鉴国际先进国家水泥混凝土发展的经验，对我国如何发展细磨掺合料及水泥产品如何适应混凝土的发展提出以下几点建议。

　　3.1　水泥产品中要提高高标号水泥或高性能水泥的比重

　　用低标号水泥配制相同标号的混凝土水泥用量要大得多，更由于我国还有一些立窑水泥厂生产熟料中fCaO高，质量不稳定，通过掺入大量混合材消解游离氧化钙，从而更降低了水泥的标号。而生产这些低标号水泥能源和资源消耗并不很低，鉴于我国目前325号水泥占水泥总量三分之一的现实，建议今后水泥产品结构中应逐步淘汰325号水泥、适当增加高标号水泥的比重或生产带有细磨掺合料的高性能水泥。以满足日益发展的现代化工程的需要。

　　3.2　在水泥厂生产高品质通用水泥的同时，配套生产系列高性能混凝土掺合料建议今后水泥厂或粉磨站在生产高品质通用水泥的同时也可以生产掺合料，将掺合料供给预拌混凝土厂或工地，掺合料不分标号，专供配制不同要求的高性能混凝土。水泥厂还可将水泥、细磨掺合料、集料、外加剂配制成干拌料，直接向用户供货。用户在工地加水即可拌用，使水泥的生产、销售与使用协调起来。
　　3.3　成立由科研院校、企业、施工单位组成的三位一体的科研攻关小组根据国内外混凝土的发展趋势，胶结材料主要是高掺量的粉煤灰水泥和复合掺合料水泥。这就给水泥生产者提出一系列新课题，如这种材料的化学成分、配合比、颗粒级配等如何最能适应混凝土工程的需要，类似这样要研究解决的问题很多。为满足混凝土的性能要求，提高其耐久性，若科研、生产和施工单位能
密切配合，共同开发研制，共享经济利益，则将对这一工作会有很大的促进作用。

　　3.4　水泥分流使用　

　　根据不同工程的需要，水泥分流使用。早期强度高的硅酸盐、普通硅酸盐水泥用于工业及民用建筑，后期强度高耐久性好的水泥用于水中工程，地下工程。分流使用还能提高耐久性，在有腐蚀的污水处理工程、海水工程中使用掺粉煤灰水泥可大大延长混凝土的寿命。鉴于我国粉煤灰排放量逐年增多的趋势，若能因地制宜，利用当地粉煤灰资源生产高掺量粉煤灰水泥将获得可观的经济效益，同时也是建材工业对保护环境、节约能源和造福子孙的可持续发展战略作出的具大贡献。

　　3.5　提高认识，加速观念的转变

　　各级领导要把以提高产量为目标转移到提高产品质量上来，全面落实建材工业的跨世纪发展战略。水泥生产者要增强质量意识，深刻认识水泥质量的含义不仅仅指强度，如纯硅酸盐水泥就不适合配制大坝混凝土，应以提高混凝土的耐久性为目的，更加重视水泥的凝结硬化特性、颗粒组成、早期强度以及水泥的均匀性和稳定性。重视水泥的建筑性能，如砂浆稠度和混凝土抗冻性、抗蚀性、耐磨性等，尽快提高我国水泥的实物质量。传统的以强度为主的考查模式应被施工性能和耐久性为主的考查模式来取代。正如国家建材局技术情报所乔龄山总工程师强调的：“水泥仅是半成品，应把水泥的生产链延续到混凝土”，望这个观点能引起大家足够的重视。

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