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本文選自《商品混凝土》雜志2024年第2期

爐渣、再生骨料部分替代天然砂石用于生產(chǎn)高性能混凝土的應(yīng)用研究及其生態(tài)性、經(jīng)濟(jì)性分析

孫志強(qiáng)，趙樹業(yè)，張永強(qiáng)，楊澤

［摘 要］為了有效解決爐渣的無害化處理，資源化利用的環(huán)保難題，通過采用爐渣等量替代天然細(xì)骨料，同時(shí)采用再生粗骨料、天然粗骨料和機(jī)制砂作為骨料設(shè)計(jì)了摻用爐渣的混凝土。結(jié)果表明：在混凝土中用一定量的爐渣替代天然砂，可配制出抗壓強(qiáng)度為 50MPa 以上的混凝土，其 28d 抗壓強(qiáng)度和耐久性能均高于普通混凝土；爐渣在普通混凝土中替代天然砂，可以增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度，提高其耐久性，并在工程中成功應(yīng)用。爐渣的應(yīng)用可以減少碳排放、節(jié)約資源和土地空間，具有良好的生態(tài)環(huán)境效益。

［關(guān)鍵詞］爐渣；綠色高性能混凝土；生態(tài)；經(jīng)濟(jì)；可行性

0 引言

爐渣是煤在燃煤鍋爐中燃燒時(shí)生成的固體廢棄物，它主要由灰分、煤渣和廢渣組成。其中灰分占比最大；煤渣是煤燃燒后被鍋爐相對集中地拋出的一種炭素質(zhì)顆粒物；廢渣是含負(fù)荷的小顆粒物與灰分等鍋爐煙氣中的化合物的混合物。因此，燃煤鍋爐爐渣含有大量的氧化物、硅、鋁、鈣、鈣鎂石膏和其他微量元素等。爐渣的主要污染物是重金屬離子，如汞、鉛、鉻、鎘等。這些重金屬離子對環(huán)境有較大的危害，若滲入土壤、流入水域，會對植物和水生生物的生長和繁殖造成不利影響。

混凝土在建筑工程領(lǐng)域中是應(yīng)用最廣泛、用量最大的建筑材料?；炷敛牧系陌l(fā)展應(yīng)綜合考慮環(huán)境保護(hù)、能源節(jié)約、資源節(jié)約，協(xié)調(diào)發(fā)展。將爐渣代替天然砂用于綠色混凝土生產(chǎn)，將有利于爐渣新技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，并且擴(kuò)大了廢棄物的利用范圍。

本文以爐渣為處理對象，將其作為細(xì)骨料替代天然砂，用于配制普通混凝土。通過對摻爐渣水泥混凝土的工作性能﹑力學(xué)性能和耐久性能進(jìn)行測試，研究爐渣對混凝土性能的影響。

1 試驗(yàn)用原材料的選擇

（1）爐渣：試驗(yàn)所用的爐渣均采用寧夏寶豐能源集團(tuán)有限公司動力廠生產(chǎn)的爐渣。主要化學(xué)成分見表1，物理性能見表2，由數(shù)據(jù)可以看出，爐渣的物理性能接近普通混凝土中使用的天然砂。

（2）細(xì)骨料：選擇寧夏志輝砂石有限公司生產(chǎn)的機(jī)制砂。其主要性能指標(biāo)見表3。

（3）粗骨料：選擇寧夏寶豐能源集團(tuán)有限公司各項(xiàng)目建設(shè)過程中的混凝土建筑垃圾廢料，經(jīng)該公司破碎站破碎成5～25mm的連續(xù)級配再生粗骨料。滿足GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》中Ⅱ類碎石的指標(biāo)要求。天然粗骨料選擇寧夏志輝砂石有限公司生產(chǎn)的5～25mm連續(xù)級配破碎石，主要性能指標(biāo)見表4。由于再生粗骨料壓碎指標(biāo)和微粉含量較高，經(jīng)過大量試驗(yàn)論證，配合比設(shè)計(jì)中以40%比例替代天然粗骨料。

（4）水泥：選用寧夏賽馬水泥有限公司PO42.5R級水泥，其主要物理力學(xué)性能見表5，礦物成分見表6，化學(xué)成分見表7。

（5）粉煤灰：選用寧夏寶豐能源集團(tuán)有限公司動力二廠煤粉鍋爐收集的F類Ⅰ級粉煤灰，其主要物理性能見表8，化學(xué)成分見表9。

（6）礦粉：選用平羅縣金筑新材料技術(shù)有限公司S95級礦粉，其主要物理性能見表10，化學(xué)成分見表11。

（7）外加劑：選用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的PCA-Ⅰ型高性能減水劑，減水率為29%，摻量為2.5%～3.0%，

（8）拌和水：與常規(guī)混凝土相同，選用自來水。

2 試驗(yàn)方法

（1）爐渣需水量測定按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

（2）水泥砂漿力學(xué)性能測試按照GB/T 17871—1999《水泥砂漿強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行。

（3）混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)按照GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

（4）混凝土坍落度試驗(yàn)按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

（5）混凝土氯離子滲透試驗(yàn)按照ASTM C1202-2012《混凝土耐氯離子穿透能力電標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

（6）混凝土耐久性能測試按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

（7）混凝土配合比設(shè)計(jì)按照J(rèn)GJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》。

3 混凝土配合比的確定

3.1 爐渣的顆粒級配特性

經(jīng)過大量試驗(yàn)論證，取75%的機(jī)制砂和30%的爐渣混合配制成Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)為2.7。篩分試驗(yàn)結(jié)果見表12。

由表12可知，爐渣的級配與機(jī)制砂相比有很大差異：小于1.25mm和大于0.315mm的爐渣顆粒，特別是小于1.25mm的顆粒明顯小于機(jī)制砂，從整體來看，爐渣屬于細(xì)砂﹐通過摻配可以改善爐渣和機(jī)制砂的顆粒級配，30%爐渣和70%機(jī)制砂的混合砂其技術(shù)參數(shù)基本滿足JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)中Ⅱ區(qū)中砂的技術(shù)要求。

3.2 爐渣對水泥砂漿性能的影響

3.2.1 水泥砂漿流動度和需水量

表13為爐渣對水泥砂漿流動度與需水量的影響。

由表13可見，在水泥砂漿中采用爐渣替代天然砂，在用水量不變的情況下，摻加30%的爐渣，水泥砂漿的流動度有所下降。壓蒸法試驗(yàn)結(jié)果表明：爐渣對水泥砂漿安定性無不良影響。由試驗(yàn)可知，爐渣替代30%天然砂用量，水泥砂漿需水量有所提高，爐渣吸水率大是水泥砂漿在摻加爐渣后需水量大的主要原因，此問題已通過提高聚羧酸減水劑中保坍組分得以解決。

3.2.2 水泥砂漿力學(xué)性能

表14為爐渣摻量對水泥砂漿力學(xué)性能的影響。

由表14可知，在保持用水量不變的條件下，隨爐渣的加入，水泥砂漿強(qiáng)度有明顯提高。究其原因是爐渣具有潛在的水硬活性，可以參與水泥水化。

3.3 用爐渣代替天然砂混凝土性能分析

由于爐渣與天然砂的細(xì)度模數(shù)和各粒徑累計(jì)篩余率有很大差別，根據(jù)不同含量的試驗(yàn)比較和分析，最終確定采用爐渣替代天然砂與機(jī)制砂摻配用于普通混凝土中。爐渣和機(jī)制砂按此比例混合后。

用爐渣代替天然砂用于普通混凝土中 ，選擇C15、C20，C25、C30、C35、C40配比分別進(jìn)行小機(jī)試驗(yàn)，對配合比數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。具體數(shù)據(jù)見表15。

從表15中可以看出，隨著聚羧酸減水劑的提高，混凝土的坍落度損失下降。通過增加聚羧酸高效減水劑的組分和用量，可以抵消因使用爐渣而增加的混凝土用水量。使混凝土用水量在不增加的同時(shí)，保持足夠的工作、力學(xué)性能，達(dá)到泵送施工要求。

3.4 用爐渣代替天然砂混凝土力學(xué)性能

分別測試每組混凝土的抗壓強(qiáng)度，如表16所示。從試驗(yàn)結(jié)果來看，各組混凝土配合比的實(shí)際抗壓強(qiáng)度均滿足混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，而且強(qiáng)度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度，膠凝材料還有很大的優(yōu)化空間。

具體原因是爐渣二氧化硅較高、燒失量很低，具有潛在的水硬活性，在混凝土成型、凝結(jié)過程和硬化過程中可參與水泥水化，改善混凝土水泥漿與集料間界面結(jié)構(gòu)與性能，所以在宏觀上表現(xiàn)出混凝土強(qiáng)度提高。

由試驗(yàn)結(jié)果還可知，水泥用量僅為270kg/m，爐渣摻量為細(xì)集料用量的30%，同時(shí)采用活性摻合料部分替代水泥時(shí)，就可配制出抗壓強(qiáng)度為50MPa以上的混凝土。

3.5 用爐渣代替天然砂耐久性

將爐渣代替天然砂的混凝土與不摻爐渣的混凝土進(jìn)行強(qiáng)度和耐久性等試驗(yàn)比較，數(shù)據(jù)見表17?？沽蛩猁}侵蝕能力檢測是將試樣在5%的NaSO溶液中浸泡60天后再測量其抗壓強(qiáng)度。從表17中可以看出，摻用爐渣混凝土的耐久性指標(biāo)較普通混凝土均有很大的提高。

4 工程應(yīng)用

目前爐渣替代天然砂混凝土已成功地應(yīng)用于寧夏寶豐能源集團(tuán)有限公司工程建設(shè)項(xiàng)目中，生產(chǎn)前對全材料進(jìn)場采取嚴(yán)格檢查并標(biāo)識。生產(chǎn)過程中，檢測混凝土坍落度，并按要求留置生產(chǎn)試塊，按規(guī)定方法進(jìn)行檢驗(yàn)，具體結(jié)果見表18。成型后的表面密實(shí)，外觀理想。圖1為混凝土現(xiàn)場施工狀態(tài)，圖2為成型后的效果。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)與社會效益

目前寧夏寶豐能源集團(tuán)有限公司爐渣相較于市場細(xì)骨料價(jià)格60元每噸，剔除運(yùn)輸成本9元，每噸可節(jié)約成本費(fèi)用51元，按照每月消耗9000噸計(jì)算，可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益45.9萬元；處置費(fèi)以每噸30元計(jì)，可節(jié)約處置費(fèi)用27萬元，總計(jì)每月可節(jié)約72.9萬元，全年預(yù)計(jì)節(jié)約874.8萬元。

爐渣的利用對生態(tài)環(huán)境和社會的貢獻(xiàn)主要為：保護(hù)環(huán)境、減少碳排放；節(jié)約資源和土地空間。

5.2 減少碳排放

混凝土和使用爐渣的混凝土在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的CO大致可分為原材料的碳排放、運(yùn)輸過程的碳排放和混凝土生產(chǎn)過程的碳排放?，F(xiàn)假設(shè)原生混凝土和使用爐渣除了細(xì)骨料外的其他材料的生產(chǎn)、運(yùn)輸均相同，那么，二者碳排放的區(qū)別主要取決于骨料的運(yùn)輸距離。就該公司的地理環(huán)境來說，最近的砂石來源地寧東地區(qū)已經(jīng)被禁止開采，獲取砂石的方式只能從外地通過公路運(yùn)輸運(yùn)送過來，平均運(yùn)輸距離60km。而爐渣是動力公司生產(chǎn)過程中排放的廢渣，用于最臨近的商砼站，平均運(yùn)輸距離5.5km，大大降低了骨料運(yùn)輸過程的碳排放，為減小溫室效應(yīng)做出巨大貢獻(xiàn)，具有非常顯著的生態(tài)示范效益

已知產(chǎn)品運(yùn)輸油耗導(dǎo)致的直接碳排放通常采用運(yùn)輸距離法，按照下式計(jì)算：

CO＝EF·D·H

式中：

CO——單位混凝土產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)奶寂欧?，kg；

EF——混凝土運(yùn)輸油品消耗的排放因子，取0.074kg/MJ；

——單位混凝土產(chǎn)品單位運(yùn)輸距離的油耗，取2.055MJ/(tkm)；

H——混凝土產(chǎn)品的運(yùn)輸距離，km。

分別將60km和5.5km帶入上式，得天然骨料運(yùn)輸?shù)奶寂欧艦?.12km/m3，爐渣運(yùn)輸?shù)奶寂欧艦?.84km/m3。由此可見，使用爐渣比使用天然骨料因運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放降低了8.28 km/m3。

5.3 節(jié)約資源和土地空間

爐渣再利用還可以節(jié)省大量的垃圾清運(yùn)費(fèi)用和處理費(fèi)用，為方便起見，設(shè)爐渣密度為1380kg/m，堆積高度為10m，則一畝地（大約667m）內(nèi)可以堆積0.92萬t爐渣，每年30萬t的爐渣如果全部堆放起來需要近38畝土地，這是土地資源的巨大浪費(fèi)。

6 結(jié)論

（1）以常用混凝土C15、C20、C25、C30、C35、C40配合比進(jìn)行試驗(yàn)，混凝土和易性較好，3d、7d和28d強(qiáng)度均遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度，當(dāng)爐渣的摻量控制在合理范圍內(nèi)，則摻爐渣的混凝土力學(xué)性能和耐久性能均可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求。

（2）利用爐渣、再生骨料生產(chǎn)建筑材料是擴(kuò)大爐渣、再生骨料的綜合利用范圍，提高固廢資源化的主要途徑。爐渣、再生骨料的再利用會給混凝土企業(yè)和社會帶來相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益

（3）爐渣、再生骨料的應(yīng)用可以減小碳排放、節(jié)約資源和土地空間，具有良好的生態(tài)環(huán)境效益。

參考文獻(xiàn)

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供稿人：孫志強(qiáng)，趙樹業(yè)

編輯員：李海亮

審核人：孫繼成，寧夏

【標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范】

《建筑固廢再生砂粉應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》行標(biāo)

《建筑物綠色拆除與建筑垃圾綜合利用技術(shù)規(guī)程》CECS

《預(yù)拌混凝土使用說明書》團(tuán)標(biāo)

《砂漿和混凝土用石屑》團(tuán)標(biāo)

《預(yù)拌混凝土產(chǎn)品質(zhì)量追溯規(guī)范》團(tuán)標(biāo)

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建筑垃圾再生輕粗骨料技術(shù)

碳化再生骨料制備技術(shù)

【期刊著作】

《新技術(shù)在混凝土中的應(yīng)用》圖書

《常見預(yù)拌混凝土質(zhì)量事故分析百例》圖書

《預(yù)拌混凝土企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)室建設(shè)指南》圖書

混凝土技術(shù)發(fā)展中心（以下簡稱“中心”）隸屬建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)研究所，主要職能是跟蹤分析和研究國內(nèi)外混凝土行業(yè)科技前沿動態(tài)，為全國混凝土行業(yè)開展技術(shù)服務(wù)工作，包括出版技術(shù)期刊、研究制定標(biāo)準(zhǔn)、開展技術(shù)咨詢、舉辦技術(shù)會議、承擔(dān)行業(yè)培訓(xùn)、從事認(rèn)證評價(jià)和開發(fā)研究等，中心是建材情報(bào)所主要業(yè)務(wù)部門之一。中心擁有員工10人，其中博士3人，正高職稱3人，副高職稱4人。中心掛靠的行業(yè)協(xié)會分支機(jī)構(gòu)包括中國散裝水泥推廣發(fā)展協(xié)會混凝土專業(yè)委員會、中國散裝水泥推廣發(fā)展協(xié)會預(yù)制建筑產(chǎn)業(yè)專業(yè)委員會、中國砂石協(xié)會建筑固廢利用分會、建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)研究所雙碳研究中心。依托中心成立的平臺有預(yù)拌混凝土質(zhì)量追溯公共服務(wù)平臺、混凝土行業(yè)數(shù)字化服務(wù)平臺、中國商品混凝土行業(yè)企業(yè)專家委員會（擁有200余名行業(yè)一線專家）、北京砼享未來工程技術(shù)研究院（會員制技術(shù)和管理服務(wù)）。

中心每年參與多個(gè)混凝土技術(shù)咨詢和技術(shù)服務(wù)項(xiàng)目，包括雄安新區(qū)混凝土項(xiàng)目咨詢、河北省多個(gè)高速公路高性能混凝土技術(shù)咨詢、固廢基膠凝材料和再生復(fù)合摻合料研發(fā)和制備技術(shù)，以及數(shù)十個(gè)混凝土企業(yè)的技術(shù)服務(wù)工作。開展預(yù)拌混凝土綠色產(chǎn)品認(rèn)證和科技成果評價(jià)工作。

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