双碳”目标下大宗固废制备低碳混凝土的关键技术研究

双碳”目标下大宗固废制备低碳混凝土的关键技术研究

张灵巧

山西二建集团有限公司

摘要：水泥混凝土是世界范围内用量最大的人造材料，由于生产混凝土材料广泛存在，使得其相比于其它人工材料具有价廉物美的特点，因此其地位在国民经济发展和人们日常生活中扮演着重要角色。但随着社会的发展，混凝土原材料中的胶凝材料水泥生产过程不仅要消耗大量不可再生资源，而且耗能量也巨大。在诸多降低水泥混凝土生产和使用过程中能耗和碳排放的手段中，掺加具有水化硬化活性的工业固体废弃物是常用的技术手段。工业固体废弃物包括电力、冶金、印染、化工等多部门种类繁多的粗产品。另一方面随着生活水平的提高，高分子材料生产技术的发展，人类制造出种类繁多的高分子材料如塑料、橡胶、玻璃。为生活提供便利的同时也产生了大量的固体废弃物。传统的处理方法填满和焚烧，既污染环境，又不能实现废弃资源的再利用。因此国内外科研工作者开始寻求新的解决方案，将这些固体废弃材料分类回收，冲洗粉碎做成颗粒物，作为掺合料代替混凝土中部分组分，展开对这种新型有机材料掺合料混凝土的基本性能影响的研究。为工程应用提供科学依据同时也开创了实现绿色混凝土的新途径。下面就选取几种我国较为常见的工业废弃物浅谈其在水泥混凝土中的应用。

1粉煤灰的利用

粉煤灰资源化利用是建立在对其性能认识的基础之上的。其

在水泥混凝土中性能的发挥主要是靠其物理形貌特性和潜在化学活

性作用。

1.1粉煤灰在混凝土中利用的特点

粉煤灰混凝土不仅可以用于普通粉煤灰混凝土，而且还能用于许多普通混凝土难以适应的场所。粉煤灰在混凝土中能充分发挥的性能包括三大效应 ：微集料效应、微珠效应、火山灰效应。粉煤灰应用研究主要围绕这三方面展开。

粉煤灰对水泥混凝土性能的影响主要表现在以下几个方面 ：

1.1.1粉煤灰等量取代水泥后，由于粉煤灰的绝对密度小于水

泥的绝对密度，因此可以节约了水泥的掺量。

1.1.2利用粉煤灰的球形特性，其在拌合物中可以达到增加拌

合物流动性的目的，从而可以减少混凝土用水量，增强了混凝土的密实性。

1.1.3粉煤灰取代水泥可在一定程度上提高拌合物中细粉颗

粒比例，减小不同密度组分分离的趋势，降低拌合物的泌水率。

1.1.4减少了混凝土的徐变。掺粉煤灰的水泥混凝土拌合物其

性能在后期仍然有一定程度的发展，对结构的徐变有一定的抑制作用。

1.1.5降低水化热、减小热膨胀。粉煤灰的掺加，减少了水泥

的用量，可以降低混凝土中的水化放热。粉煤灰本身的火山灰反应

过程比较缓慢，减少了混凝土热膨胀出现裂缝的几率。

1.1.6提高混凝土密实度。粉煤灰颗粒具有的物理减水作用可

以增加拌合物的流动性。此外，由于粉煤灰的潜在火山灰活性，反

应过程的生成物可以填充水泥石中毛细孔。

1.2粉煤灰活性激发

从粉煤灰火山灰反应特点中可以看出，粉煤灰，自身不具备或很少具备自水化性能，只有在碱性条件下其潜在的活性才会得到发挥。为使粉煤灰材料在水泥混凝土体系中的潜在活性能更好的发挥，研究者提出了许多活化措施。粉煤灰活性激发主要有化学激发、物理激发、热力激发和复合活化。物理激发主要是针对较粗的粉煤灰颗粒采用物理粉磨的方法提高其细度 ；热力激发是指适当提高反应物化学反应温度，提高粉煤灰的反应活性 ；复合激发是将诸如化学激发、热力激发等手段复合使用，提高活性激发效果。

2矿渣粉的利用

从矿渣的产生过程可以看出，其是经历高温的铝硅酸盐矿物极冷后得到的。加之其为钙基脱氧工艺的副产品，因此其组成与水泥生料高温烧成得到的熟料产物有相似的组分。故而矿渣粉在水泥混凝土中有较高的利用价值。

同粉煤灰一样，矿渣粉用于水泥混凝土中有两种掺加方式，其一是作为水泥混合材，即掺入硅酸盐水泥一起作为普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥使用 ；其二是用作水泥混凝土的掺合料，即使用过程中替代硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。矿渣粉作为水泥混凝土掺合料使用时，具有以下特点 ：（1）提高混凝土致密度，增强材料耐腐蚀性。（2）降低水化热并防止开裂现象。

3脱硫石膏的利用

脱硫石膏的化学组成主要是二水石膏和部分碳酸钙及可溶性碱金属盐类。其在水泥混凝土中所发挥的作用主要是水泥熟料的缓凝剂和火山灰材料，如粉煤灰、矿渣粉的活性激发剂。研究结果显示，脱硫石膏加入含火山灰质材料的混凝土中后，可促进体系钙矾石的生成，提高体系早期强度，并有利于减少混凝土材料的收缩。此外，脱硫石膏中的碱金属离子对促进含火山灰质材料的早期强度亦有积极作用。

硫酸盐在水泥混凝土中性能的发挥与其溶解特性相关。溶解度大、溶解速度快的硫酸盐对含火山灰质材料性能的激发效果更加显著。二水石膏常温下的溶解度只有2.05g/L，因此其活性激发效果的发挥通常需要的量较大。

4使用废弃塑料作为混凝土的惰性掺合料

塑料作为二十世纪最有意义的发明，在日常生活中得到了广泛应用。大量不可降解废弃塑料的堆积，引发了严重的环境问题。传统的处理方法填满和焚烧，既污染环境，又不能实现废弃资源的再利用。因此科研工作者开始寻求新的解决方案，将废弃塑料分类回收，冲洗粉碎做成颗粒物，代替混凝土组分砂子， 取得了很多具有实际应用价值的成果。塑料作为高分子材料与砂石相比具有密度低，弹性高，热传递系数小等优势。

废弃PVC管材是建筑行业中较为普遍的废弃塑料垃圾材料。研究证明废弃PVC塑料具有作为非结构性轻质混凝土材料的潜力。当分别采用0%，5%，15%，30%，45%体积取代细骨料砂子时获得的轻质混凝土在抗压强度和抗拉强度、和密度不同程度减小，且工作性能降低。但弹性模量和泊松比提高，且塑性明显提高。另外由于塑料的憎水性，其抗收缩性和抗氯离子渗透性有提高。将废弃的PVC管材塑料粉碎至2-4mm 在60℃烘干经化学处理之后，后分别采用 3% 和 5%的质量比与沥青混凝土混合做成试件研究这种混合试件的轻度、变形能力和耐久性。加入废弃的PVC管材塑料的试件的强度和抵抗永久变形的能力均有提高，其疲劳寿命要高于普通沥青混凝土。且3%和5%的试件路面车辙深度测定值远远小于普通的沥青混凝土。

5结语

综上所述，工业固体废弃物在水泥混凝土中有着广泛而巨大的应用潜质，对工业废弃物合理的综合利用将为现代建筑业，工业等多个行业带来较好的经济效益及环境影响，是符合节能减排，创建绿色社会的研究方向。