鄭捷，卞成輝

（上海建工材料工程有限公司，上海 200041）

日本開發(fā)利用混凝土細(xì)骨料的現(xiàn)狀綜述

鄭捷，卞成輝

（上海建工材料工程有限公司，上海 200041）

本文綜述了日本近年來在混凝土細(xì)骨料研究方面取得的進(jìn)展和成果，主要包括高爐礦渣細(xì)骨料的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及其對混凝土性能的影響，以及同時采用海水和海砂制備混凝土的相關(guān)性能和社會經(jīng)濟(jì)效益，并指出了今后混凝土細(xì)骨料研究中需要解決的課題。

高爐礦渣細(xì)骨料；廢棄物；工業(yè)副產(chǎn)物；混凝土性能；海水；海砂；氯離子

0 前言

據(jù)中國混凝土網(wǎng)的不完全統(tǒng)計，2012 年我國商品混凝土產(chǎn)量達(dá) 18.1 億立方米，若以每立方米用砂 800kg 計，則 2012年的商品混凝土用砂量約為 14.5 億噸。以上僅僅是不完全統(tǒng)計，尚未包括預(yù)制構(gòu)件、房屋修繕及其他領(lǐng)域的建筑用砂，實際耗用量可能遠(yuǎn)大于以上的估算。

近幾年來各地為了保護(hù)江堤河壩、維持生態(tài)平衡都不同程度做出嚴(yán)禁或限量開采的規(guī)定，以河砂為主的天然砂已無法滿足建筑市場的需求。令人感到欣慰的是，據(jù)砂石工業(yè)“十二五發(fā)展規(guī)劃”[1]中披露，“十一五”時期，我國砂石工業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，傳統(tǒng)天然砂的比重從 2002 年的 90% 下降為 2005 年的 80%，2010 年下降到 50%。盡管如此，由于我國建筑用砂的需求總量非常龐大，天然河砂又受自然資源以及環(huán)境保護(hù)的制約，質(zhì)優(yōu)價廉的河砂已不復(fù)存在，因此，尋找新的細(xì)骨料資源，使混凝土行業(yè)實現(xiàn)從資源依賴型到資源創(chuàng)新型的轉(zhuǎn)變已成為迫切需要研究的課題。日本相關(guān)工程技術(shù)人員在這方面進(jìn)行了大量的研究和實踐，借鑒他們所取得的進(jìn)展和成果結(jié)合我國國情開展混凝土細(xì)骨料的研究，或許會給我們帶來啟迪和幫助。

1 日本混凝土細(xì)骨料使用概況

根據(jù)日本預(yù)拌混凝土工業(yè)行業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計，2011 年預(yù)拌混凝土的產(chǎn)量達(dá) 8796 萬立方米，細(xì)骨料耗用量約 7000 萬噸，所使用細(xì)骨料種類所占百分比如圖 1[2]所示。

圖 1 2011 年日本預(yù)拌混凝土行業(yè)所使用細(xì)骨料種類占比

由圖 1 可知河砂比例僅占 13.9%，說明經(jīng)長年累月的開采，河砂資源已面臨枯竭，同時也是為了切實保護(hù)資源環(huán)境，當(dāng)?shù)卣扇×讼拗菩曰蚪剐源胧?。其次，機(jī)制砂和山砂兩者相加所占比例大于 70%，說明在擺脫對河砂的依賴、開拓資源渠道及開發(fā)應(yīng)用方面取得了成效，兩者占有主導(dǎo)地位。第三，值得關(guān)注的是海砂的使用量也占到 12.2%。相關(guān)資料顯示[2]，日本 43 個縣中 20 個縣不同程度地使用海砂，其中7個縣海砂的使用比例高達(dá) 90% 以上。這從另外一個方面說明雖然氯鹽是海砂中的主要有害物質(zhì)，但是在深入研究的基礎(chǔ)上，采取了積極穩(wěn)妥的技術(shù)措施，即使海砂被大量使用，也未造成混凝土的質(zhì)量事故。

眾所周知，日本是一個島國，也是一個資源匱乏的國家。為了抑制廢棄物的排放，同時為了應(yīng)對日益枯竭的天然骨料，日本相繼制定了循環(huán)型社會的基本法及各種廢棄物再生利用的有關(guān)法律。與此同時，廢棄物的開發(fā)利用以及工業(yè)副產(chǎn)物配制混凝土的研究都取得了顯著成果并在各種工程中得到應(yīng)用。如高爐礦渣細(xì)骨料、銅礦渣細(xì)骨料、鎳鐵合金細(xì)骨料、垃圾焚燒殘渣細(xì)骨料等正不斷地作為混凝土細(xì)骨料被利用。以上各種細(xì)骨料已制定為 JISA5011 系列標(biāo)準(zhǔn)，而且制定了相應(yīng)的設(shè)計施工指南。以高爐礦渣細(xì)骨料為例，自 1981年制定了用于混凝土的高爐礦渣細(xì)骨料標(biāo)準(zhǔn)（JISA5012）后經(jīng)過 2 次修改，2013 年 3 月又進(jìn)行了第 3 次修改。在此引用 2012 年日本鋼鐵礦渣統(tǒng)計年報的數(shù)據(jù)，當(dāng)年用于混凝土的礦渣細(xì)骨料計 174.4 萬噸。雖然僅占混凝土用細(xì)骨料總量的2.5% 左右，卻在資源循環(huán)利用方面邁出了一大步。

2 高爐礦渣細(xì)骨料的研究

2.1 高爐礦渣細(xì)骨料標(biāo)準(zhǔn)簡介

高爐礦渣是指在 1500℃ 高溫下被熔融的鐵礦石中將鐵以外的成分及副原料中的石灰石、焦炭一起被分離所生成的礦渣，在熔融狀態(tài)時經(jīng)水或空氣急冷，通過粒度調(diào)整而形成的細(xì)骨料。標(biāo)準(zhǔn)對高爐礦渣細(xì)骨料根據(jù)其粒徑大小分類，見表 1

[3]。

2013 年新修訂的標(biāo)準(zhǔn) JISA5011—1—2003 混凝土用礦渣骨料—第 1 部：高爐礦渣骨料（包括粗骨料、細(xì)骨料）中對于高爐礦渣細(xì)骨料細(xì)粉含量規(guī)定最大為 7.0%，允許誤差±2.0%。同時關(guān)于高爐礦渣細(xì)骨料的化學(xué)及物理性質(zhì)的規(guī)定見表 2[4]。

表 1 高爐礦渣細(xì)骨料的分類

表 2 高爐礦渣細(xì)骨料的化學(xué)成分及物理性質(zhì)

在化學(xué)成分分析方法上除了滴定法、質(zhì)量法以外，新標(biāo)準(zhǔn)增加了 EDTA 滴定法、熒光 X 線分析法、ICP 發(fā)光分光分析法等。此外，率先導(dǎo)入了環(huán)境安全品質(zhì)指標(biāo)，對于使用高爐礦渣細(xì)骨料制備的混凝土構(gòu)筑物，按其用途規(guī)定了各種化學(xué)物質(zhì)的溶出量和含有量。這是考慮到混凝土構(gòu)筑物在使用壽命結(jié)束后，作為路基材料再度被利用時可能產(chǎn)生的危險因素而制定的評定指標(biāo)。表 3[4]是一般用途的環(huán)境安全品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

表 3 一般用途的環(huán)境安全品質(zhì)指標(biāo)

因為礦渣在高溫冶煉過程中不存在有機(jī)化合物，所以表3 安全品質(zhì)指標(biāo)中的有關(guān)項目都列為無機(jī)金屬系元素。

目前全日本有 13 家高爐公司生產(chǎn)混凝土細(xì)骨料，4 家生產(chǎn)粗骨料。高爐礦渣粗細(xì)骨料的年銷售量約 190 萬噸。在初版的“高爐礦渣細(xì)骨料的混凝土配合比設(shè)計、施工指南及條文說明”中高爐礦渣細(xì)骨料在高強(qiáng)混凝土中的應(yīng)用是排除在外的，經(jīng) 2013 年修訂后，高爐礦渣細(xì)骨料的使用規(guī)定為高強(qiáng)混凝土的設(shè)計基準(zhǔn)強(qiáng)度是 36MPa 以上、60MPa 以下范圍，對于超過 60MPa 的混凝土，只要通過試驗，并提供可靠的試驗數(shù)據(jù)，所要求的性能指標(biāo)得到確認(rèn)也可以使用。長期以來的試驗、工程實踐證明高爐礦渣細(xì)骨料是一種品質(zhì)穩(wěn)定的工業(yè)制品，作為混凝土的組成材料之一，不存在堿骨料反應(yīng)，不含泥土、貝殼等雜質(zhì)，無論單獨使用還是與其它細(xì)骨料混合使用并無顯著差別，作為天然骨料的替代材料在保護(hù)生態(tài)環(huán)境、降低能源消耗方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.2 使用高爐礦渣細(xì)骨料的混凝土性能

隨著研究工作的深入，近年來高爐礦渣細(xì)骨料的使用已從普通混凝土擴(kuò)大到高強(qiáng)混凝土。為了考察高爐礦渣細(xì)骨料配制的混凝土以及采用混合細(xì)骨料（河砂與礦渣細(xì)骨料以 1:1混合）配制的混凝土與單獨采用河砂配制的混凝土在各種性能上的差異，從而找尋其變化規(guī)律。試驗所用原材料分別采用兩種不同產(chǎn)地的河砂、三種不同廠家的礦渣細(xì)骨料，所有細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)都在 Ⅱ 區(qū)范圍，采用正交試驗設(shè)計。主要試驗結(jié)論如下：

（1）在普通混凝土強(qiáng)度范圍內(nèi)，高爐礦渣細(xì)骨料配制的混凝土為了取得與河砂配制的混凝土相同的流動性，必須增加單位用水量及外加劑摻量。但在高強(qiáng)混凝土范圍，高爐礦渣細(xì)骨料配制的混凝土與河砂配制的混凝土其單位用水量及外加劑摻量相差不大。

（2）使用高爐礦渣細(xì)骨料配制的混凝土，空氣含量比河砂配制的混凝土稍大。

（3）高爐礦渣細(xì)骨料配制的混凝土與河砂配制的混凝土都隨著水灰比的減小而強(qiáng)度增加，因此高爐礦渣細(xì)骨料可以配制出 100MPa 以上的混凝土。

（4）若以河砂配制的混凝土強(qiáng)度為 100% 計，則以高爐礦渣細(xì)骨料配制的混凝土強(qiáng)度平均達(dá) 90%。水灰比為 60%、55%、40% 情況下，隨著齡期的增加強(qiáng)度有隨之增長的趨勢，但水灰比為 24%、20% 的情況下，隨著齡期的增加強(qiáng)度未呈增長的趨勢。這是因為在水灰比 40%～60% 范圍內(nèi)，由于高爐礦渣細(xì)骨料的潛在水硬性，混凝土長期強(qiáng)度得以增長，但在低水灰比情況下潛在的水硬性作用受到限制，反而抑制了后期強(qiáng)度的增長。當(dāng)采用混合細(xì)骨料配制混凝土?xí)r，其強(qiáng)度處于河砂及礦渣細(xì)骨料單獨配制混凝土?xí)r的中間值。

（5）任何水灰比條件下，使用高爐礦渣細(xì)骨料的混凝土彈性模量比河砂配制的混凝土要大，混合細(xì)骨料配制的混凝土彈性模量在兩者之間。

（6）高爐礦渣細(xì)骨料配制的混凝土干燥收縮率卻比河砂配制的混凝土要小。

總結(jié)以往的試驗研究，對于使用高爐礦渣細(xì)骨料配制的混凝土可以歸納為以下幾個特點：一是高爐礦渣細(xì)骨料不含氯離子且所存在的活性二氧化硅含量極低，因此不具備氯離子侵蝕及堿骨料反應(yīng)的風(fēng)險；二是高爐礦渣細(xì)骨料配制的混凝土干燥收縮率比使用其他細(xì)骨料配制的混凝土要?。蝗强箟簭?qiáng)度方面與其他細(xì)骨料配制的混凝土相當(dāng)。正是由于上述的這些特點近年來高爐礦渣細(xì)骨料配制的混凝土在許多工程上得到應(yīng)用。從所掌握的工程應(yīng)用資料中可以反映出高爐礦渣細(xì)骨料與其他細(xì)骨料混合應(yīng)用居多，混合比例在7%～60% 不等。

3 海水、海砂配制混凝土的研究

3.1 研究背景

作為天然細(xì)骨料的海砂，由于所含的氯鹽會促使鋼筋發(fā)生銹蝕，因此一直被禁止使用。但是隨著建筑用砂需求量的不斷攀升，河砂資源的日益緊缺以及環(huán)境保護(hù)政策措施的健全，人們不得不關(guān)注儲量豐富的海砂上。作為基本規(guī)定，海砂應(yīng)作凈化處理，但是凈化海砂的同時需要耗用大量的淡水，而從世界水資源分布情況可知占地球上 96.5% 是海水，淡水僅占 2.5%，其他種類的水占 1%，并且可利用的淡水又僅僅占全部水資源的 0.8%?？v觀混凝土生產(chǎn)的全過程，其耗用的淡水包括攪拌用水、試件養(yǎng)護(hù)用水、設(shè)備清洗用水等等，因此凈化處理所需要的淡水及能耗，都不利于水資源的保護(hù)，也不利于混凝土行業(yè)的節(jié)能減排，在此背景下，開展海水、海砂配制混凝土的研究有著雙重意義。

3.2 試驗材料

試驗研究的使用材料如表 4[5]所示。

表 4 使用材料

砂漿配合比和混凝土配合比中的水膠比都取 0.5，膠凝材料中礦渣微粉的摻量為 50%，粉煤灰的摻量為 20%，硅粉摻量為 10%，攪拌用的海水經(jīng)測定氯離子濃度為 1.83%，假設(shè)未經(jīng)凈化的海砂氯離子含量為 0.3%，則相當(dāng)于在山砂中添加的氯離子量為 1.5kg/m3，總氯離子含量為 4.5kg/m3，上述材料分別制作成砂漿試件和混凝土試件。

3.3 混凝土性能

3.3.1 凝結(jié)時間

比較使用海水和自來水?dāng)嚢璧幕炷脸踅K凝時間，發(fā)現(xiàn)采用海水?dāng)嚢璧幕炷脸跄龝r間提早 1 小時 30 分鐘，終凝時間提早 2 小時 15 分鐘，特殊外加劑對凝結(jié)時間并無影響。

圖3中，原點為時間、空間、價值軸的交點，表示“英國”“此時”“自由貿(mào)易價值觀”，“英國”在文本中處于隱藏狀態(tài)。s1表示IDC成員“WTO”“世界”。o1和o2分別表示ODC成員“中國”“美國”，相比較而言，o1比o2在空間、價值軸上與IDC距離更短。o1和o2互相攻擊，分別用l4和l5表示，且l4加粗表示以體現(xiàn)o2對o1的攻擊行為更重于o1對o2的攻擊行為。兩者貿(mào)易戰(zhàn)行為將威脅世界，用l3表示。此外，在不久的將來t1時間，美方行為對世界與自身都造成深遠(yuǎn)影響，用l1和l2表示。由于美方行為產(chǎn)生的影響重于雙方行為產(chǎn)生的影響，因此l1和l2加粗表示。

3.3.2 抗壓強(qiáng)度

在砂漿抗壓強(qiáng)度方面，摻用礦渣微粉以海水?dāng)嚢璧纳皾{試件與相同膠凝材料但以自來水拌制的砂漿試件比較，7 天齡期的抗壓強(qiáng)度提高 50%，28 天齡期的提高 15%，91 天以后強(qiáng)度增長變緩。摻加特殊外加劑情況下，以海水拌制的砂漿7 天抗壓強(qiáng)度是自來水拌制的 2 倍左右，28 天則提高 50% 左右，一年齡期則有 20% 的增長。當(dāng)摻用粉煤灰并以海水?dāng)嚢枧c相同膠凝材料以自來水拌制的砂漿相比，一年以內(nèi)的任何齡期都有 10%～15% 的強(qiáng)度增長率，在添加特殊外加劑后，則有20%～30% 的強(qiáng)度增長。

在混凝土強(qiáng)度方面，摻用礦渣微粉以海水?dāng)嚢璧那闆r下，比較相同膠凝材料采用自來水拌制的試件強(qiáng)度，7 天強(qiáng)度提高 60%，28 天提高 30%，91 天以后的強(qiáng)度基本持平；而采用特殊外加劑并摻用硅粉后，初期強(qiáng)度有了很大提高，28 天強(qiáng)度增長率達(dá) 60%，91 天齡期時有 20% 的增長。

3.3.3 抗?jié)B性

在水壓 1MPa 作用下經(jīng) 48 小時透水試驗，根據(jù)滲水高度計算滲透系數(shù)。結(jié)果是，與使用自來水?dāng)嚢璧脑嚰啾?，使用海水的試件透水系?shù)為 1/2，使用特殊外加劑時，透水系數(shù)僅為 1/4；而同時使用特殊外加劑及硅粉時，透水系數(shù)則減少至 1/70 即 4.7×10-14m/sec，可見海水、特殊外加劑、硅粉的聯(lián)合使用，能夠顯著提高混凝土的抗?jié)B性。

3.3.4 抗凍性

海水、海砂配制的混凝土試件經(jīng)快速 300 次凍融循環(huán)后，在空氣含量 3.5% 以上條件下，相對動彈性模量達(dá)到 85%以上，并未發(fā)現(xiàn)混凝土劣化。

3.3.5 干燥收縮

使用海水、海砂配制的混凝土相比自來水配制的混凝土，其干燥收縮要來得小。

3.3.6 加固材料的抗腐蝕性能

在混凝土中分別設(shè)置普通鋼筋、環(huán)氧樹脂涂層鋼筋、碳纖維布，通過高壓釜和常溫常壓循環(huán)快速試驗，觀察以上加固材料的腐蝕狀況，經(jīng) 33 次周期循環(huán)（相當(dāng)于海洋環(huán)境 100年）后，比較發(fā)現(xiàn)普通鋼筋已全部被腐蝕，環(huán)氧樹脂涂層鋼筋和碳纖維布并未被腐蝕。試驗結(jié)果表明使用防腐蝕的涂層鋼筋、非腐蝕性的碳纖維所構(gòu)成的混凝土結(jié)構(gòu)物完全適用于海水、未凈化的海砂配制的混凝土。

3.4 成本與 CO2排放

若生產(chǎn)的混凝土量為 1000m3，河砂運(yùn)距為 100km，使用的加固材料為環(huán)氧樹脂涂層鋼筋，就地取材使用海水、海砂制備混凝土與使用自來水、河砂制備混凝土兩者進(jìn)行比較，制備無筋混凝土?xí)r，生產(chǎn)成本可降低 10%，制備鋼筋混凝土?xí)r，生產(chǎn)成本可降低 6%。在減少 CO2排放方面，使用海水、海砂所制備的混凝土可減少 CO2排放 40% 左右。

4 結(jié)語

本文重點介紹了日本開發(fā)利用工業(yè)副產(chǎn)物作為混凝土細(xì)骨料以及利用海水、海砂配制混凝土的研究情況，從一個側(cè)面說明拓展混凝土細(xì)骨料的資源渠道和充分利用天然資源方面仍然存在著巨大的潛力，其中至少給予我們?nèi)缦聨c啟示：

其一，對廢棄物及工業(yè)副產(chǎn)物的資源化，并不是權(quán)宜之計，而是混凝土可持續(xù)發(fā)展的方向。從多年前的礦渣微粉、粉煤灰的開發(fā)到如今已成為膠凝材料的組成部分，可以預(yù)見眾多廢棄物及工業(yè)副產(chǎn)物通過研究、開發(fā)，一定會被混凝土接受并逐步適應(yīng)各種工程的要求。同時隨著研究工作的深入和工程應(yīng)用的推廣，它們的特點和作用也逐漸被人們所認(rèn)識，并在混凝土各項性能中發(fā)揮自己的長處。

其二，在資源化的同時考慮到下一輪循環(huán)利用時對環(huán)境的影響，率先導(dǎo)入了環(huán)境安全品質(zhì)指標(biāo)，這是 2013 年新修訂的標(biāo)準(zhǔn)中值得關(guān)注的地方。標(biāo)準(zhǔn)提示我們以再生骨料以及各種工業(yè)副產(chǎn)物所產(chǎn)生的資源化制品，不僅在初次應(yīng)用時還必須在再循環(huán)利用時對環(huán)境的影響作出評估，制定相應(yīng)的品質(zhì)管理指標(biāo)，這也是綠色環(huán)保型混凝土的最基本要求。

其三，作為天然資源的海水和海砂因含有氯離子長期以來一直被禁止使用，我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《海砂混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)