王晨晨，王學(xué)志，賀晶晶

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，錦州 121001；2.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院工程實(shí)驗監(jiān)測院，西安 710000）

可持續(xù)發(fā)展是指當(dāng)前人類的生產(chǎn)、生活和創(chuàng) 造行為，不會對未來人類的生存需求產(chǎn)生影響。該模式早在1987年就被稱為世界的發(fā)展模式[1]。我國也自1972年開始開展生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作[2]。近年來，隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展以及國家對新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的大力推進(jìn)，冶金廢渣、建筑垃圾等副產(chǎn)品的產(chǎn)量也在不斷攀增，而資源二次利用率卻只有10%左右，當(dāng)前這些工業(yè)固體廢棄物的處理方式大多以堆放、填埋為主，不僅造成了土地資源緊張，也加劇了環(huán)境污染。在“十四五”規(guī)劃中提到，當(dāng)前我國大宗工業(yè)固體廢棄物仍面臨產(chǎn)生強(qiáng)度高、利用不充分、綜合利用產(chǎn)品附加值低等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。關(guān)于工業(yè)固體廢棄物資源化利用的高質(zhì)量途徑探索成為當(dāng)前研究重點(diǎn)。

混凝土力學(xué)性能良好，具有耐久性、低成本、高剛性等諸多優(yōu)點(diǎn)，是土木工程中最廣泛使用的建筑材料?；炷辆G色化是可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要環(huán)節(jié)。將各行業(yè)產(chǎn)生的固體廢棄物綜合應(yīng)用于混凝土無疑屬綠色混凝土范疇[3]，這不僅響應(yīng)了國家“十四五”規(guī)劃中關(guān)于該領(lǐng)域的主要目標(biāo)，即：到2025年，大宗固體廢棄物的綜合利用能力顯著提升，利用規(guī)模不斷擴(kuò)大，新增工業(yè)固體廢棄物綜合利用率達(dá)到60%，實(shí)現(xiàn)了資源的二次利用。還能降低混凝土制備的經(jīng)濟(jì)成本，利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的同時也產(chǎn)生了生態(tài)效益。

通過歸納大量文獻(xiàn)研究，總結(jié)了眾多學(xué)者在該研究領(lǐng)域的工作進(jìn)展和研究成果，總結(jié)了關(guān)于硅錳渣、粉煤灰和煤矸石這3種固體廢棄物的物理化學(xué)特性，然后從理化性質(zhì)角度對工業(yè)固廢應(yīng)用于混凝土制備中的可行性作出了一定的機(jī)理分析，并進(jìn)一步討論了不同的摻量水平對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，系統(tǒng)性的針對工業(yè)固體廢棄物的再利用對混凝土的抗壓強(qiáng)度的影響研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。

1 工業(yè)固體廢棄物的物理化學(xué)特性

1.1 硅錳渣

硅錳渣的結(jié)構(gòu)疏松，外觀常為淺綠色，由一些形狀不規(guī)則的多孔非晶體粒組成[4]，顆粒密度在2.94cm3左右[5]。研究得出硅錳渣具有很強(qiáng)的抗?jié)窀?、凍融、溫度變化和化學(xué)腐蝕的能力[6]，且有與高爐爐渣相似的硅鈣性質(zhì)，但其化學(xué)成分不同[7]，表1為硅錳渣的主要化學(xué)組成成分及含量，且可以看出硅錳渣的主要化學(xué)組成為SiO2和CaO，其次是Al2O3和MnO，其含量總和接近90%，由于硅錳渣中MnO含量較低，CaO比例較高,這使其可以替代水泥用于混凝土[8]。

表1 硅錳渣的主要化學(xué)成分組成

1.2 粉煤灰

粉煤灰由細(xì)小的粉狀顆粒組成，主要為球形、固體或中空，大部分為玻璃性質(zhì)(無定形)，平均粒徑＜20μm[9]，比表面積在170m2/kg到1 000m2/kg之間，pH值在1.2到12.5之間[10]，質(zhì)地很輕。粉煤灰主要組成成分中按照氧化物的含量由大到小依次為：SiO2＞Al2O3＞Fe2O3＞CaO＞MgO＞K2O[11]。根據(jù)CaO含量是否大于10%，粉煤灰被分為膠凝灰或者火山灰，具有火山灰性質(zhì)的主要是F類（由燃燒無煙煤或煙煤所得，CaO含量一般低于10%）粉煤灰[12]，其中的SiO2與CaO水化釋放的Ca（OH）2反應(yīng)生成CaO.SiO2.2H2O，使得F級粉煤灰替代部分水泥時可以降低水化熱，從而降低混凝土早期開裂的風(fēng)險[13]，此特性使其在混凝土和其他建筑應(yīng)用中可以替代水泥使用。

1.3 煤矸石

煤矸石（圖1a）是在煤成形過程中與煤共同沉積的有機(jī)化合物和無機(jī)化合物混合在一起的巖石，通常呈薄層，其外觀呈黑色或灰黑色，表面多粘附煤泥和細(xì)顆粒，呈疏松狀，片狀顆粒和孔隙較多，性能波動較大。煤矸石在一定溫度下經(jīng)過長期堆放會發(fā)生自燃，形成自然煤矸石（圖1b），自然煤矸石堆積密度通常在900kg/m3—1 300kg/m3，且孔隙率高，含碳量低，具有一定的火山灰特性[14]。煤矸石與普通石子相比，由于其松散密度在1 100kg/m3左右，所以多用于制備輕骨料混凝土。

圖1 煤矸石圖片[15]

2 工業(yè)固體廢棄物對混凝土抗壓強(qiáng)度影響研究現(xiàn)狀

抗壓強(qiáng)度是指標(biāo)準(zhǔn)試件在壓力作用下直至破壞時的臨界值，單位面積所能承受的最大壓力，是混凝土基本力學(xué)性能之一，是開展其它性能試驗的前提條件。由于固體廢棄物的加入本身會使混凝土強(qiáng)度降低，而抗壓強(qiáng)度是固體廢棄物摻加量對強(qiáng)度損失最直觀的體現(xiàn)，只有當(dāng)抗壓強(qiáng)度在規(guī)范要求范圍內(nèi)，對其他力學(xué)性能及耐久性進(jìn)行研究才有意義。通過實(shí)驗室試驗研究不同因素對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，從而也為實(shí)際工程中混凝土應(yīng)用提供依據(jù)。

下文通過總結(jié)國內(nèi)外學(xué)者對硅錳渣、粉煤灰、煤矸石摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，總結(jié)出將其當(dāng)做原材料時，用于混凝土制備的最佳摻量范圍。

2.1 硅錳渣對混凝土抗壓強(qiáng)度影響的研究

我國鋼鐵產(chǎn)量居世界首位，隨著鋼鐵產(chǎn)量的增加，工業(yè)環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的廢棄物硅錳渣的產(chǎn)量也居高不下，如何對硅錳渣進(jìn)行最佳資源化處理是我們一直探究的。國內(nèi)外學(xué)者通過將硅錳渣篩分、磨細(xì)用做膠凝材料或輕骨料進(jìn)行了研究，表2主要為不同學(xué)者將硅錳渣作原材料使用時對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響進(jìn)行的研究。

表2 國內(nèi)外學(xué)者對硅錳渣的研究

當(dāng)前對硅錳渣的研究多數(shù)以國外學(xué)者偏多，且其研究方向都比較分散或與其他材料一起使用[9]。從文章中可以看出硅錳渣最常用做的材料還是取代部分水泥,且用量都不超過40%，摻量為15%時一般為最佳摻量，強(qiáng)度降低可接受范圍摻量為30%[4，16，17]。

硅錳渣中高含量的SiO2和Al2O3，所表現(xiàn)出的火山灰特性使其可以取代膠凝材料用于混凝土[18]，但由于堿性氧化物的存在，這會抑制混凝土的強(qiáng)度發(fā)展，且硅錳渣由于其礦物學(xué)特性本身呈酸性，這也是限制其在混凝土中大量取代膠凝材料的原因之一。若可以通過一定的物理化學(xué)方法對硅錳渣進(jìn)行一定的預(yù)處理便可以提高其在混凝土中的摻加量，提高硅錳渣的利用率。

2.2 粉煤灰對混凝土抗壓強(qiáng)度影響的研究

粉煤灰作為一種工業(yè)廢料，合理利用于混凝土不僅可以降低水泥的使用，增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)效益，而且對混凝土的后期強(qiáng)度還有一定的提高作用。粉煤灰部分取代水泥，對早期強(qiáng)度略有降低，對后期強(qiáng)度有一定提高作用主要是因為粉煤灰前期火山灰活性反映不充分，其膠凝性無法充分展現(xiàn)，而隨著時間的增長，粉煤灰中的SiO2和Al2O3與水泥反應(yīng)生成的Ca（OH）2越來越多，使混凝土后期強(qiáng)度、不透水性都有一定程度的增加。隨著對粉煤灰研究的深入，其摻量已不僅限于規(guī)范中要求的30%，越來越多的研究開始側(cè)重大摻量（即其摻量超出規(guī)范要求的30%甚至全部取代）粉煤灰對混凝土的影響，粉煤灰大摻量應(yīng)用于混凝土可以更大程度上解決粉煤灰的用量。粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用已成為研究重點(diǎn)，表3、表4分別介紹了國內(nèi)外學(xué)者對將粉煤灰用于混凝土?xí)r對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響研究。

表3 國內(nèi)學(xué)者對粉煤灰的研究

表4 國外學(xué)者對粉煤灰的研究

通過不同學(xué)者對粉煤灰的研究可以看出當(dāng)粉煤灰的摻量在10%—15%時，其力學(xué)性能表現(xiàn)最好[21，22]，當(dāng)增大粉煤灰的摻量時，其前期性能降低明顯，但對后期強(qiáng)度有一定的提高作用[23-26]，原因除了SiO2和Al2O3與水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成了Ca（OH）2外，還因為粉煤灰中粒徑很小的微珠和碎屑在水泥中可以相當(dāng)于未水化的水泥顆粒，極細(xì)小的微珠相當(dāng)于活潑的納米材料，能明顯地改善和增強(qiáng)混凝土及制品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高勻質(zhì)性和致密性[27-28]。

綜合學(xué)者們的研究可以看出粉煤灰摻量超過30%時性能開始出現(xiàn)明顯降低[30，32，33]，而在大摻量粉煤灰研究中有的學(xué)者得出當(dāng)粉煤灰摻量60%時，水泥砂漿180天的抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)水泥砂漿的95%，當(dāng)研究大摻量粉煤灰時還可以通過堿激發(fā)等化學(xué)方法在一定程度上增加其強(qiáng)度，通過部分學(xué)者對大摻量粉煤灰的研究，可以看出混凝土后期強(qiáng)度的優(yōu)勢明顯優(yōu)于早期強(qiáng)度[34]，突出了研究大摻量粉煤灰時的研究重點(diǎn)，也為將粉煤灰大摻量用作混凝土膠凝材料提供了依據(jù)，這也可以更好地大批量處理粉煤灰。

2.3 煤矸石對混凝土抗壓強(qiáng)度影響的研究

冬季北方地區(qū)的供暖需要消耗大量煤炭，煤炭的開采與洗選必然會產(chǎn)生煤矸石，煤矸石的大量堆放不僅會占用土地，煤矸石的長期堆放會使硫化物溢出污染大氣，甚至長期堆放的煤矸石會發(fā)生自燃造成火災(zāi)的發(fā)生。當(dāng)前國內(nèi)煤矸石的用途多為回收煤炭和黃鐵礦、用于發(fā)電、制造建筑材料等，但煤矸石的整體利用率仍然不高，為提高煤矸石的利用率，多數(shù)學(xué)者將煤矸石用作混凝土骨料，因為混凝土的易取材和使用普遍性，如果煤矸石在混凝土中合理應(yīng)用，將會很大程度上降低煤矸石對堆放對環(huán)境和土地造成的污染。

表5 和表6分別為國內(nèi)外學(xué)者將煤矸石單獨(dú)或者與其他材料混合作為混凝土原料對混凝土抗壓強(qiáng)度影響的研究。

表5 國內(nèi)學(xué)者對煤矸石的實(shí)驗研究

表6 國外學(xué)者對煤矸石的實(shí)驗研究

通過上述研究可以看出單摻煤矸石的混凝土其摻量在30%以下性能影響最小，摻量超過30%會使混凝土強(qiáng)度降低明顯[36-39]，原因主要是煤矸石內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松多孔[40]，且煤矸石摻量過大會形成強(qiáng)砂漿包裹弱骨料的現(xiàn)象，充當(dāng)粗骨料的煤矸石無法發(fā)揮其作用，致使混凝土強(qiáng)度降低。有的學(xué)者會在煤矸石混凝土的基礎(chǔ)上研究粉煤灰摻量對其性能的影響，這使粉煤灰與煤矸石可以共同消耗，大程度的增加固廢用量，在煤矸石混凝土基礎(chǔ)上摻加粉煤灰時，按其摻量不同，60天或90天抗壓強(qiáng)度能達(dá)到甚至超過未摻粉煤灰的煤矸石混凝土[41]。

這些研究多以自然煤矸石為研究對象，同樣得出當(dāng)煤矸石摻量不大時，可以使混凝土抗壓強(qiáng)度滿足規(guī)范要求[42，43]，但當(dāng)煤矸石摻量超過30%時，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)明顯降低[44]，這是因為自然煤矸石較原狀煤矸石來說含碳量低，且火山灰特性增強(qiáng)，使其與水泥界面的結(jié)合得以改善，所以在強(qiáng)度變化上自然煤矸石普遍優(yōu)于原狀煤矸石[45]。也有的學(xué)者得出當(dāng)自然煤矸石100%取代粗骨料時，混凝土強(qiáng)度較基準(zhǔn)強(qiáng)度降低19.4%[46]。

煤矸石自身疏松多孔，吸水率大是降低混凝土強(qiáng)度的主要原因，且煤矸石自身強(qiáng)度劣于天然骨料的強(qiáng)度，這導(dǎo)致其在混凝土中的摻加量不宜過高，避免引起過多的強(qiáng)度損失；其煤矸石本身的不穩(wěn)定性會使混凝土產(chǎn)生裂縫，這也是在研究和實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)高度重視的問題，在實(shí)驗室實(shí)際應(yīng)用煤矸石時常用高溫煅燒等方法除去一些表面雜質(zhì)，盡量減小其對強(qiáng)度損失的影響。

3 結(jié)語

1）通過對各種固體廢棄物的物理化學(xué)特性總結(jié)得出，將其摻入混凝土取代部分原材料具有一定的可行性。

2）通過分析其各自的摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響得出，通過控制其摻量可使取代部分骨料后的混凝土達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度的要求。

3）通過固體廢棄物綜合應(yīng)用于混凝土大大降低了工業(yè)廢棄物的堆放對環(huán)境造成的危害，響應(yīng)了可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的號召，降低了混凝土的生產(chǎn)成本，有利于提高企業(yè)和社會的經(jīng)濟(jì)效益。

4）硅錳渣、煤矸石、粉煤灰各自作為一種工業(yè)廢棄物應(yīng)用于混凝土有一定的可行性與合理性，但其摻量也局限在某一定量，如何大宗化的利用工業(yè)固體廢棄物，將其綜合應(yīng)用于混凝土以及對混凝土性能的影響值得我們繼續(xù)探究。