工業廢渣在水泥和混凝土中的適用性研究
摘要 研究了由工業廢渣和無堿礦物激發劑所制備的輔助性膠凝材料在水泥和混凝土中的適用性情況。實驗表明，在水泥中摻入輔助性膠凝材料不能明顯提高復合水泥的強度，甚至使復合水泥的強度下降；而混凝土中摻入輔助性膠凝材料能有效提高混凝土的強度。從而得出工業廢渣的綜合利用更適合于發展制備混凝土的結論。
關鍵詞:工業廢渣 輔助性膠凝材料 水泥 混凝土 強度
水泥和混凝土是迄今為止用量最大的人造建筑材料。2004年全球的水泥產量為21億t，而全球混凝土的產量已達到60億t，這是其他任何材料望塵莫及的。中國是世界的水泥生產大國，近年來的水泥產量均居世界第一，但是水泥工業本身對自然資源的依賴和給環境造成嚴重污染的局面卻沒得到根本改變。與此同時，隨著我國工業化的步伐加快，特別是重工業對環境造成的有害影響也不容忽視。據2004年中國環境狀況公報顯示：“全國工業固體廢物產生量為12億t，比上年增長了20％，綜合利用率僅為55.7%”。因此，將工業廢渣的處理和水泥混凝土的生產聯系起來成為水泥混凝土工業可持續發展的必經之路[1]。水泥混凝土工業已在一定程度解決了部分工業廢渣的處理問題，因為我國水泥生產標準允許在水泥熟料中加入不超過15%的由工業廢渣制成的混合材制備復合水泥；在混凝土制備中一般可以用不超過30%的由工業廢渣制成的摻合料代替水泥的使用量。從利用水泥混凝土生產處理工業廢渣的角度看，當然是希望在水泥混凝土中加入工業廢渣量越多越好，但是工業廢渣的活性往往很低，在水泥和混凝土中的摻量不能無限量地提高，同時水泥和混凝土是兩個完全不同的體系，它們的結構和物性不同[2～6]，即使是相同的輔助性膠凝材料在這兩個體系中也可能體現出不同的作用。由此以來便有這樣的問題：工業廢渣的利用更適合于復合水泥的生產還是更適用于混凝土的制備？如何正確、有效地利用工業廢渣成為一個意義重大的現實問題。
本文采用粉煤灰、礦渣和鋼渣等工業廢渣配合自制無堿礦物激發劑作為輔助性膠凝材料，研究其在水泥和混凝土中的適用性情況。實驗所使用的無堿礦物激發劑（SXD）是一種新型激發劑，它的使用不會增加水泥或混凝土中的堿含量，而能激發輔助性膠凝材料的水化活性，以及具有水化微膨脹性。
1 實 驗
1.1 實驗原料
(1) 水泥。大連山PO42.5水泥 (A C)、蘇特PO42.5水泥 (B C)、江南水泥廠金牛PⅡ42.5水泥（C C）、龍潭PO42.5水泥（D C）。
(2) 輔助性膠凝材料。南京熱電廠Ⅰ、Ⅱ級粉煤灰、細磨礦渣（比表面積：340 m2/kg）、細磨鋼渣（比表面積：430 m2/kg）和自制無堿礦物激發劑。粉煤灰、礦渣和鋼渣的化學分析見表1。
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表1 粉煤灰、礦渣和鋼渣的化學組成（質量分數）
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(3) 工程碎石、河砂及商品高效減水劑。
1.2 實驗方法
（1）水泥力學性能測試實驗。水泥力學性能測試按照GB/T17671－1999 水泥膠砂強度檢驗方法進行。
（2）混凝土力學性能測試實驗。混凝土力學性能測試實驗按照GB/T50081－2002進行。實驗配比標準參照C30商品混凝土配比標準，C30商品混凝土配比及力學性能標準見表2。
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表2 C30商品混凝土配合比及其力學性能指標 kg/m3（除坍落度、壓強外）
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2 實驗結果與討論
2.1 輔助性膠凝材料在水泥中的作用
在PⅡ42.5水泥中加入30%的工業廢渣并摻入不同量的無堿礦物激發劑制備復合水泥，其3 d和28 d抗折抗壓強度見表3。
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表3 復合水泥配比及實驗結果 g（除最佳摻量、壓強外）
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從表3可以看到，在硅酸鹽水泥中加入輔助性膠凝材料后，其3 d和28 d抗折抗壓強度都明顯下降。在a組粉煤灰復合水泥中，適當的無堿礦物激發劑能夠激發粉煤灰的潛在水化活性，使粉煤灰復合水泥的強度提高，但增加不大。在b組礦渣復合水泥中，無堿礦物激發劑僅能提高礦渣復合水泥的3 d強度，而其28 d強度反而下降。在c組鋼渣復合水泥中，無堿礦物激發劑不但不能激發鋼渣的活性，反而使鋼渣復合水泥的強度降低。以上結果顯示，在PⅡ42.5水泥中加入30%的工業廢渣并不能制備等標號的復合水泥。
2.2 輔助性膠凝材料在混凝土中的作用
在混凝土中以輔助性膠凝材料部分代替水泥使用量，其標準齡期抗壓強度見表4。從表4可以看出，在混凝土中加入輔助性膠凝材料均能不同程度的提高混凝土的強度。同時，無堿礦物激發劑的摻量對于不同的混凝土體系存在最佳摻量值。在A組C30商品混凝土實驗中，工業廢渣占總膠凝材料的34.2%，無堿礦物激發劑的最佳摻量為1.5％。A3較A1的7 d和28 d的抗壓強度分別提高了22.4％和15.6％。激發劑摻量超過1.5％，混凝土的抗壓強度下降，但仍比不摻激發劑的混凝土的抗壓強度高。在B組混凝土實驗中，工業廢渣占總膠凝材料的34.2%，提高粉煤灰的摻量代替部分礦渣，混凝土的抗壓強度隨著無堿礦物激發劑的摻量增加而增加。當無堿礦物激發劑的摻量為2.0％時，B4較B1的7 d和28 d的抗壓強度分別提高了23.7％和36.6％。在粉煤灰摻量進一步提高的C組混凝土實驗中，工業廢渣占總膠凝材料的47.4%，無堿礦物激發劑的最佳摻量為2.0％。C3較C1相比，其7 d和28 d的抗壓強度分別提高了58.6％和40.3％。激發劑摻量超過2.0％，混凝土的抗壓強度下降，但仍比不摻激發劑的混凝土的抗壓強度高。以上結果顯示，在C30商品混凝土中用輔助性膠凝材料大量代替水泥使用量時，也能制造等標號的混凝土。特別是C組混凝土，適量的無堿礦物激發劑的使用使混凝土的強度提高了一個標號，達到C40混凝土的標準。分析其原因是由于無堿礦物激發劑能有效激發輔助性膠凝材料的活性，以及在維持混凝土相同坍落度的情況下，無堿礦物激發劑具有一定的減水作用，使混凝土的密實度增加。
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表4 混凝土配合比及實驗結果 kg/m3(除最佳摻量、坍落度和壓強外)
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2.3 相同輔助性膠凝材料在水泥和混凝土中的作用
在水泥和混凝土兩個不同的體系中加入完全相同的輔助性膠凝材料部分代替水泥，為了對比復合水泥和混凝土同齡期強度，故增加了復合水泥7 d的水泥膠砂強度測試。輔助性膠凝材料對復合水泥和混凝土強度影響見表5。
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表5 復合水泥和混凝土配比及實驗結果 kg/m3（除除最佳摻量、壓強外）
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從表5可以看出，以0組純水泥和純水泥混凝土作為基準對比樣，在水泥中摻入輔助性膠凝材料，無論無堿礦物激發劑的使用與否，復合水泥各齡期的強度都比純水泥的強度低。在混凝土中，無堿礦物激發劑能有效激發工業廢渣水化活性，使混凝土的早期強度提高，甚至超過純水泥混凝土的早期強度。這也就是說明相同的輔助性膠凝材料在水泥和混凝土中所體現出的作用完全不同：在水泥中摻入輔助性膠凝材料使復合水泥的強度不合格，達不到等標號水泥強度標準；而在混凝土中摻入相同的輔助性膠凝材料卻能大幅度提高混凝土的強度。
3 結 論
（1）在水泥中摻入工業廢渣和無堿礦物激發劑所制備的輔助性膠凝材料不能明顯提高復合水泥的強度，甚至使其強度下降。
（2）在混凝土中摻入工業廢渣和無堿礦物激發劑所制備的輔助性膠凝材料能大幅度提高混凝土的早期強度，超過了純水泥混凝土的早期強度。
（3）工業廢渣的綜合利用更適合于與制備混凝土相結合。
4 結 語
水泥工業是資源密集型和高能耗、高污染的產業，在對環境保護日益重視的今天必須對其發展加以控制。將我國水泥工業逐步與國際標準接軌，生產高品位水泥，把工業廢渣綜合利用的重心轉移到制備綠色高性能混凝土上[7]，這才是我國水泥混凝土工業的發展方向。而粉煤灰、礦渣和鋼渣等工業廢渣對混凝土的耐久性有較大的貢獻[8]，所以在混凝土中減少水泥的使用量，提高工業廢渣的摻量，這不但使混凝土具備更優異的耐久性，而且必將產生更大的環境效益、社會效益和經濟效益。
參考文獻
1 唐明述.水泥混凝土與可持續發展.中國水泥，2003，10：23～30
2 Torben C.Hansen，physical structure of hardened cement paste，a classical approach. Matériaux Et Constructions，1986，19（114）：423～436
3 Shi C，Xie P.Interface between cement paste and quartz sand in alkali-activated slag mortars. Cement and Concrete Research，1998，28（6）：887～896
4 Buyukozturk O，Hearing B. Crack propagation in concrete composites influenced by interface fracture parameters. International Journal of Solids and Structures，1998，35（31～32）：4055～4066
5 Uysal H，Demirboga R，Sahin R，et al.The effects of different cement dosages，slumps and pumice aggregate ratios on the compressive strength and densities of concrete.Cement and Concrete Research，2003，33（8）：1245～1249
6 Uysal H，Demirboga R，Sahin R，et al.The effects of different cement dosages，slumps and pumice aggregate ratios on the thermal conductivity and densities of concrete.Cement and Concrete Research，2004，34（5）：845～848
7 吳中偉.綠色高性能混凝土――混凝土的發展方向.混凝土與水泥制品，1998，1：3～6
8 唐明述.充分利用工業廢渣修筑江河湖海的萬里長城.科技導報，1998，12：16～18
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