功能骨料微觀結(jié)構(gòu)  周永祥/供圖

 

　　目前，混凝土消納固廢有兩條路徑：粉料和骨料/集料。近日，在接受記者采訪時(shí)，中國(guó)建筑學(xué)會(huì)建筑材料分會(huì)副理事長(zhǎng)兼秘書長(zhǎng)、北京工業(yè)大學(xué)教授周永祥表示，固廢以摻和料的形式在混凝土中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但仍有部分低品質(zhì)固廢仍沒有得到很好利用。固廢基人造骨料可為大規(guī)模消納多種低品質(zhì)固廢開辟一條新的渠道，進(jìn)一步推進(jìn)固廢在土木工程材料中的資源化利用。

 

 

中國(guó)建筑學(xué)會(huì)建筑材料分會(huì)副理事長(zhǎng)兼秘書長(zhǎng)、北京工業(yè)大學(xué)教授周永祥

 

　　蒸壓工藝制備骨料

 

　　可拓展原料種類

 

　　周永祥表示，過去數(shù)十年，人們不斷嘗試?yán)貌煌脑炝９に噷⒏鞣N固廢的粉狀材料制成粒狀材料——人造骨料。燒結(jié)陶粒是人們最為熟知的人造骨料。陶粒雖然有諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但因?yàn)閮r(jià)格明顯高于普通砂石，且難以滿足結(jié)構(gòu)混凝土對(duì)于骨料強(qiáng)度、彈性模量、施工均勻性等方面的要求，故在結(jié)構(gòu)混凝土中應(yīng)用很少。輕質(zhì)陶粒更多是作為非結(jié)構(gòu)材料使用，以發(fā)揮其輕質(zhì)、保溫、隔音等特殊性能優(yōu)勢(shì)。陶粒燒結(jié)溫度超過1000℃，能耗大，因此，傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝在生產(chǎn)上也受到一定的限制。

 

　　除了高溫?zé)Y(jié)骨料，還有冷粘合骨料，即采用水泥或其他類型膠凝材料在常溫下膠結(jié)固化細(xì)顆粒固廢。冷粘合骨料的主要問題是水泥等活性膠凝材料用量較高，而低活性固廢利用率低，成品綜合性能不良，目前的產(chǎn)品質(zhì)量還不適宜用于結(jié)構(gòu)混凝土。

 

　　周永祥指出，不同于燒結(jié)骨料和冷粘合骨料，南京理工大學(xué)崔崇教授團(tuán)隊(duì)提出蒸壓工藝制備骨料的方法。該方法采用適當(dāng)比例的鈣質(zhì)原料與硅質(zhì)原料，經(jīng)配料、成球與包殼等工藝制成球形顆粒，在蒸壓條件下（氣壓約1MPa，溫度180～240℃），形成以托貝莫來石為主要成分的骨料，其抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)26MPa，表觀密度為1850～2050kg/m?。該方法的生產(chǎn)原材料十分廣泛，硅質(zhì)原料可以是粉煤灰、爐渣、尾礦、石材鋸泥甚至是渣土、泥漿等SiO?含量較高的低品質(zhì)固廢，鈣質(zhì)原料則可以采用鋼渣、電石渣、堿渣等。這種工藝固廢摻入比例一般不會(huì)低于85%，在原材料匹配程度較高的情況下，固廢使用率接近95%～98%。

 

　　水熱合成工藝既拓展了原材料的種類，又避免了燒結(jié)的高能耗，生產(chǎn)能耗大幅度降低，還可以利用鋼廠、電廠的余熱。

 

　　合理應(yīng)用固廢

 

　　可降低混凝土水泥用量

 

　　談到蒸壓工藝骨料的特點(diǎn)，周永祥表示，蒸壓硅酸鹽骨料，筒壓強(qiáng)度高，但表觀密度大，用于輕骨料混凝土并沒有特別大的優(yōu)勢(shì)，更適合用于普通結(jié)構(gòu)混凝土中。考慮到普通結(jié)構(gòu)混凝土對(duì)強(qiáng)度、彈性模量、長(zhǎng)期收縮、徐變等性能的要求，也不宜大量使用，而是以一定比例（如骨料體積的10%～30%）置換普通砂石。這樣既利用了這種骨料的粒形（接近正球形）、顆粒級(jí)配（可控制在2～10mm）等特征優(yōu)勢(shì)，作為混凝土骨料的改良組分（不是全部替代），能夠維持普通混凝土的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)基本不變。

 

　　“我們團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，如在每立方米混凝土中摻入固廢基功能骨料150～200kg，同時(shí)降低混凝土單方用水量10～20kg，水泥用量可降低30～60kg；利用這種骨料的粒形和級(jí)配改善效應(yīng)，可保證混凝土拌和物良好的工作性能，混凝土的密度、強(qiáng)度、彈性模量可以維持不變；蒸壓骨料的表觀密度為1850～2050kg/m?，在混凝土中不容易分層，保證了混凝土的勻質(zhì)性。”

 

　　周永祥指出，固廢基功能骨料用于普通結(jié)構(gòu)混凝土，具有顯著改善混凝土綜合性能的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在高強(qiáng)混凝土、超高泵送混凝土、自密實(shí)混凝土、自養(yǎng)護(hù)混凝土、自防水混凝土、高抗裂混凝土、鋼管混凝土等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。我國(guó)巨大的混凝土消耗量將為固廢基功能骨料每年提供2～4億噸的市場(chǎng)容量。

 

　　還需進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍

 

　　盡管前景廣闊，但當(dāng)前固廢及其功能骨料的發(fā)展還存在以下幾方面挑戰(zhàn)。

 

　　周永祥認(rèn)為，一是需要進(jìn)一步擴(kuò)大原材料的種類范圍。目前，粉煤灰、爐渣、尾礦、鋼渣、堿渣、建筑垃圾再生微粉及一些SiO?含量較高的工程渣土，都可以作為固廢基功能骨料的原材料，甚至要考慮消納處理危廢，例如生活垃圾焚燒所產(chǎn)生的飛灰。原材料的種類及其組合方案越多，固廢利用率越高，生產(chǎn)成本越低，這套技術(shù)的適應(yīng)性也更好。

 

　　二是需要在更多的地方建立生產(chǎn)點(diǎn)。因?yàn)楣橇鲜且粋€(gè)運(yùn)輸半徑比較小的地方性材料，只有生產(chǎn)點(diǎn)分布廣才能減少運(yùn)輸成本，終端用戶才能低成本獲取材料。目前浙江中勁環(huán)保科技有限公司在寧波和福鼎實(shí)現(xiàn)了功能骨料的規(guī)模化生產(chǎn)，但與龐大的市場(chǎng)需求相比，這顯然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

 

 

固廢基功能骨料生產(chǎn)車間  周永祥/供圖

 

　　三是完善標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。固廢基功能骨料是一個(gè)剛剛起步的新材料，目前標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還沒跟上。

 

　　周永祥表示，功能骨料有望成為普通混凝土原材料構(gòu)成中除水泥、砂、石、水、外加劑和摻和料之外的第七組分。這條技術(shù)路線一旦走通，將帶來巨大的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。一方面，人們可以把很多難以在混凝土里直接利用的低品質(zhì)固廢，通過這種低碳的造粒工藝變成一種能夠發(fā)揮特殊作用的骨料，可以在混凝土甚至在結(jié)構(gòu)混凝土里加以利用。對(duì)固廢而言，這是一項(xiàng)改變固廢利用途徑、實(shí)現(xiàn)固廢價(jià)值提升的創(chuàng)新技術(shù)；對(duì)于應(yīng)用端混凝土而言，功能骨料可以改善骨料級(jí)配和拌和物流動(dòng)性，為降低混凝土單方用水量和水泥用量創(chuàng)造了條件，配合比的優(yōu)化使得混凝土的綜合性能也隨之改善。而且，功能骨料不同于普通砂石，它的組成、結(jié)構(gòu)甚至一些特殊功能可以進(jìn)行人為設(shè)計(jì)和控制，這就為混凝土技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展提供了巨大的想象空間。當(dāng)前人們對(duì)功能骨料的認(rèn)識(shí)還不是那么完全，仍需加緊從材料到構(gòu)件再到結(jié)構(gòu)的全方位研究，進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。