日本开发利用混凝土细骨料的现状综述

郑捷，卞成辉

（上海建工材料工程有限公司，上海 200041）

日本开发利用混凝土细骨料的现状综述

郑捷，卞成辉

（上海建工材料工程有限公司，上海 200041）

本文综述了日本近年来在混凝土细骨料研究方面取得的进展和成果，主要包括高炉矿渣细骨料的有关标准及其对混凝土性能的影响，以及同时采用海水和海砂制备混凝土的相关性能和社会经济效益，并指出了今后混凝土细骨料研究中需要解决的课题。

高炉矿渣细骨料；废弃物；工业副产物；混凝土性能；海水；海砂；氯离子

0 前言

据中国混凝土网的不完全统计，2012 年我国商品混凝土产量达 18.1 亿立方米，若以每立方米用砂 800kg 计，则 2012年的商品混凝土用砂量约为 14.5 亿吨。以上仅仅是不完全统计，尚未包括预制构件、房屋修缮及其他领域的建筑用砂，实际耗用量可能远大于以上的估算。

近几年来各地为了保护江堤河坝、维持生态平衡都不同程度做出严禁或限量开采的规定，以河砂为主的天然砂已无法满足建筑市场的需求。令人感到欣慰的是，据砂石工业“十二五发展规划”[1]中披露，“十一五”时期，我国砂石工业结构发生了显著变化，传统天然砂的比重从 2002 年的 90% 下降为 2005 年的 80%，2010 年下降到 50%。尽管如此，由于我国建筑用砂的需求总量非常庞大，天然河砂又受自然资源以及环境保护的制约，质优价廉的河砂已不复存在，因此，寻找新的细骨料资源，使混凝土行业实现从资源依赖型到资源创新型的转变已成为迫切需要研究的课题。日本相关工程技术人员在这方面进行了大量的研究和实践，借鉴他们所取得的进展和成果结合我国国情开展混凝土细骨料的研究，或许会给我们带来启迪和帮助。

1 日本混凝土细骨料使用概况

根据日本预拌混凝土工业行业协会的统计，2011 年预拌混凝土的产量达 8796 万立方米，细骨料耗用量约 7000 万吨，所使用细骨料种类所占百分比如图 1[2]所示。

图 1 2011 年日本预拌混凝土行业所使用细骨料种类占比

由图 1 可知河砂比例仅占 13.9%，说明经长年累月的开采，河砂资源已面临枯竭，同时也是为了切实保护资源环境，当地政府采取了限制性或禁止性措施。其次，机制砂和山砂两者相加所占比例大于 70%，说明在摆脱对河砂的依赖、开拓资源渠道及开发应用方面取得了成效，两者占有主导地位。第三，值得关注的是海砂的使用量也占到 12.2%。相关资料显示[2]，日本 43 个县中 20 个县不同程度地使用海砂，其中7个县海砂的使用比例高达 90% 以上。这从另外一个方面说明虽然氯盐是海砂中的主要有害物质，但是在深入研究的基础上，采取了积极稳妥的技术措施，即使海砂被大量使用，也未造成混凝土的质量事故。

众所周知，日本是一个岛国，也是一个资源匮乏的国家。为了抑制废弃物的排放，同时为了应对日益枯竭的天然骨料，日本相继制定了循环型社会的基本法及各种废弃物再生利用的有关法律。与此同时，废弃物的开发利用以及工业副产物配制混凝土的研究都取得了显著成果并在各种工程中得到应用。如高炉矿渣细骨料、铜矿渣细骨料、镍铁合金细骨料、垃圾焚烧残渣细骨料等正不断地作为混凝土细骨料被利用。以上各种细骨料已制定为 JISA5011 系列标准，而且制定了相应的设计施工指南。以高炉矿渣细骨料为例，自 1981年制定了用于混凝土的高炉矿渣细骨料标准（JISA5012）后经过 2 次修改，2013 年 3 月又进行了第 3 次修改。在此引用 2012 年日本钢铁矿渣统计年报的数据，当年用于混凝土的矿渣细骨料计 174.4 万吨。虽然仅占混凝土用细骨料总量的2.5% 左右，却在资源循环利用方面迈出了一大步。

2 高炉矿渣细骨料的研究

2.1 高炉矿渣细骨料标准简介

高炉矿渣是指在 1500℃ 高温下被熔融的铁矿石中将铁以外的成分及副原料中的石灰石、焦炭一起被分离所生成的矿渣，在熔融状态时经水或空气急冷，通过粒度调整而形成的细骨料。标准对高炉矿渣细骨料根据其粒径大小分类，见表 1

[3]。

2013 年新修订的标准 JISA5011—1—2003 混凝土用矿渣骨料—第 1 部：高炉矿渣骨料（包括粗骨料、细骨料）中对于高炉矿渣细骨料细粉含量规定最大为 7.0%，允许误差±2.0%。同时关于高炉矿渣细骨料的化学及物理性质的规定见表 2[4]。

表 1 高炉矿渣细骨料的分类

表 2 高炉矿渣细骨料的化学成分及物理性质

在化学成分分析方法上除了滴定法、质量法以外，新标准增加了 EDTA 滴定法、荧光 X 线分析法、ICP 发光分光分析法等。此外，率先导入了环境安全品质指标，对于使用高炉矿渣细骨料制备的混凝土构筑物，按其用途规定了各种化学物质的溶出量和含有量。这是考虑到混凝土构筑物在使用寿命结束后，作为路基材料再度被利用时可能产生的危险因素而制定的评定指标。表 3[4]是一般用途的环境安全品质标准。

表 3 一般用途的环境安全品质指标

因为矿渣在高温冶炼过程中不存在有机化合物，所以表3 安全品质指标中的有关项目都列为无机金属系元素。

目前全日本有 13 家高炉公司生产混凝土细骨料，4 家生产粗骨料。高炉矿渣粗细骨料的年销售量约 190 万吨。在初版的“高炉矿渣细骨料的混凝土配合比设计、施工指南及条文说明”中高炉矿渣细骨料在高强混凝土中的应用是排除在外的，经 2013 年修订后，高炉矿渣细骨料的使用规定为高强混凝土的设计基准强度是 36MPa 以上、60MPa 以下范围，对于超过 60MPa 的混凝土，只要通过试验，并提供可靠的试验数据，所要求的性能指标得到确认也可以使用。长期以来的试验、工程实践证明高炉矿渣细骨料是一种品质稳定的工业制品，作为混凝土的组成材料之一，不存在碱骨料反应，不含泥土、贝壳等杂质，无论单独使用还是与其它细骨料混合使用并无显著差别，作为天然骨料的替代材料在保护生态环境、降低能源消耗方面具有广阔的应用前景。

2.2 使用高炉矿渣细骨料的混凝土性能

随着研究工作的深入，近年来高炉矿渣细骨料的使用已从普通混凝土扩大到高强混凝土。为了考察高炉矿渣细骨料配制的混凝土以及采用混合细骨料（河砂与矿渣细骨料以 1:1混合）配制的混凝土与单独采用河砂配制的混凝土在各种性能上的差异，从而找寻其变化规律。试验所用原材料分别采用两种不同产地的河砂、三种不同厂家的矿渣细骨料，所有细骨料细度模数都在 Ⅱ 区范围，采用正交试验设计。主要试验结论如下：

（1）在普通混凝土强度范围内，高炉矿渣细骨料配制的混凝土为了取得与河砂配制的混凝土相同的流动性，必须增加单位用水量及外加剂掺量。但在高强混凝土范围，高炉矿渣细骨料配制的混凝土与河砂配制的混凝土其单位用水量及外加剂掺量相差不大。

（2）使用高炉矿渣细骨料配制的混凝土，空气含量比河砂配制的混凝土稍大。

（3）高炉矿渣细骨料配制的混凝土与河砂配制的混凝土都随着水灰比的减小而强度增加，因此高炉矿渣细骨料可以配制出 100MPa 以上的混凝土。

（4）若以河砂配制的混凝土强度为 100% 计，则以高炉矿渣细骨料配制的混凝土强度平均达 90%。水灰比为 60%、55%、40% 情况下，随着龄期的增加强度有随之增长的趋势，但水灰比为 24%、20% 的情况下，随着龄期的增加强度未呈增长的趋势。这是因为在水灰比 40%～60% 范围内，由于高炉矿渣细骨料的潜在水硬性，混凝土长期强度得以增长，但在低水灰比情况下潜在的水硬性作用受到限制，反而抑制了后期强度的增长。当采用混合细骨料配制混凝土时，其强度处于河砂及矿渣细骨料单独配制混凝土时的中间值。

（5）任何水灰比条件下，使用高炉矿渣细骨料的混凝土弹性模量比河砂配制的混凝土要大，混合细骨料配制的混凝土弹性模量在两者之间。

（6）高炉矿渣细骨料配制的混凝土干燥收缩率却比河砂配制的混凝土要小。

总结以往的试验研究，对于使用高炉矿渣细骨料配制的混凝土可以归纳为以下几个特点：一是高炉矿渣细骨料不含氯离子且所存在的活性二氧化硅含量极低，因此不具备氯离子侵蚀及碱骨料反应的风险；二是高炉矿渣细骨料配制的混凝土干燥收缩率比使用其他细骨料配制的混凝土要小；三是抗压强度方面与其他细骨料配制的混凝土相当。正是由于上述的这些特点近年来高炉矿渣细骨料配制的混凝土在许多工程上得到应用。从所掌握的工程应用资料中可以反映出高炉矿渣细骨料与其他细骨料混合应用居多，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

作为天然细骨料的海砂，由于所含的氯盐会促使钢筋发生锈蚀，因此一直被禁止使用。但是随着建筑用砂需求量的不断攀升，河砂资源的日益紧缺以及环境保护政策措施的健全，人们不得不关注储量丰富的海砂上。作为基本规定，海砂应作净化处理，但是净化海砂的同时需要耗用大量的淡水，而从世界水资源分布情况可知占地球上 96.5% 是海水，淡水仅占 2.5%，其他种类的水占 1%，并且可利用的淡水又仅仅占全部水资源的 0.8%。纵观混凝土生产的全过程，其耗用的淡水包括搅拌用水、试件养护用水、设备清洗用水等等，因此净化处理所需要的淡水及能耗，都不利于水资源的保护，也不利于混凝土行业的节能减排，在此背景下，开展海水、海砂配制混凝土的研究有着双重意义。

3.2 试验材料

试验研究的使用材料如表 4[5]所示。

表 4 使用材料

砂浆配合比和混凝土配合比中的水胶比都取 0.5，胶凝材料中矿渣微粉的掺量为 50%，粉煤灰的掺量为 20%，硅粉掺量为 10%，搅拌用的海水经测定氯离子浓度为 1.83%，假设未经净化的海砂氯离子含量为 0.3%，则相当于在山砂中添加的氯离子量为 1.5kg/m3，总氯离子含量为 4.5kg/m3，上述材料分别制作成砂浆试件和混凝土试件。

3.3 混凝土性能

3.3.1 凝结时间

比较使用海水和自来水搅拌的混凝土初终凝时间，发现采用海水搅拌的混凝土初凝时间提早 1 小时 30 分钟，终凝时间提早 2 小时 15 分钟，特殊外加剂对凝结时间并无影响。

图3中，原点为时间、空间、价值轴的交点，表示“英国”“此时”“自由贸易价值观”，“英国”在文本中处于隐藏状态。s1表示IDC成员“WTO”“世界”。o1和o2分别表示ODC成员“中国”“美国”，相比较而言，o1比o2在空间、价值轴上与IDC距离更短。o1和o2互相攻击，分别用l4和l5表示，且l4加粗表示以体现o2对o1的攻击行为更重于o1对o2的攻击行为。两者贸易战行为将威胁世界，用l3表示。此外，在不久的将来t1时间，美方行为对世界与自身都造成深远影响，用l1和l2表示。由于美方行为产生的影响重于双方行为产生的影响，因此l1和l2加粗表示。

3.3.2 抗压强度

在砂浆抗压强度方面，掺用矿渣微粉以海水搅拌的砂浆试件与相同胶凝材料但以自来水拌制的砂浆试件比较，7 天龄期的抗压强度提高 50%，28 天龄期的提高 15%，91 天以后强度增长变缓。掺加特殊外加剂情况下，以海水拌制的砂浆7 天抗压强度是自来水拌制的 2 倍左右，28 天则提高 50% 左右，一年龄期则有 20% 的增长。当掺用粉煤灰并以海水搅拌与相同胶凝材料以自来水拌制的砂浆相比，一年以内的任何龄期都有 10%～15% 的强度增长率，在添加特殊外加剂后，则有20%～30% 的强度增长。

在混凝土强度方面，掺用矿渣微粉以海水搅拌的情况下，比较相同胶凝材料采用自来水拌制的试件强度，7 天强度提高 60%，28 天提高 30%，91 天以后的强度基本持平；而采用特殊外加剂并掺用硅粉后，初期强度有了很大提高，28 天强度增长率达 60%，91 天龄期时有 20% 的增长。

3.3.3 抗渗性

在水压 1MPa 作用下经 48 小时透水试验，根据渗水高度计算渗透系数。结果是，与使用自来水搅拌的试件相比，使用海水的试件透水系数为 1/2，使用特殊外加剂时，透水系数仅为 1/4；而同时使用特殊外加剂及硅粉时，透水系数则减少至 1/70 即 4.7×10-14m/sec，可见海水、特殊外加剂、硅粉的联合使用，能够显著提高混凝土的抗渗性。

3.3.4 抗冻性

海水、海砂配制的混凝土试件经快速 300 次冻融循环后，在空气含量 3.5% 以上条件下，相对动弹性模量达到 85%以上，并未发现混凝土劣化。

3.3.5 干燥收缩

使用海水、海砂配制的混凝土相比自来水配制的混凝土，其干燥收缩要来得小。

3.3.6 加固材料的抗腐蚀性能

在混凝土中分别设置普通钢筋、环氧树脂涂层钢筋、碳纤维布，通过高压釜和常温常压循环快速试验，观察以上加固材料的腐蚀状况，经 33 次周期循环（相当于海洋环境 100年）后，比较发现普通钢筋已全部被腐蚀，环氧树脂涂层钢筋和碳纤维布并未被腐蚀。试验结果表明使用防腐蚀的涂层钢筋、非腐蚀性的碳纤维所构成的混凝土结构物完全适用于海水、未净化的海砂配制的混凝土。

3.4 成本与 CO2排放

若生产的混凝土量为 1000m3，河砂运距为 100km，使用的加固材料为环氧树脂涂层钢筋，就地取材使用海水、海砂制备混凝土与使用自来水、河砂制备混凝土两者进行比较，制备无筋混凝土时，生产成本可降低 10%，制备钢筋混凝土时，生产成本可降低 6%。在减少 CO2排放方面，使用海水、海砂所制备的混凝土可减少 CO2排放 40% 左右。

4 结语

本文重点介绍了日本开发利用工业副产物作为混凝土细骨料以及利用海水、海砂配制混凝土的研究情况，从一个侧面说明拓展混凝土细骨料的资源渠道和充分利用天然资源方面仍然存在着巨大的潜力，其中至少给予我们如下几点启示：

其一，对废弃物及工业副产物的资源化，并不是权宜之计，而是混凝土可持续发展的方向。从多年前的矿渣微粉、粉煤灰的开发到如今已成为胶凝材料的组成部分，可以预见众多废弃物及工业副产物通过研究、开发，一定会被混凝土接受并逐步适应各种工程的要求。同时随着研究工作的深入和工程应用的推广，它们的特点和作用也逐渐被人们所认识，并在混凝土各项性能中发挥自己的长处。

其二，在资源化的同时考虑到下一轮循环利用时对环境的影响，率先导入了环境安全品质指标，这是 2013 年新修订的标准中值得关注的地方。标准提示我们以再生骨料以及各种工业副产物所产生的资源化制品，不仅在初次应用时还必须在再循环利用时对环境的影响作出评估，制定相应的品质管理指标，这也是绿色环保型混凝土的最基本要求。

其三，作为天然资源的海水和海砂因含有氯离子长期以来一直被禁止使用，我国行业标准《海砂混凝土应用技术规