搅拌站固废复合掺合料在预拌混凝土中的应用研究

刘杰

随着建筑业向环保发展的转变以及环保混凝土配料厂的日益普及，绿色混凝土已成为市场的主流，环境保护为混凝土产业发展创造了新的机遇。传统的混凝土配料厂在生产过程中会产生大量的混凝土废物，这些废物经常堆积并占用大面积的土地资源，严重的污染已成为搅拌站的主要问题。废渣可充分有效地回收利用，既可节约混凝土生产成本，又可消除搅拌站固体废弃物对搅拌环境的污染。高性能绿色混凝土的使用，使复合掺合料替代传统混凝土和工业固体废物中的某些水泥，这降低了混凝土成本，提高了混凝土的耐久性。传统的混凝土矿物混合料包括矿渣粉、硅灰和石膏，这些都是对资源的浪费。在混凝土上使用固体废物的复合混合物大大提高了混凝土的适用性，含有固体废弃物的搅拌站可以对混凝土材料产生多组分进行混合。本文的主要内容是探讨如何对混合固体废弃物搅拌站进行控制，并通过实验探讨最佳混合比，除了混合物的使用对混合物工作性能的影响外，混凝土的力学性能和耐久性还可以有效地控制固体废弃物在混凝土生产和施工中的使用，并充分利用固体废物混合物的优势。

1.固废复合掺合料在混凝土中的应用背景

1.1 混凝土的具体发展

混凝土是工程中最重要的材料，自从引入水泥并随后进行混凝土和钢材混合以来，已有100 多年的历史。搅拌混凝土改变了建筑工程的生产方式，世界上第一座混凝土厂建于1903 年的德国，建成之后迅速得到世界各国的高度赞赏。在20 世纪80 年代初期，预拌混凝土的装运量占发达国家所有混凝土的60%～80%，我国的混凝土搅拌站于20 世纪80 年代初在上海和常州建成。在过去的20 年中，由于建筑范围的不断扩大，特别是东南沿海城市的快速发展，各级建筑管理部门采取了许多支持措施，城市工业混凝土的年产量为15%，上海、北京、广州、大连等地的混凝土消费量已达到60%以上，混凝土消费总量已接近国内发达国家的经济水平。近年来商品混凝土的使用量逐年大幅度增加，从全国的落后水平提高到77467万m3，已达到全国先进水平，行业整体发展良好。

1.2 掺合料在混凝土中的应用情况

随着混凝土掺合料技术的发展，掺合料在混凝土中的应用发展迅速，特别在高性能混凝土的研究和应用方面。但从掺合料使用的历史来看，掺合料的使用在不同的时间段是不同的。从20 世纪50 年代到80 年代，我国的水泥产量低，品种相对单一，人们通常使用一定量的掺合料代替水泥来混合混凝土材料。在70 年代和80 年代，随着人们对固废复合掺合料的认识增加，一些固废复合掺合料被添加到散装混凝土中，从而降低了混凝土的水化热并降低了用于水利工程和大型建筑的基础材料的开裂温度。至今，人们对固废复合掺合料的认识发生了很大变化，它们不再作为一些工业废混凝剂使用，而是作为混凝剂的基本改性材料。因此，来自固体复合材料混合物的应用技术也得到了极大地改善。然而，由于科研和管理水平的不同，不同地区和部门在实际项目中使用矿物掺合料的情况并不常见。例如，在北京、上海等科研能力和管理水平较高的地区开始使用矿物混合料时，许多国家对矿物混合物的使用才刚刚开始。同时，对矿物添加剂的生产和使用缺乏统一的质量标准和管理制度，矿物掺合料的生产和供应存在诸多问题，是制约掺合料使用和推广的主要障碍[1]。

2.混凝土掺合料的作用机理

当前主要通过物理和化学作用来改善混凝土的强度和耐久性。

（1）活性粉煤灰的化学作用与其活性成分有关。粉煤灰的活性提取取决于石灰的活性，即取决于化学活性二氧化硅，氧化铝和粉煤灰的反应产物，例如水合硅酸钙和水合铝酸钙，类似于水泥水合的产物，以及一些水化合物，可用作胶凝材料的一部分以增加效果。粉煤灰是水泥水合沉淀的产物，在初始阶段（即二次水合反应），氢氧化钙被吸附在飞灰颗粒的表面上。

（2）粉煤灰的形态学效应是指粉煤灰对粉煤灰颗粒物理性能的影响，例如内部结构，表面性能和粒度分布。由高温燃烧形成的颗粒主要是玻璃珠，它们是由二氧化硅-氧化铝玻璃制成的具有近似光滑外观的准球形颗粒。由于球形颗粒的表面是光滑的，所以在搅拌混凝土后，它们可以起到球润滑的作用，而不会增加或减少混凝土拌合料的耗水量，从而可以减少水量。当粗粒、多孔和不规则颗粒利用物理效应时，它们不仅失去混凝土的均匀性，而且破坏了混凝土的原始结构和性能。

（3）粉煤灰的微焦效应是指粉煤灰的细颗粒均匀分布在水泥流中，填充孔隙，改善混凝土的孔结构，提高混凝土的密实度。微集合体的优点主要体现在以下几个方面：①玻璃珠强度高。②微聚集效应自然提高了硬化浆体的结构强度，粉煤灰与水泥浆体界面形成的凝胶的微波硬度大于水泥凝胶。③粉煤灰颗粒比水泥浆的分散形式更好，对填充和细化混凝土孔和细孔具有积极作用。在某些情况下，混凝土的某些性能可能占主导地位[2]。

3.搅拌站固废复合掺合料

在搅拌设备过程中会产生大量的固体废物，例如沉淀和污泥。混凝土搅拌设备中的废渣、废混凝土和混凝土碎片通常很难处理，工业和固体废物水泥基复合材料在混凝土中只能通过水化反应形成部分水泥硬化产物，但是水泥的产状只能在初始阶段用大量的非水化颗粒填充，主要是由于粉体的粒径分布不合适，凝胶结构中存在大量的非水化颗粒。搅拌站的固体废物大部分是部分氢化水泥，设备将固体粉末混合到适当的粒度，以形成具有固体粒径的固体废物粉。研磨后的固体废旧复合粉体在早期具有成核作用，可以促进水泥的水合作用，促使混凝土获得较高的早期强度。在水合反应的后期，磨碎的固体岩石复合粉末具有一定的水合活性，可以进一步水合，以确保后期的混凝土具有较高的强度。通过各种实验研究，笔者所在的公司建立了具有自主知识产权的固体废物混合石膏混合料的混合装置，具有不同比表面积的矿渣和粉煤灰的混合装置，以及固体废物混合料的生产技术[3]。

4.固废复合掺合料对工作性能的影响

保持水泥、砂骨料、水、外加剂用量不变，试验中采用固体废弃物掺合料代替粉煤灰混凝土的流动性和不同含量的固废复合掺合料，分析固废复合掺合料的合理掺合比例。随着固体废弃物含量的增加，初始膨胀率明显增加，表明固体废弃物含量对混凝土流动性影响较大，混凝土含量相对较好。这是因为混凝土和水泥灰中固体废物掺合料的用量小于水，相当于拌和用水量的增加，混凝土流动性好，与固体废弃物复合粉体细度高，在加入塑化剂的机械搅拌和分散在水泥颗粒的共同作用下，改善了颗粒的状态，改变了混凝土性能。然而，适量的固体混合物并不都是好的，当用量增加到一定量时，混凝土的流动性都在下降，这是因为固体废物过多导致复合粉体早期水化较少，影响混凝土的性能。试验结果表明，用固体废弃物混合物代替水泥颗粒，可以提高混凝土的流动性[4]。

5.固废复合掺合料对混凝土力学性能的影响

固体混合料能否安全地应用于成品混凝土中，其对混凝土力学性能的影响尚需试验研究，C60 试验用于确定整个搅拌站的搅拌部分，固体废弃物混合物对不同强度的紧凑地板力学性能的影响，当然也会影响到具体的混合部位。试验了不同固含量的固灰分对混凝土的稳定流动性和抗压性能的影响，当固灰分含量为0.6 时，同一强度等级的混凝土的流动性没有明显提高，混凝土的抗压性能也有一定程度的提高。其原因是利用地面固体废弃物搅拌混凝土时，可以优化混合粉体和胶体颗粒的粒径分布，采用填充密度的搅拌体系可以提高密实度，缩小空隙，从而改善硬化混凝土的孔结构。因此，混凝土内部结构更为致密，相应的流动性和力学性能也更强。

6.结束语

通过大量的室内试验和生产结果分析，搅拌站复合粉磨产生的废料和工业废料可用于大体积混凝土和水下混凝土，可提高工业废矿矿渣复合掺合料的含量。复合外掺合料由固体废物搅拌站经超细粉碎而成，掺入混凝剂，不仅可以提高混凝剂的加工性能，而且能提高混凝土的密实度，还可以提高混凝剂的机械强度和耐久性。同时，可减少固体废物拌和站，回收利用，无害化处理，实现资源综合利用和环境保护的目的。