工程檔案：爐渣、再生骨料部分替代天然砂石用于生產(chǎn)高性能混凝土的應用研究及其生態(tài)性、經(jīng)濟性分析

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本文選自《商品混凝土》雜志2024年第2期

爐渣、再生骨料部分替代天然砂石用于生產(chǎn)高性能混凝土的應用研究及其生態(tài)性、經(jīng)濟性分析

孫志強，趙樹業(yè)，張永強，楊澤

［摘 要］為了有效解決爐渣的無害化處理，資源化利用的環(huán)保難題，通過采用爐渣等量替代天然細骨料，同時采用再生粗骨料、天然粗骨料和機制砂作為骨料設計了摻用爐渣的混凝土。結果表明：在混凝土中用一定量的爐渣替代天然砂，可配制出抗壓強度為 50MPa 以上的混凝土，其 28d 抗壓強度和耐久性能均高于普通混凝土；爐渣在普通混凝土中替代天然砂，可以增強混凝土的抗壓強度，提高其耐久性，并在工程中成功應用。爐渣的應用可以減少碳排放、節(jié)約資源和土地空間，具有良好的生態(tài)環(huán)境效益。

［關鍵詞］爐渣；綠色高性能混凝土；生態(tài)；經(jīng)濟；可行性

0 引言

爐渣是煤在燃煤鍋爐中燃燒時生成的固體廢棄物，它主要由灰分、煤渣和廢渣組成。其中灰分占比最大；煤渣是煤燃燒后被鍋爐相對集中地拋出的一種炭素質(zhì)顆粒物；廢渣是含負荷的小顆粒物與灰分等鍋爐煙氣中的化合物的混合物。因此，燃煤鍋爐爐渣含有大量的氧化物、硅、鋁、鈣、鈣鎂石膏和其他微量元素等。爐渣的主要污染物是重金屬離子，如汞、鉛、鉻、鎘等。這些重金屬離子對環(huán)境有較大的危害，若滲入土壤、流入水域，會對植物和水生生物的生長和繁殖造成不利影響。

混凝土在建筑工程領域中是應用最廣泛、用量最大的建筑材料。混凝土材料的發(fā)展應綜合考慮環(huán)境保護、能源節(jié)約、資源節(jié)約，協(xié)調(diào)發(fā)展。將爐渣代替天然砂用于綠色混凝土生產(chǎn)，將有利于爐渣新技術的開發(fā)與應用，并且擴大了廢棄物的利用范圍。

本文以爐渣為處理對象，將其作為細骨料替代天然砂，用于配制普通混凝土。通過對摻爐渣水泥混凝土的工作性能﹑力學性能和耐久性能進行測試，研究爐渣對混凝土性能的影響。

1 試驗用原材料的選擇

（1）爐渣：試驗所用的爐渣均采用寧夏寶豐能源集團有限公司動力廠生產(chǎn)的爐渣。主要化學成分見表1，物理性能見表2，由數(shù)據(jù)可以看出，爐渣的物理性能接近普通混凝土中使用的天然砂。

（2）細骨料：選擇寧夏志輝砂石有限公司生產(chǎn)的機制砂。其主要性能指標見表3。

（3）粗骨料：選擇寧夏寶豐能源集團有限公司各項目建設過程中的混凝土建筑垃圾廢料，經(jīng)該公司破碎站破碎成5～25mm的連續(xù)級配再生粗骨料。滿足GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》中Ⅱ類碎石的指標要求。天然粗骨料選擇寧夏志輝砂石有限公司生產(chǎn)的5～25mm連續(xù)級配破碎石，主要性能指標見表4。由于再生粗骨料壓碎指標和微粉含量較高，經(jīng)過大量試驗論證，配合比設計中以40%比例替代天然粗骨料。

（4）水泥：選用寧夏賽馬水泥有限公司PO42.5R級水泥，其主要物理力學性能見表5，礦物成分見表6，化學成分見表7。

（5）粉煤灰：選用寧夏寶豐能源集團有限公司動力二廠煤粉鍋爐收集的F類Ⅰ級粉煤灰，其主要物理性能見表8，化學成分見表9。

（6）礦粉：選用平羅縣金筑新材料技術有限公司S95級礦粉，其主要物理性能見表10，化學成分見表11。

（7）外加劑：選用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的PCA-Ⅰ型高性能減水劑，減水率為29%，摻量為2.5%～3.0%，

（8）拌和水：與常規(guī)混凝土相同，選用自來水。

2 試驗方法

（1）爐渣需水量測定按照國家相關標準進行。

（2）水泥砂漿力學性能測試按照GB/T 17871—1999《水泥砂漿強度檢驗方法》進行。

（3）混凝土抗壓強度和抗折強度試驗按照GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法》進行。

（4）混凝土坍落度試驗按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法》進行。

（5）混凝土氯離子滲透試驗按照ASTM C1202-2012《混凝土耐氯離子穿透能力電標的標準試驗方法》進行。

（6）混凝土耐久性能測試按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進行。

（7）混凝土配合比設計按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》。

3 混凝土配合比的確定

3.1 爐渣的顆粒級配特性

經(jīng)過大量試驗論證，取75%的機制砂和30%的爐渣混合配制成Ⅱ區(qū)中砂，細度模數(shù)為2.7。篩分試驗結果見表12。

由表12可知，爐渣的級配與機制砂相比有很大差異：小于1.25mm和大于0.315mm的爐渣顆粒，特別是小于1.25mm的顆粒明顯小于機制砂，從整體來看，爐渣屬于細砂﹐通過摻配可以改善爐渣和機制砂的顆粒級配，30%爐渣和70%機制砂的混合砂其技術參數(shù)基本滿足JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準》標準中Ⅱ區(qū)中砂的技術要求。

3.2 爐渣對水泥砂漿性能的影響

3.2.1 水泥砂漿流動度和需水量

表13為爐渣對水泥砂漿流動度與需水量的影響。

由表13可見，在水泥砂漿中采用爐渣替代天然砂，在用水量不變的情況下，摻加30%的爐渣，水泥砂漿的流動度有所下降。壓蒸法試驗結果表明：爐渣對水泥砂漿安定性無不良影響。由試驗可知，爐渣替代30%天然砂用量，水泥砂漿需水量有所提高，爐渣吸水率大是水泥砂漿在摻加爐渣后需水量大的主要原因，此問題已通過提高聚羧酸減水劑中保坍組分得以解決。

3.2.2 水泥砂漿力學性能

表14為爐渣摻量對水泥砂漿力學性能的影響。

由表14可知，在保持用水量不變的條件下，隨爐渣的加入，水泥砂漿強度有明顯提高。究其原因是爐渣具有潛在的水硬活性，可以參與水泥水化。

3.3 用爐渣代替天然砂混凝土性能分析

由于爐渣與天然砂的細度模數(shù)和各粒徑累計篩余率有很大差別，根據(jù)不同含量的試驗比較和分析，最終確定采用爐渣替代天然砂與機制砂摻配用于普通混凝土中。爐渣和機制砂按此比例混合后。

用爐渣代替天然砂用于普通混凝土中 ，選擇C15、C20，C25、C30、C35、C40配比分別進行小機試驗，對配合比數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。具體數(shù)據(jù)見表15。

從表15中可以看出，隨著聚羧酸減水劑的提高，混凝土的坍落度損失下降。通過增加聚羧酸高效減水劑的組分和用量，可以抵消因使用爐渣而增加的混凝土用水量。使混凝土用水量在不增加的同時，保持足夠的工作、力學性能，達到泵送施工要求。

3.4 用爐渣代替天然砂混凝土力學性能

分別測試每組混凝土的抗壓強度，如表16所示。從試驗結果來看，各組混凝土配合比的實際抗壓強度均滿足混凝土強度設計要求，而且強度均遠遠高于設計強度，膠凝材料還有很大的優(yōu)化空間。

具體原因是爐渣二氧化硅較高、燒失量很低，具有潛在的水硬活性，在混凝土成型、凝結過程和硬化過程中可參與水泥水化，改善混凝土水泥漿與集料間界面結構與性能，所以在宏觀上表現(xiàn)出混凝土強度提高。

由試驗結果還可知，水泥用量僅為270kg/m，爐渣摻量為細集料用量的30%，同時采用活性摻合料部分替代水泥時，就可配制出抗壓強度為50MPa以上的混凝土。

3.5 用爐渣代替天然砂耐久性

將爐渣代替天然砂的混凝土與不摻爐渣的混凝土進行強度和耐久性等試驗比較，數(shù)據(jù)見表17?？沽蛩猁}侵蝕能力檢測是將試樣在5%的NaSO溶液中浸泡60天后再測量其抗壓強度。從表17中可以看出，摻用爐渣混凝土的耐久性指標較普通混凝土均有很大的提高。

4 工程應用

目前爐渣替代天然砂混凝土已成功地應用于寧夏寶豐能源集團有限公司工程建設項目中，生產(chǎn)前對全材料進場采取嚴格檢查并標識。生產(chǎn)過程中，檢測混凝土坍落度，并按要求留置生產(chǎn)試塊，按規(guī)定方法進行檢驗，具體結果見表18。成型后的表面密實，外觀理想。圖1為混凝土現(xiàn)場施工狀態(tài)，圖2為成型后的效果。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟與社會效益

目前寧夏寶豐能源集團有限公司爐渣相較于市場細骨料價格60元每噸，剔除運輸成本9元，每噸可節(jié)約成本費用51元，按照每月消耗9000噸計算，可產(chǎn)生經(jīng)濟效益45.9萬元；處置費以每噸30元計，可節(jié)約處置費用27萬元，總計每月可節(jié)約72.9萬元，全年預計節(jié)約874.8萬元。

爐渣的利用對生態(tài)環(huán)境和社會的貢獻主要為：保護環(huán)境、減少碳排放；節(jié)約資源和土地空間。

5.2 減少碳排放

混凝土和使用爐渣的混凝土在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的CO大致可分為原材料的碳排放、運輸過程的碳排放和混凝土生產(chǎn)過程的碳排放。現(xiàn)假設原生混凝土和使用爐渣除了細骨料外的其他材料的生產(chǎn)、運輸均相同，那么，二者碳排放的區(qū)別主要取決于骨料的運輸距離。就該公司的地理環(huán)境來說，最近的砂石來源地寧東地區(qū)已經(jīng)被禁止開采，獲取砂石的方式只能從外地通過公路運輸運送過來，平均運輸距離60km。而爐渣是動力公司生產(chǎn)過程中排放的廢渣，用于最臨近的商砼站，平均運輸距離5.5km，大大降低了骨料運輸過程的碳排放，為減小溫室效應做出巨大貢獻，具有非常顯著的生態(tài)示范效益

已知產(chǎn)品運輸油耗導致的直接碳排放通常采用運輸距離法，按照下式計算：

CO＝EF·D·H

式中：

CO——單位混凝土產(chǎn)品運輸?shù)奶寂欧?，kg；

EF——混凝土運輸油品消耗的排放因子，取0.074kg/MJ；

——單位混凝土產(chǎn)品單位運輸距離的油耗，取2.055MJ/(tkm)；

H——混凝土產(chǎn)品的運輸距離，km。

分別將60km和5.5km帶入上式，得天然骨料運輸?shù)奶寂欧艦?.12km/m3，爐渣運輸?shù)奶寂欧艦?.84km/m3。由此可見，使用爐渣比使用天然骨料因運輸產(chǎn)生的碳排放降低了8.28 km/m3。

5.3 節(jié)約資源和土地空間

爐渣再利用還可以節(jié)省大量的垃圾清運費用和處理費用，為方便起見，設爐渣密度為1380kg/m，堆積高度為10m，則一畝地（大約667m）內(nèi)可以堆積0.92萬t爐渣，每年30萬t的爐渣如果全部堆放起來需要近38畝土地，這是土地資源的巨大浪費。

6 結論

（1）以常用混凝土C15、C20、C25、C30、C35、C40配合比進行試驗，混凝土和易性較好，3d、7d和28d強度均遠高于設計強度，當爐渣的摻量控制在合理范圍內(nèi)，則摻爐渣的混凝土力學性能和耐久性能均可達到標準設計要求。

（2）利用爐渣、再生骨料生產(chǎn)建筑材料是擴大爐渣、再生骨料的綜合利用范圍，提高固廢資源化的主要途徑。爐渣、再生骨料的再利用會給混凝土企業(yè)和社會帶來相應的經(jīng)濟效益

（3）爐渣、再生骨料的應用可以減小碳排放、節(jié)約資源和土地空間，具有良好的生態(tài)環(huán)境效益。

參考文獻

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供稿人：孫志強，趙樹業(yè)

編輯員：李海亮

審核人：孫繼成，寧夏

【標準規(guī)范】

《建筑固廢再生砂粉應用技術規(guī)范》行標

《建筑物綠色拆除與建筑垃圾綜合利用技術規(guī)程》CECS

《預拌混凝土使用說明書》團標

《砂漿和混凝土用石屑》團標

《預拌混凝土產(chǎn)品質(zhì)量追溯規(guī)范》團標

【會議培訓】

2025全國混凝土行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展與廢棄物資源再生技術交流大會

第十屆全國建筑固廢和余泥渣土處理及資源化利用大會暨中國砂石協(xié)會建筑固廢利用分會年會

2025第二十一屆全國商品混凝土可持續(xù)發(fā)展論壇暨2025中國商品混凝土年會

預拌（商品）混凝土應用技術和工藝技能線上培訓

混凝土（砂漿）試驗檢測方法實操教學線上培訓

【咨詢服務】

科技成果評價

預拌混凝土質(zhì)量追溯研究

高速公路及橋涵高性能混凝土技術咨詢

課題研究

研發(fā)中心建設

產(chǎn)品檢測

綠色建材產(chǎn)品認證

[綠滿庭院]《HJ建筑圍護結構自保溫技術體系》推廣等

【建材“雙碳”業(yè)務】

低碳膠凝材料研發(fā)與制備

復合摻合料和再生復合摻合料研發(fā)與制備

建筑垃圾處置與資源化利用

建筑垃圾再生砂粉應用技術

建筑垃圾再生輕粗骨料技術

碳化再生骨料制備技術

【期刊著作】

《新技術在混凝土中的應用》圖書

《常見預拌混凝土質(zhì)量事故分析百例》圖書

《預拌混凝土企業(yè)標準化試驗室建設指南》圖書

混凝土技術發(fā)展中心（以下簡稱“中心”）隸屬建筑材料工業(yè)技術情報研究所，主要職能是跟蹤分析和研究國內(nèi)外混凝土行業(yè)科技前沿動態(tài)，為全國混凝土行業(yè)開展技術服務工作，包括出版技術期刊、研究制定標準、開展技術咨詢、舉辦技術會議、承擔行業(yè)培訓、從事認證評價和開發(fā)研究等，中心是建材情報所主要業(yè)務部門之一。中心擁有員工10人，其中博士3人，正高職稱3人，副高職稱4人。中心掛靠的行業(yè)協(xié)會分支機構包括中國散裝水泥推廣發(fā)展協(xié)會混凝土專業(yè)委員會、中國散裝水泥推廣發(fā)展協(xié)會預制建筑產(chǎn)業(yè)專業(yè)委員會、中國砂石協(xié)會建筑固廢利用分會、建筑材料工業(yè)技術情報研究所雙碳研究中心。依托中心成立的平臺有預拌混凝土質(zhì)量追溯公共服務平臺、混凝土行業(yè)數(shù)字化服務平臺、中國商品混凝土行業(yè)企業(yè)專家委員會（擁有200余名行業(yè)一線專家）、北京砼享未來工程技術研究院（會員制技術和管理服務）。

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