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混凝土骨料资源开发的新途径

混凝土骨料资源开发的新途径

2006/6/22 8:59:00
混凝土自问世至今的100多年来,因其具有原材料资源丰富,成本低廉,生产工艺简单,抗压强度高以及经久耐用等优点而得到广泛的应用。可以预见,在二十一世纪,硅酸盐水泥混凝土仍将是各种基础设施建设的首选材料。但是,随着混凝土用量的增加,其消耗的砂石等天然资源也越来越多,据估算,混凝土业现在正以每年约80亿吨的速度消耗天然骨料。大量开山、采石,已经严重破坏了自然山体的景观和绿色植被,挖河床取砂,改变了河床位置及形状,造成水土流失或河流改道等严重后果,许多国家和地区已经没有可取的碎石和砂子,混凝土的骨料资源出现了严重危机。针对这一现状,人们开始寻求新的骨料资源,并且取得了一定的成效,现综述如下,供业界参考。 1、用海砂作骨料    用海砂取代山砂和河砂,用作混凝土的细骨料,是解决混凝土细骨料资源问题的有效途径,因为海砂的资源很丰富。但是海砂中含有盐分、氯离子,容易使钢筋锈蚀,硫酸根离子对混凝土也有很强的侵蚀作用。此外,海砂颗粒较细,且粒度分布均一,很难形成级配。有些海砂往往混入较多的贝壳类轻物质。目前已开发出一些对海砂中盐分的处理方法,例如散水自然清洗法,1m3海砂大约用0.2t的淡水进行清洗,清洗设备比较简单,但要消耗一定的淡水资源;如果采用机械清洗法,则1m3海砂大约需要1.5t以上的淡水,并且需要机械分级、离心机等机械和给排水设备,相对于散水自然清洗法质量要好,但是成本较高,消耗的淡水资源量大;自然放置法是较为经济、节省资源的处理方法,自然堆放,使海砂含有的海水充分排干,但需要较大面积的场地和排水设备,根据季节至少需要两个月时间,难以满足施工速度的需求。对于海砂级配问题,主要采取掺入粗粒碎砂的办法进行调整,使之满足级配要求。海砂中由于混入扁平状的贝壳类物质,细小的贝壳难以去除,影响混凝土的强度,所以高强度混凝土不适宜采用海砂。    日本是一个岛国,半个世纪前就出现“河砂短缺”现象,并着手开发利用海砂资源。目前日本建筑用砂的90%以上是海砂,1995年海砂年产量达到5000万t以上。其采取的主要技术措施是掺加一种叫做“钢筋防锈剂”的化学药剂,以抑制、消除海砂中海盐的腐蚀作用,同时严格遵守用砂标准和确保施工质量。    我国也有成功利用海砂的先例。原冶金部山东三山岛金矿建设中(1984-1987年),因当时无法得到河砂,不得不全部使用当地海砂。因采取了掺加“钢筋防锈剂”及其他综合性防盐腐蚀措施,至今工程完好。这证明只要采取适当技术措施,海砂是可以变废为宝的。我国沿海缺乏河砂现象日趋严重,解决砂源问题已成当务之急。我国地域辽阔,向内陆寻找砂源是途径之一,但运费高且损害河床。若能象日本那样,采取防盐措施,就地利用海砂,可使海砂成为有用资源,而不对建筑造成危害。宁波市已有文件,规定采取技术措施后可使用海砂,但局部地区实施起来难度很大。必须中央制定法规,严格控制不采取任何措施而使用海砂作为建筑材料的行为。 2、废弃混凝土再生骨料    废弃混凝土的再利用最早开始于欧洲,1976年,以当时的西德、比利时和荷兰为主成立了“混凝土解体与再利用委员会”,开始研究废弃混凝土的消化与再生利用,并且将废弃混凝土再生骨料用于高速道路等实际工程。美国从1982年开始承认将混凝土废弃物作为混凝土的粗、细骨料,并将相关的性能实验方法与条款写进了有关规范,并在部分地区制定了使用再生混凝土铺筑道路时的条件与实验方法。日本建设省于1981年开始启动“综合技术开发工程———建设工程中废弃物利用技术的开发”,期间进行了一系列以废弃混凝土作为再生骨料的试验研究,到1986年3月,针对土木结构物制定了“再生骨料混凝土的设计施工指针(草案)”,将废弃混凝土作为再生骨料的研究已经开始走向实用化阶段。    日本对废弃混凝土的处理方法是将其破碎成直径约40mm的粒状,采用300℃高温加热,使粒料相互混合、摩擦,骨料及骨料外围粘附的水泥组分变成粉末完全分离,所产生的水泥组分用于地基的改进材料,分离出的骨料可与天然骨料一样用于结构物,达到100%的回收利用。    废弃混凝土的再利用最初主要用于填埋基础、路基等,用作混凝土骨料的研究时间还不长,还有许多问题没有得到圆满的解决。例如,建筑物解体时钢筋与混凝土的分离技术,破碎后的混凝土中原有的骨料和硬化砂浆块的分离技术。如果原混凝土的强度较高,则其中的骨料和水泥砂浆块可以同时破碎作为再生骨料,但是,如果原混凝土的强度较低,则其中的硬化水泥浆体或砂浆很难形成微粉或微粒,难以利用。同时,再生骨料混凝土的性能研究结果表明,与普通混凝土相比,使用再生骨料的混凝土需水量增大,强度、弹性模量降低,收缩增大,抗冻性等性能也有所降低。再生骨料替代率控制在30%以下,则混凝土的性能没有明显降低。如何提高再生骨料混凝土的性能,还有待进一步研究。    根据测算,我国每年施工产生的建筑垃圾达4000万吨,而仅仅从在建工程所做的试块来说,每年的垃圾就达250万吨左右,这些垃圾目前只简单地作一些填埋,这无疑造成了对环境的严重污染,对能源的巨大浪费。利用废弃混凝土做再生骨料,将是充分、高效、经济利用建筑垃圾的好途径。我国目前少量利用再生骨料制作的混凝土一般用于基础、路面和非承重结构的低强度混凝土,多数废弃混凝土尚未得到较好的再生利用。    由于利用废弃混凝土做再生骨料,需要一系列的加工和分离处理,在现阶段成本可能很高,在我国这种现象可能更加明显。这些都妨碍废弃混凝土利用的进程,但如前所述,废弃混凝土的利用从保护环境、节省资源的角度有重要的社会效益,需要国家从政策上给予支持。 3、利用尾矿制作骨料    选矿过程中,尾矿颗粒不断经水冲刷,表面较干净,无尘屑、无淤泥等有害物质,其新鲜表面粗糙、具有梭角。尾矿颗粒可不必加工或经过适当的加工,得到不同的粒级,作为混凝土的粗细骨料使用,所配制的混凝土具有较高的强度和较好的耐久性。 据有关试验得出的结论,采用相同配合比,同样的成型和养护条件,不论蒸汽养护或标准养护,尾矿混凝土各龄期的强度都较石灰石混凝土高。采用某些尾矿,按普通混凝土配合比设计的300号尾矿混凝土,各项技术指标均达到设计要求,与黄砂混凝土相比,除混合料的和易性稍差些外,其余各项性能均优于黄砂混凝土。研究表明,用尾矿代替普通砂石配制一般混凝土是可行的,若选择合适的配合比,其各项物理力学性能均能达到甚至超过配比相近、水泥用量相同的普通砂石混凝土。    北京市已做出规定,禁止天然砂的开采,正在开展尾矿的利用。由北京建筑工程学院与首钢矿业公司联合进行的“尾矿砂石商品混凝土技术研究”取得成功。实验室研究结果表明:尾矿砂石替代天然砂石配置混凝土,拌合物和易性良好,抗压强度提高,抗渗、抗冻、抗碳化与碱活性等耐久性指标完全可以达到设计要求。2002年11月在首钢矿业公司采矿区挡墙工程中,“高密实尾矿砂石混凝土”试点成功。    我国国土辽阔,矿山资源非常丰富,由于贫矿多,所以选矿产生的尾矿多。据不完全统计,我国现有800多个国营矿山和11万多个集体所有制矿山,积存的尾矿已达40多亿吨,而且每年还以1亿多吨的速率增长。矿山尾矿不仅占用土地,而且污染环境。目前我国矿山尾矿综合利用基本上还处于回收金属组分上,利用率很低。进一步开发综合利用尾矿,已成亟待解决的问题。因此,利用尾矿制作混凝土将为尾矿的利用找到一条新的途径,能变废为宝,具有显著的经济效益和社会效益。 4、人造骨料    人造骨料一般以天然的膨胀页岩或工业废渣、城市垃圾、下水道污泥为原材料,对环境保护有积极的作用。用于人造骨料原材料的工业废渣有高炉水淬矿渣、电炉氧化矿渣、铜渣、粉煤灰、下水道污泥等,经高温煅烧而成。日本以水淬矿渣为原材料制造的骨料,命名为矿渣碎石。通常熔融状态的矿渣经急剧冷却形成玻璃体结构,质地脆硬。在水淬矿渣中添加化学外加剂,再进行熔融,然后缓慢冷却使其形成结晶体,则得到坚硬的结晶体,可用来做混凝土骨料。日本东京以下水道污泥为原材料生产轻骨料,这种技术是先将下水道污泥进行脱水处理,再经高温焚烧处理,去掉其中的有机物质,得到污泥燃烧灰,以这种燃烧灰为主要原料,加入适当的胶结材料,制造粒状物,放入1050℃左右的高温下使粒状物软化,表面呈半熔融状态。同时粒状物内部高温挥发成分变成气体挥发,使软化的粒状物膨胀发泡,然后将粒状物在空气中冷却得到轻质的骨料。采用这种下水道污泥为原料制作的轻质细骨料拌制砂浆,其强度可达到普通河砂砂浆的90%-91%。可见其很有利用的前途。    粉煤灰陶粒是以粉煤灰为主要原料加工而成的多孔轻质材料,其生产工艺分为原材料处理、配料混合、成球、焙烧、成品筛分等。近年来,为了适应墙体材料革新和建筑节能的需要,轻集料及其制品发展很快,轻集料的密度向更轻方向发展,这就使粉煤灰陶粒获得了用武之地,用它做集料可配制300~500号轻集料混凝土小砌块和制作墙板,在节省资源的同时,可减轻结构物的自重,提高建筑物的保温隔热性能,减少建筑能耗。
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