混凝土骨料资源开发的新途径

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。