工程档案：炉渣、再生骨料部分替代天然砂石用于生产高性能混凝土的应用研究及其生态性、经济性分析
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本文选自《商品混凝土》杂志2024年第2期
炉渣、再生骨料部分替代天然砂石用于生产高性能混凝土的应用研究及其生态性、经济性分析
孙志强，赵树业，张永强，杨泽
［摘 要］为了有效解决炉渣的无害化处理，资源化利用的环保难题，通过采用炉渣等量替代天然细骨料，同时采用再生粗骨料、天然粗骨料和机制砂作为骨料设计了掺用炉渣的混凝土。结果表明：在混凝土中用一定量的炉渣替代天然砂，可配制出抗压强度为 50MPa 以上的混凝土，其 28d 抗压强度和耐久性能均高于普通混凝土；炉渣在普通混凝土中替代天然砂，可以增强混凝土的抗压强度，提高其耐久性，并在工程中成功应用。炉渣的应用可以减少碳排放、节约资源和土地空间，具有良好的生态环境效益。
［关键词］炉渣；绿色高性能混凝土；生态；经济；可行性
0 引言
炉渣是煤在燃煤锅炉中燃烧时生成的固体废弃物，它主要由灰分、煤渣和废渣组成。其中灰分占比最大；煤渣是煤燃烧后被锅炉相对集中地抛出的一种炭素质颗粒物；废渣是含负荷的小颗粒物与灰分等锅炉烟气中的化合物的混合物。因此，燃煤锅炉炉渣含有大量的氧化物、硅、铝、钙、钙镁石膏和其他微量元素等。炉渣的主要污染物是重金属离子，如汞、铅、铬、镉等。这些重金属离子对环境有较大的危害，若渗入土壤、流入水域，会对植物和水生生物的生长和繁殖造成不利影响。
混凝土在建筑工程领域中是应用最广泛、用量最大的建筑材料。混凝土材料的发展应综合考虑环境保护、能源节约、资源节约，协调发展。将炉渣代替天然砂用于绿色混凝土生产，将有利于炉渣新技术的开发与应用，并且扩大了废弃物的利用范围。
本文以炉渣为处理对象，将其作为细骨料替代天然砂，用于配制普通混凝土。通过对掺炉渣水泥混凝土的工作性能﹑力学性能和耐久性能进行测试，研究炉渣对混凝土性能的影响。
1 试验用原材料的选择
（1）炉渣：试验所用的炉渣均采用宁夏宝丰能源集团有限公司动力厂生产的炉渣。主要化学成分见表1，物理性能见表2，由数据可以看出，炉渣的物理性能接近普通混凝土中使用的天然砂。
（2）细骨料：选择宁夏志辉砂石有限公司生产的机制砂。其主要性能指标见表3。
（3）粗骨料：选择宁夏宝丰能源集团有限公司各项目建设过程中的混凝土建筑垃圾废料，经该公司破碎站破碎成5～25mm的连续级配再生粗骨料。满足GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》中Ⅱ类碎石的指标要求。天然粗骨料选择宁夏志辉砂石有限公司生产的5～25mm连续级配破碎石，主要性能指标见表4。由于再生粗骨料压碎指标和微粉含量较高，经过大量试验论证，配合比设计中以40%比例替代天然粗骨料。
（4）水泥：选用宁夏赛马水泥有限公司PO42.5R级水泥，其主要物理力学性能见表5，矿物成分见表6，化学成分见表7。
（5）粉煤灰：选用宁夏宝丰能源集团有限公司动力二厂煤粉锅炉收集的F类Ⅰ级粉煤灰，其主要物理性能见表8，化学成分见表9。
（6）矿粉：选用平罗县金筑新材料技术有限公司S95级矿粉，其主要物理性能见表10，化学成分见表11。
（7）外加剂：选用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的PCA-Ⅰ型高性能减水剂，减水率为29%，掺量为2.5%～3.0%，
（8）拌和水：与常规混凝土相同，选用自来水。
2 试验方法
（1）炉渣需水量测定按照国家相关标准进行。
（2）水泥砂浆力学性能测试按照GB/T 17871—1999《水泥砂浆强度检验方法》进行。
（3）混凝土抗压强度和抗折强度试验按照GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法》进行。
（4）混凝土坍落度试验按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法》进行。
（5）混凝土氯离子渗透试验按照ASTM C1202-2012《混凝土耐氯离子穿透能力电标的标准试验方法》进行。
（6）混凝土耐久性能测试按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行。
（7）混凝土配合比设计按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》。
3 混凝土配合比的确定
3.1 炉渣的颗粒级配特性
经过大量试验论证，取75%的机制砂和30%的炉渣混合配制成Ⅱ区中砂，细度模数为2.7。筛分试验结果见表12。
由表12可知，炉渣的级配与机制砂相比有很大差异：小于1.25mm和大于0.315mm的炉渣颗粒，特别是小于1.25mm的颗粒明显小于机制砂，从整体来看，炉渣属于细砂﹐通过掺配可以改善炉渣和机制砂的颗粒级配，30%炉渣和70%机制砂的混合砂其技术参数基本满足JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》标准中Ⅱ区中砂的技术要求。
3.2 炉渣对水泥砂浆性能的影响
3.2.1 水泥砂浆流动度和需水量
表13为炉渣对水泥砂浆流动度与需水量的影响。
由表13可见，在水泥砂浆中采用炉渣替代天然砂，在用水量不变的情况下，掺加30%的炉渣，水泥砂浆的流动度有所下降。压蒸法试验结果表明：炉渣对水泥砂浆安定性无不良影响。由试验可知，炉渣替代30%天然砂用量，水泥砂浆需水量有所提高，炉渣吸水率大是水泥砂浆在掺加炉渣后需水量大的主要原因，此问题已通过提高聚羧酸减水剂中保坍组分得以解决。
3.2.2 水泥砂浆力学性能
表14为炉渣掺量对水泥砂浆力学性能的影响。
由表14可知，在保持用水量不变的条件下，随炉渣的加入，水泥砂浆强度有明显提高。究其原因是炉渣具有潜在的水硬活性，可以参与水泥水化。
3.3 用炉渣代替天然砂混凝土性能分析
由于炉渣与天然砂的细度模数和各粒径累计筛余率有很大差别，根据不同含量的试验比较和分析，最终确定采用炉渣替代天然砂与机制砂掺配用于普通混凝土中。炉渣和机制砂按此比例混合后。
用炉渣代替天然砂用于普通混凝土中 ，选择C15、C20，C25、C30、C35、C40配比分别进行小机试验，对配合比数据进行统计。具体数据见表15。
从表15中可以看出，随着聚羧酸减水剂的提高，混凝土的坍落度损失下降。通过增加聚羧酸高效减水剂的组分和用量，可以抵消因使用炉渣而增加的混凝土用水量。使混凝土用水量在不增加的同时，保持足够的工作、力学性能，达到泵送施工要求。
3.4 用炉渣代替天然砂混凝土力学性能
分别测试每组混凝土的抗压强度，如表16所示。从试验结果来看，各组混凝土配合比的实际抗压强度均满足混凝土强度设计要求，而且强度均远远高于设计强度，胶凝材料还有很大的优化空间。
具体原因是炉渣二氧化硅较高、烧失量很低，具有潜在的水硬活性，在混凝土成型、凝结过程和硬化过程中可参与水泥水化，改善混凝土水泥浆与集料间界面结构与性能，所以在宏观上表现出混凝土强度提高。
由试验结果还可知，水泥用量仅为270kg/m，炉渣掺量为细集料用量的30%，同时采用活性掺合料部分替代水泥时，就可配制出抗压强度为50MPa以上的混凝土。
3.5 用炉渣代替天然砂耐久性
将炉渣代替天然砂的混凝土与不掺炉渣的混凝土进行强度和耐久性等试验比较，数据见表17。抗硫酸盐侵蚀能力检测是将试样在5%的NaSO溶液中浸泡60天后再测量其抗压强度。从表17中可以看出，掺用炉渣混凝土的耐久性指标较普通混凝土均有很大的提高。
4 工程应用
目前炉渣替代天然砂混凝土已成功地应用于宁夏宝丰能源集团有限公司工程建设项目中，生产前对全材料进场采取严格检查并标识。生产过程中，检测混凝土坍落度，并按要求留置生产试块，按规定方法进行检验，具体结果见表18。成型后的表面密实，外观理想。图1为混凝土现场施工状态，图2为成型后的效果。
5 效益分析
5.1 经济与社会效益
目前宁夏宝丰能源集团有限公司炉渣相较于市场细骨料价格60元每吨，剔除运输成本9元，每吨可节约成本费用51元，按照每月消耗9000吨计算，可产生经济效益45.9万元；处置费以每吨30元计，可节约处置费用27万元，总计每月可节约72.9万元，全年预计节约874.8万元。
炉渣的利用对生态环境和社会的贡献主要为：保护环境、减少碳排放；节约资源和土地空间。
5.2 减少碳排放
混凝土和使用炉渣的混凝土在生产过程中产生的CO大致可分为原材料的碳排放、运输过程的碳排放和混凝土生产过程的碳排放。现假设原生混凝土和使用炉渣除了细骨料外的其他材料的生产、运输均相同，那么，二者碳排放的区别主要取决于骨料的运输距离。就该公司的地理环境来说，最近的砂石来源地宁东地区已经被禁止开采，获取砂石的方式只能从外地通过公路运输运送过来，平均运输距离60km。而炉渣是动力公司生产过程中排放的废渣，用于最临近的商砼站，平均运输距离5.5km，大大降低了骨料运输过程的碳排放，为减小温室效应做出巨大贡献，具有非常显著的生态示范效益
已知产品运输油耗导致的直接碳排放通常采用运输距离法，按照下式计算：
CO＝EF·D·H
式中：
CO——单位混凝土产品运输的碳排放，kg；
EF——混凝土运输油品消耗的排放因子，取0.074kg/MJ；
——单位混凝土产品单位运输距离的油耗，取2.055MJ/(tkm)；
H——混凝土产品的运输距离，km。
分别将60km和5.5km带入上式，得天然骨料运输的碳排放为9.12km/m³，炉渣运输的碳排放为0.84km/m³。由此可见，使用炉渣比使用天然骨料因运输产生的碳排放降低了8.28 km/m³。
5.3 节约资源和土地空间
炉渣再利用还可以节省大量的垃圾清运费用和处理费用，为方便起见，设炉渣密度为1380kg/m，堆积高度为10m，则一亩地（大约667m）内可以堆积0.92万t炉渣，每年30万t的炉渣如果全部堆放起来需要近38亩土地，这是土地资源的巨大浪费。
6 结论
（1）以常用混凝土C15、C20、C25、C30、C35、C40配合比进行试验，混凝土和易性较好，3d、7d和28d强度均远高于设计强度，当炉渣的掺量控制在合理范围内，则掺炉渣的混凝土力学性能和耐久性能均可达到标准设计要求。
（2）利用炉渣、再生骨料生产建筑材料是扩大炉渣、再生骨料的综合利用范围，提高固废资源化的主要途径。炉渣、再生骨料的再利用会给混凝土企业和社会带来相应的经济效益
（3）炉渣、再生骨料的应用可以减小碳排放、节约资源和土地空间，具有良好的生态环境效益。
参考文献
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供稿人：孙志强，赵树业
编辑员：李海亮
审核人：孙继成，宁夏
【标准规范】
【会议培训】
第十届全国建筑固废和余泥渣土处理及资源化利用大会暨中国砂石协会建筑固废利用分会年会
2025第二十一届全国商品混凝土可持续发展论坛暨2025中国商品混凝土年会
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预拌混凝土质量追溯研究
高速公路及桥涵高性能混凝土技术咨询
课题研究
研发中心建设
[绿满庭院]《HJ建筑围护结构自保温技术体系》推广等
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《常见预拌混凝土质量事故分析百例》图书
《预拌混凝土企业标准化试验室建设指南》图书
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