功能骨料微观结构  周永祥/供图

 

　　目前，混凝土消纳固废有两条路径：粉料和骨料/集料。近日，在接受记者采访时，中国建筑学会建筑材料分会副理事长兼秘书长、北京工业大学教授周永祥表示，固废以掺和料的形式在混凝土中已经得到了广泛的应用，但仍有部分低品质固废仍没有得到很好利用。固废基人造骨料可为大规模消纳多种低品质固废开辟一条新的渠道，进一步推进固废在土木工程材料中的资源化利用。

 

 

中国建筑学会建筑材料分会副理事长兼秘书长、北京工业大学教授周永祥

 

　　蒸压工艺制备骨料

 

　　可拓展原料种类

 

　　周永祥表示，过去数十年，人们不断尝试利用不同的造粒工艺将各种固废的粉状材料制成粒状材料——人造骨料。烧结陶粒是人们最为熟知的人造骨料。陶粒虽然有诸多技术优势，但因为价格明显高于普通砂石，且难以满足结构混凝土对于骨料强度、弹性模量、施工均匀性等方面的要求，故在结构混凝土中应用很少。轻质陶粒更多是作为非结构材料使用，以发挥其轻质、保温、隔音等特殊性能优势。陶粒烧结温度超过1000℃，能耗大，因此，传统的烧结工艺在生产上也受到一定的限制。

 

　　除了高温烧结骨料，还有冷粘合骨料，即采用水泥或其他类型胶凝材料在常温下胶结固化细颗粒固废。冷粘合骨料的主要问题是水泥等活性胶凝材料用量较高，而低活性固废利用率低，成品综合性能不良，目前的产品质量还不适宜用于结构混凝土。

 

　　周永祥指出，不同于烧结骨料和冷粘合骨料，南京理工大学崔崇教授团队提出蒸压工艺制备骨料的方法。该方法采用适当比例的钙质原料与硅质原料，经配料、成球与包壳等工艺制成球形颗粒，在蒸压条件下（气压约1MPa，温度180～240℃），形成以托贝莫来石为主要成分的骨料，其抗压强度最高可达26MPa，表观密度为1850～2050kg/m?。该方法的生产原材料十分广泛，硅质原料可以是粉煤灰、炉渣、尾矿、石材锯泥甚至是渣土、泥浆等SiO?含量较高的低品质固废，钙质原料则可以采用钢渣、电石渣、碱渣等。这种工艺固废掺入比例一般不会低于85%，在原材料匹配程度较高的情况下，固废使用率接近95%～98%。

 

　　水热合成工艺既拓展了原材料的种类，又避免了烧结的高能耗，生产能耗大幅度降低，还可以利用钢厂、电厂的余热。

 

　　合理应用固废

 

　　可降低混凝土水泥用量

 

　　谈到蒸压工艺骨料的特点，周永祥表示，蒸压硅酸盐骨料，筒压强度高，但表观密度大，用于轻骨料混凝土并没有特别大的优势，更适合用于普通结构混凝土中。考虑到普通结构混凝土对强度、弹性模量、长期收缩、徐变等性能的要求，也不宜大量使用，而是以一定比例（如骨料体积的10%～30%）置换普通砂石。这样既利用了这种骨料的粒形（接近正球形）、颗粒级配（可控制在2～10mm）等特征优势，作为混凝土骨料的改良组分（不是全部替代），能够维持普通混凝土的结构性能参数基本不变。

 

　　“我们团队研究发现，如在每立方米混凝土中掺入固废基功能骨料150～200kg，同时降低混凝土单方用水量10～20kg，水泥用量可降低30～60kg；利用这种骨料的粒形和级配改善效应，可保证混凝土拌和物良好的工作性能，混凝土的密度、强度、弹性模量可以维持不变；蒸压骨料的表观密度为1850～2050kg/m?，在混凝土中不容易分层，保证了混凝土的匀质性。”

 

　　周永祥指出，固废基功能骨料用于普通结构混凝土，具有显著改善混凝土综合性能的技术优势，在高强混凝土、超高泵送混凝土、自密实混凝土、自养护混凝土、自防水混凝土、高抗裂混凝土、钢管混凝土等方面具有广阔的应用前景。我国巨大的混凝土消耗量将为固废基功能骨料每年提供2～4亿吨的市场容量。

 

　　还需进一步扩大应用范围

 

　　尽管前景广阔，但当前固废及其功能骨料的发展还存在以下几方面挑战。

 

　　周永祥认为，一是需要进一步扩大原材料的种类范围。目前，粉煤灰、炉渣、尾矿、钢渣、碱渣、建筑垃圾再生微粉及一些SiO?含量较高的工程渣土，都可以作为固废基功能骨料的原材料，甚至要考虑消纳处理危废，例如生活垃圾焚烧所产生的飞灰。原材料的种类及其组合方案越多，固废利用率越高，生产成本越低，这套技术的适应性也更好。

 

　　二是需要在更多的地方建立生产点。因为骨料是一个运输半径比较小的地方性材料，只有生产点分布广才能减少运输成本，终端用户才能低成本获取材料。目前浙江中劲环保科技有限公司在宁波和福鼎实现了功能骨料的规模化生产，但与庞大的市场需求相比，这显然是远远不够的。

 

 

固废基功能骨料生产车间  周永祥/供图

 

　　三是完善标准规范。固废基功能骨料是一个刚刚起步的新材料，目前标准规范还没跟上。

 

　　周永祥表示，功能骨料有望成为普通混凝土原材料构成中除水泥、砂、石、水、外加剂和掺和料之外的第七组分。这条技术路线一旦走通，将带来巨大的技术、经济和环境效益。一方面，人们可以把很多难以在混凝土里直接利用的低品质固废，通过这种低碳的造粒工艺变成一种能够发挥特殊作用的骨料，可以在混凝土甚至在结构混凝土里加以利用。对固废而言，这是一项改变固废利用途径、实现固废价值提升的创新技术；对于应用端混凝土而言，功能骨料可以改善骨料级配和拌和物流动性，为降低混凝土单方用水量和水泥用量创造了条件，配合比的优化使得混凝土的综合性能也随之改善。而且，功能骨料不同于普通砂石，它的组成、结构甚至一些特殊功能可以进行人为设计和控制，这就为混凝土技术的创新和发展提供了巨大的想象空间。当前人们对功能骨料的认识还不是那么完全，仍需加紧从材料到构件再到结构的全方位研究，进一步扩大其应用范围。