復(fù)合增鈣液態(tài)渣粉在寒冷地區(qū)水工混凝土中的應(yīng)用

摘　要:復(fù)合增鈣液態(tài)渣粉是一種性能優(yōu)良的新型礦物外加劑。它在混凝土中的應(yīng)用可改善混凝土的工藝性和耐久性,改善了生態(tài)環(huán)境和生活質(zhì)量,具有重大的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:復(fù)合增鈣液態(tài)渣粉;耐久性;水工混凝土;應(yīng)用價(jià)值

中圖分類號: TV4214　　　　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

混凝土作為一種傳統(tǒng)工程結(jié)構(gòu)材料,盡管存在自重大、高脆低韌、功能單一、耐久性差等問題,但它在未來社會建設(shè)中的地位與作用仍然是其它材料無法代替的。混凝土仍將是房屋和水利建設(shè)等土建工程的首選建筑材料,具有長期廣泛的應(yīng)用前景。混凝土材料發(fā)展至今,提高混凝土的耐久性和注重混凝土的可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為人們普遍關(guān)注的熱點(diǎn)。

1　混凝土的耐久性

工程結(jié)構(gòu)材料的耐久性問題是一個(gè)世界性難題。全世界由于材料的腐蝕造成的損失達(dá)到國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值( GDP)的2%～4%。設(shè)計(jì)年限為30a、50a甚至100a的工程結(jié)構(gòu)物,其使用年限往往與設(shè)計(jì)年限相差甚遠(yuǎn),一些建筑物甚至8～10a就已經(jīng)質(zhì)量劣化,發(fā)生開裂、變形,甚至損壞,導(dǎo)致功能性喪失,每年需要大量的維修費(fèi)用,給國家造成了巨大的財(cái)政負(fù)擔(dān)。1991年提交的美國國會報(bào)告《國家公路和橋梁現(xiàn)狀》中指出,美國現(xiàn)存的全部混凝土工程價(jià)值約60 000億美元,而每年用于維修的費(fèi)用高達(dá)300億美元,以后的混凝土工程維修和重建費(fèi)用高達(dá)3 000億美元;英國英格蘭島中部環(huán)形快車道上11座混凝土高架橋,當(dāng)初建造費(fèi)用2 800萬英鎊,到1989年因?yàn)榫S修而耗資4 500萬英鎊,是當(dāng)初造價(jià)的1.6倍,估計(jì)以后15a還要耗資1.2億英鎊,累計(jì)接近當(dāng)初造價(jià)的6倍;英國于1981年用于結(jié)構(gòu)維修加固的費(fèi)用達(dá)69億英鎊,到1995年就增長了4 倍,達(dá)到252.7 億英鎊,占當(dāng)年建筑投資的48%[ 1 ]。Mehta[ 2 ]用“5倍定律”來形象地描述混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的重要性,他指出:“如果我們能夠生產(chǎn)出更耐久的產(chǎn)品,就必定能大量地節(jié)省材料。例如今天建造的混凝土結(jié)構(gòu)物若不是現(xiàn)在的50a壽命,而是250a壽命,那么混凝土業(yè)的資源利用效率就能提高5倍”。

2　水工混凝土的耐久性

水利工程一般規(guī)模大,工程周期長,影響深遠(yuǎn),關(guān)系國計(jì)民生。建國以來,我國興建了大量的水利水電混凝土工程,在防洪度汛、工農(nóng)業(yè)用水、水力發(fā)電、航運(yùn)、養(yǎng)殖、環(huán)保、旅游等方面都發(fā)揮了巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。但眾多水利水電工程往往位于偏遠(yuǎn)山區(qū),自然條件較為嚴(yán)酷,其混凝土耐久性問題具有其特殊性,混凝土的裂縫、滲漏和溶蝕、沖刷磨損和氣蝕破壞、凍融破壞、混凝土的碳化和鋼筋銹蝕、水質(zhì)侵蝕,構(gòu)成了耐久性破壞的復(fù)雜多變的主要類型。寒冷地區(qū)水利工程的混凝土構(gòu)筑物,由于使用條件處于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)復(fù)合的水的沖磨、氣蝕、侵蝕、滲漏、冷冰凍融等反復(fù)共同作用下,情況更趨惡劣。一般水工混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命都要求大于50a,但是由于設(shè)計(jì)欠妥、施工不良、管理不善等眾多原因,許多大壩或水庫在運(yùn)行20～30a,甚至更短的時(shí)間內(nèi)就出現(xiàn)了明顯的衰變老化,發(fā)生各種病害,甚至形成大壩安全運(yùn)行的潛在威脅。因材質(zhì)劣化造成失效以致破壞崩塌的事故時(shí)有發(fā)生,用于混凝土結(jié)構(gòu)修補(bǔ)、重建和改建的費(fèi)用日益增大,存在著“年年補(bǔ)、年年壞”的現(xiàn)象。如果將水利工程的壽命延長30～50a,其經(jīng)濟(jì)效益與社會效益是十分巨大的。

因此,開展對寒冷地區(qū)水工混凝土耐久性的研究,延長水利工程的使用年限,顯得尤為必要。

3　復(fù)合增鈣液態(tài)渣粉在水工混凝土中的應(yīng)用意義

3.1　復(fù)合增鈣液態(tài)渣粉的定義

增鈣液態(tài)渣是立式旋風(fēng)爐的熱電廠高溫( 1600℃左右)燃燒后的排放物料經(jīng)水淬冷卻的粒狀渣體。按使用技術(shù)性能要求,摻入適量礦物外加劑或其他材料(予以改性) ,經(jīng)粉磨后,使其適用于工程性能要求。增鈣粉煤灰是由煙煤與石灰石混合粉磨,進(jìn)入立式旋風(fēng)爐內(nèi)高溫1450℃～1 600℃共同混燒后,經(jīng)收塵系統(tǒng)回收得到的一種工業(yè)副產(chǎn)品。復(fù)合增鈣液態(tài)渣粉由增鈣液態(tài)渣和增鈣粉煤灰和其它材料復(fù)合而成,屬于高鈣渣粉高性能的一個(gè)品種。

3.2　復(fù)合增鈣液態(tài)渣粉的生態(tài)效應(yīng)

水泥是混凝土必不可少的組成材料。水泥混凝土作為最大宗人造材料,其資源、能源與環(huán)保問題十分突出。傳統(tǒng)的混凝土生產(chǎn),尤其是其主要原材料水泥的生產(chǎn)會帶來極大的資源、能源消耗和嚴(yán)重的環(huán)境污染。生產(chǎn)1 t水泥熟料消耗標(biāo)準(zhǔn)煤135kg,并將近排放出1 t的CO2。水泥工業(yè)為地球大氣層增加的CO2 等有害氣體體積存量達(dá)150億t之多。1 t熟料中平均含CaO 620kg,排放CO2 487kg,比之所消耗的礦物燃料(包括用電)產(chǎn)生的450kg還多,常估為1 t水泥熟料排放1 tCO2。隨著建設(shè)的迅猛發(fā)展,我國水泥產(chǎn)量增加特快, 1996年4.9億t, 2001年我國水泥產(chǎn)量位居世界第一,這個(gè)數(shù)字是驚人的,它對環(huán)境的影響已經(jīng)無法估計(jì)。因此,必須采取有效措施減少水泥使用量,降低熟料的產(chǎn)量。

將增鈣液態(tài)渣粉作為一種混凝土摻合料大量應(yīng)用于水利、橋梁等建筑工程,就是降低水泥用量的一種有效途徑。

我國生產(chǎn)排放增鈣液態(tài)渣粉的電廠有數(shù)十家,年排放渣粉幾百萬噸。在我省共有黑龍江歲寶熱電有限公司(阿城) 、佳木斯市熱電廠、大慶龍鳳熱電廠、鶴崗礦務(wù)局熱電廠4家企業(yè)生產(chǎn)增鈣粉煤灰渣,全年生產(chǎn)增鈣粉煤灰10萬余t,增鈣液態(tài)渣可排放量達(dá)到60萬t。其中我省僅佳木斯熱電廠年排放增鈣液態(tài)渣近10萬余t,增鈣粉煤灰2萬余t。除了部分供應(yīng)水泥廠家用作水泥摻合料外,大部分未得到充分利用,不僅占用著土地,而且造成嚴(yán)重的環(huán)境污染,極大地影響了周圍的生態(tài)環(huán)境。

如果把電廠排放的增鈣液態(tài)渣粉充分應(yīng)用于水利工程中,變廢為寶,不僅解決了資源浪費(fèi),改善和提高水工混凝土長期耐久性能,而且還能顯著降低混凝土成本。我們完全可以將這些放錯(cuò)位置的資源充分利用起來,用較少的水泥,輔助以部分天然或經(jīng)過處理的工業(yè)副產(chǎn)品,配制出高耐久、長壽命的混凝土,達(dá)到節(jié)約土地、節(jié)省能源、節(jié)省資源、利國利民得目的,實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略方針。

3.3　復(fù)合增鈣液態(tài)渣粉的應(yīng)用價(jià)值

作為一種新型的混凝土摻合料,復(fù)合增鈣液態(tài)渣粉具有優(yōu)異的性能。相對于普通礦物摻合料,增鈣液態(tài)渣粉的比強(qiáng)度較大,需水比小,化學(xué)外加劑匹配性好,水化熱低,體積安定性好。它可以改善混凝土的工作性,調(diào)整混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)和界面狀態(tài),降低水化熱,尤其是后期,表現(xiàn)出比普通混凝土更加出色的強(qiáng)度和耐久性。眾所周知,我們水利工程的許多建筑需要使用大體積混凝土。大體積混凝土體積較大,面積系數(shù)較小,混凝土澆注后,水泥發(fā)生水化反應(yīng)釋放出大量的水化熱。由于混凝土是熱的不良導(dǎo)體, 導(dǎo)熱系數(shù)小(1.28W /mok左右) ,水泥的水化熱不易散發(fā),當(dāng)混凝土的內(nèi)部溫度與表面溫度相差大于25℃時(shí),混凝土就會產(chǎn)生溫差裂縫,并在溫度達(dá)到峰值后產(chǎn)生溫降收縮裂縫。加上寒冷地區(qū)的水工建筑承受沖磨、侵蝕、冷冰凍融等反復(fù)共同作用,加劇了裂縫的擴(kuò)展,使得混凝土發(fā)生劣化、變形,對水工建筑物產(chǎn)生極大的危害。而復(fù)合增鈣液態(tài)渣粉的應(yīng)用,極大地提高了混凝土的密實(shí)度,其微集料填充作用細(xì)化了混凝土內(nèi)部的孔隙。由于增鈣液態(tài)渣粉的水化滯后于水泥的水化,其“錯(cuò)峰作用”大大降低了混凝土內(nèi)部的放熱峰值,有效地降低了混凝土中的水泥水化熱及其引起的危害程度,改善了混凝土的耐久性。

工程實(shí)踐表明:復(fù)合增鈣液態(tài)渣粉對水泥砂漿、混凝土具有良好的適應(yīng)性,常用摻量為30% ～60% ,可用于配制C20～C80之間的任何一種混凝土。以C30混凝土為例,摻入復(fù)合增鈣液態(tài)渣粉時(shí),混凝土可節(jié)約資金24元/m3 左右,對于一個(gè)年產(chǎn)10萬m3 的商品混凝土攪拌站,如果使用復(fù)合增鈣液態(tài)渣粉等量取代水泥,在最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果下,可增加利潤70萬元左右。在水工混凝土工程中,選用復(fù)合增鈣液態(tài)渣粉可取代30%以上水泥用量,混凝土降低原材料生產(chǎn)成本25～30元/m3 ,且相應(yīng)的水泥生產(chǎn)所需的原材料、占用土地的黏土、燃煤、電等都可以得到節(jié)約。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我省水工建設(shè)中每年平均耗用混凝土約40萬m3 ,若按混凝土降低成本30元/m3 計(jì)算, 10a之內(nèi)可節(jié)省資金12 000萬元。

此外,再加上資源、能源的節(jié)省,以及混凝土工程壽命的延長、維護(hù)修繕費(fèi)用的減少、生態(tài)環(huán)境的改善等潛在效益的發(fā)揮,其經(jīng)濟(jì)和社會效益十分巨大。

4　復(fù)合增鈣液態(tài)渣粉的研究現(xiàn)狀

目前,黑龍江省水利科學(xué)研究院承擔(dān)了黑龍江省科學(xué)技術(shù)廳科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目《復(fù)合增鈣液態(tài)渣粉在水工混凝土寒冷地區(qū)的工程應(yīng)用耐久性》進(jìn)行研究。近期,經(jīng)過科研隊(duì)伍的辛勤攻關(guān),已取得了階段性的研究成果。至今已完成了復(fù)合增鈣液態(tài)渣粉水工混凝土的最佳配合比選定、復(fù)配外加劑優(yōu)選、復(fù)合增鈣液態(tài)渣粉水工混凝土微觀結(jié)構(gòu)研究,全面展開了混凝土的抗凍、抗?jié)B、抗沖磨、抗侵蝕等耐久性研究,并且在哈爾濱市三家子堤防護(hù)坡工程、依蘭倭肯河灌區(qū)學(xué)興渠首等工程中進(jìn)行了應(yīng)用。經(jīng)初步研究和工程應(yīng)用表明,復(fù)合增鈣液態(tài)渣粉能夠改善新拌混凝土的工作性質(zhì)及硬化混凝土的力學(xué)及耐久性能。作為混凝土摻合料,可以形成了疊加效應(yīng)的復(fù)合材料,在混凝土的水化,尤其是后期水化作用產(chǎn)生了“1 + 1 . 2”的效果,后期強(qiáng)度增長迅速,性能全面提高。該項(xiàng)研究擬于省內(nèi)廣泛推廣應(yīng)用,走向市場。

5　結(jié)語

1)復(fù)合增鈣液態(tài)渣粉的應(yīng)用解決了工業(yè)廢渣的資源浪費(fèi)問題,能夠有效降低水泥的用量,改善混凝土性能,減少環(huán)境的破壞,具有重大的生態(tài)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

2)復(fù)合增鈣液態(tài)渣粉是一種新型混凝土混合材,能夠形成形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)和微集料填充效應(yīng)的疊加效應(yīng),有效改善混凝土的耐久性能,具有廣闊的應(yīng)用前景,可在水工等建筑物中大力推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):

[ 1 ] 　Etman EE, HelmyMA. Assessment of the behavior of strengthenedconcrete structural elements. First International Conference on Civilengineering1 Cairo, Egyp t, 1998.

[ 2 ] 　陳肇元.土建結(jié)構(gòu)工程的安全性與耐久性[M ] .北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2003.