復合增鈣液態(tài)渣粉在寒冷地區(qū)水工混凝土中的應用

摘　要:復合增鈣液態(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)境和生活質量,具有重大的經(jīng)濟效益、社會效益和廣闊的應用前景。

關鍵詞:復合增鈣液態(tài)渣粉;耐久性;水工混凝土;應用價值

中圖分類號: TV4214　　　　　文獻標識碼:A

　　混凝土作為一種傳統(tǒng)工程結構材料,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中的地位與作用仍然是其它材料無法代替的?；炷寥詫⑹欠课莺退ㄔO等土建工程的首選建筑材料,具有長期廣泛的應用前景。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)成為人們普遍關注的熱點。

1　混凝土的耐久性

　　工程結構材料的耐久性問題是一個世界性難題。全世界由于材料的腐蝕造成的損失達到國民經(jīng)濟總產(chǎn)值( GDP)的2%～4%。設計年限為30a、50a甚至100a的工程結構物,其使用年限往往與設計年限相差甚遠,一些建筑物甚至8～10a就已經(jīng)質量劣化,發(fā)生開裂、變形,甚至損壞,導致功能性喪失,每年需要大量的維修費用,給國家造成了巨大的財政負擔。1991年提交的美國國會報告《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值約60 000億美元,而每年用于維修的費用高達300億美元,以后的混凝土工程維修和重建費用高達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,當初建造費用2 800萬英鎊,到1989年因為維修而耗資4 500萬英鎊,是當初造價的1.6倍,估計以后15a還要耗資1.2億英鎊,累計接近當初造價的6倍;英國于1981年用于結構維修加固的費用達69億英鎊,到1995年就增長了4 倍,達到252.7 億英鎊,占當年建筑投資的48%[ 1 ]。Mehta[ 2 ]用“5倍定律”來形象地描述混凝土結構耐久性設計的重要性,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構物若不是現(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,關系國計民生。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、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)濟效益。但眾多水利水電工程往往位于偏遠山區(qū),自然條件較為嚴酷,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、水質侵蝕,構成了耐久性破壞的復雜多變的主要類型。寒冷地區(qū)水利工程的混凝土構筑物,由于使用條件處于動態(tài)和靜態(tài)復合的水的沖磨、氣蝕、侵蝕、滲漏、冷冰凍融等反復共同作用下,情況更趨惡劣。一般水工混凝土結構的使用壽命都要求大于50a,但是由于設計欠妥、施工不良、管理不善等眾多原因,許多大壩或水庫在運行20～30a,甚至更短的時間內(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行的潛在威脅。因材質劣化造成失效以致破壞崩塌的事故時有發(fā)生,用于混凝土結構修補、重建和改建的費用日益增大,存在著“年年補、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　復合增鈣液態(tài)渣粉在水工混凝土中的應用意義

3.1　復合增鈣液態(tài)渣粉的定義

　　增鈣液態(tài)渣是立式旋風爐的熱電廠高溫( 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,進入立式旋風爐內(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合而成,屬于高鈣渣粉高性能的一個品種。

3.2　復合增鈣液態(tài)渣粉的生態(tài)效應

　　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、能源消耗和嚴重的環(huán)境污染。生產(chǎn)1 t水泥熟料消耗標準煤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,這個數(shù)字是驚人的,它對環(huán)境的影響已經(jīng)無法估計。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)渣粉充分應用于水利工程中,變廢為寶,不僅解決了資源浪費,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,達到節(jié)約土地、節(jié)省能源、節(jié)省資源、利國利民得目的,實施可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略方針。

3.3　復合增鈣液態(tài)渣粉的應用價值

　　作為一種新型的混凝土摻合料,復合增鈣液態(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)渣粉的比強度較大,需水比小,化學外加劑匹配性好,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)部結構和界面狀態(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)生水化反應釋放出大量的水化熱。由于混凝土是熱的不良導體, 導熱系數(shù)小(1.28W /mok左右) ,水泥的水化熱不易散發(fā),當混凝土的內(nèi)部溫度與表面溫度相差大于25℃時,混凝土就會產(chǎn)生溫差裂縫,并在溫度達到峰值后產(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、冷冰凍融等反復共同作用,加劇了裂縫的擴展,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。而復合增鈣液態(tài)渣粉的應用,極大地提高了混凝土的密實度,其微集料填充作用細化了混凝土內(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。

　　工程實踐表明:復合增鈣液態(tài)渣粉對水泥砂漿、混凝土具有良好的適應性,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,摻入復合增鈣液態(tài)渣粉時,混凝土可節(jié)約資金24元/m3 左右,對于一個年產(chǎn)10萬m3 的商品混凝土攪拌站,如果使用復合增鈣液態(tài)渣粉等量取代水泥,在最優(yōu)的技術經(jīng)濟效果下,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,我省水工建設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、維護修繕費用的減少、生態(tài)環(huán)境的改善等潛在效益的發(fā)揮,其經(jīng)濟和社會效益十分巨大。

4　復合增鈣液態(tài)渣粉的研究現(xiàn)狀

　　目前,黑龍江省水利科學研究院承擔了黑龍江省科學技術廳科技攻關重點項目《復合增鈣液態(tài)渣粉在水工混凝土寒冷地區(qū)的工程應用耐久性》進行研究。近期,經(jīng)過科研隊伍的辛勤攻關,已取得了階段性的研究成果。至今已完成了復合增鈣液態(tài)渣粉水工混凝土的最佳配合比選定、復配外加劑優(yōu)選、復合增鈣液態(tài)渣粉水工混凝土微觀結構研究,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坡工程、依蘭倭肯河灌區(qū)學興渠首等工程中進行了應用。經(jīng)初步研究和工程應用表明,復合增鈣液態(tài)渣粉能夠改善新拌混凝土的工作性質及硬化混凝土的力學及耐久性能。作為混凝土摻合料,可以形成了疊加效應的復合材料,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,后期強度增長迅速,性能全面提高。該項研究擬于省內(nèi)廣泛推廣應用,走向市場。

5　結語

　　1)復合增鈣液態(tài)渣粉的應用解決了工業(yè)廢渣的資源浪費問題,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)效應和經(jīng)濟效應。

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

參考文獻:

　　[ 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.土建結構工程的安全性與耐久性[M ] .北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2003.