土建工程中的混凝土工业

土建工程中的混凝土工业摘要简要介绍混凝土在中国的土建工程利用情况及发展状况，进而研究在天然砂石资源日渐枯竭状况下，利用工业及生活废弃物加工后用于混凝土，掺入水泥中作混合材，以及作为混凝土的掺合料和矿物外加剂，促进了资源再生利用和节能减排工作。关键词混凝土；废弃物；研究0引言混凝土是当今世界上应用最广泛的建筑材料，其生产和使用过程中的资源过度开发和废弃物排放造成了严重的环境污染和生态破坏，给社会经济的可持续发展及人类自身的生存带来了严重的危害。普通混凝土的正常生产需要约12％水泥、8％拌和水和80％的骨料，这意味着全世界混凝土除了每年要用16亿t水泥以外，还要消耗近100亿t的砂石和l0亿t水，即每年消耗约126亿t原材料，是世界上最大的自然资源用户[1，2]。同时，作为混凝土原材料之一的水泥胶凝材料，其生产不仅耗能大，而且排放大量的CO2。除此之外，巨大数量骨料的开采、加工和运输还要消耗相当可观的能源，并对地球的生态环境产生负面影响。1混凝土利用情况1.1水泥发展状况水泥是土木工程中重要的建筑材料之一。水泥与适量的水拌合后，经过物理化学过程能由具有可塑性的浆体逐渐凝结硬化，变成坚硬的石状体，并能将散装粒或块状材料粘结成整体，不但能在空气中硬化、保持和发展强度，而且能更好的在水中硬化、保持和发展其强度。水泥不仅可拌制混凝土和砂浆，还可制作各种混凝土的预制构件及水泥制品，因此水泥被广泛的应用于工业与民用建筑、农业、交通、海港、国防水利、海洋等国民经济各部门的建设中。根据网上数据2004年和2005年全世界水泥产量位居前10名的国家如表1所示。括号内为按我国公布的数据计算，可见我国水泥产量占世界的47%，约为其他9国产量总和的2倍。表1全球水泥产量前十名108t名次国家200420051中国9.3410.00（10.60）2印度1.251.303美国0.990.994日本0.670.665韩国0.540.506西班牙0.470.487俄罗斯0.430.458泰国0.360.409巴西0.380.3910意大利0.380.38全球21.3022.20（22.80）1.2混凝土的发展情况1.2.1混凝土的组成材料混凝土是由胶凝材料、水、粗骨料、细骨料按适当比例配合拌制成拌合物，经一定时间硬化而成的人造石材。普通混凝土(简称为混凝土)是由水泥、砂、石和水所组成，另外还常加入适量的掺合料和外加剂。在混凝土中，砂、石起骨架作用，称为骨料；水泥与水形成水泥浆，水泥浆包裹在骨料表面并填充其空隙。在硬化前，水泥浆起润滑作用，赋予拌合物一定的和易性，便于施工；水泥浆硬化后，则将骨料胶结为一个坚实的整体。混凝土具有很多优点，可根据不同的需求加入不同的材料，配制出各种不同性质的混凝土。因为混凝土在凝结前具有良好的塑性，因此可以浇铸成各种形状和大小的构件或结构物；它与钢筋有牢固的粘结力，能制作钢筋混凝土结构和构件；经硬化后具有抗压强度高与耐久性良好的特性。因此，无论是在工业与民用建筑、给水与排水工程、水利工程、地下工程以及国防建设等都广泛地应用着混凝土，它在我国的基本建设中占有重要的地位。1.2.2混凝土的生产对资源和环境带来的不良影响我国混凝土年用量10多亿t。混凝土材料的生产需要消耗大量的资源，开采、破碎和运输集料要耗能，生产与加工混凝土也要耗电，矿物资源也非用之不竭、取之不尽，消耗完了是不能再生的，需要人们珍惜使用。例如有的地区大量采砂不加以节制，造成了砂资源日益减少，由粗砂逐渐变成细砂，而且含泥量也逐渐增大，优质砂越来越少。水泥是混凝土的主要原材料之一，水泥在生产过程中消耗大量的煤炭和电能。每生产1t水泥孰料，原料释放CO2为0.55t，孰料煅烧燃料释放的CO2约0.4t，二者相加为0.95t。我国年产15多亿t水泥，将排出13多亿tCO2，约占全球年排出量的13％。水泥的生产和混凝土的配置需要开采粘土、石灰石和砂石集料，极大的破坏绿色植被，毁坏了自然景观，引起水土流失，严重地破坏了生态环境，影响人类的生存质量。排放的CO2不仅加剧温室效应，而且还与SO2和NO一起形成酸雨，危害农作物的收成和植被的生长；降低建筑物外部装饰的寿命，影响装饰效果。NO和粉尘造成空气的污染，使人类的居住环境恶化，影响身体健康。1.2.3混凝土生产的工艺流程混凝土的生产工艺流程主要由原材料与配合比试验、混凝土拌合物的制备质检与控制、混凝土的运输与输送、混凝土结构与构件的成型、混凝土的养护、混凝土的工程质量的检验与验收，具体工艺流程图如图1所示。图1混凝土生产工艺流程图2工业及生活废弃物在混凝土中的应用水泥混凝土是由水泥、粗集料(卵石、碎石)、细集料(砂)、外加剂(可掺或不掺)、掺合料(可掺或不掺)与水等组成的。工业和生活废弃物在水泥生产中利用途径有：(1)作水泥混合材，如粒化高炉矿渣、钢渣、粉煤灰、火山灰等；(2)作水泥原料，如页岩、污泥、生活垃圾等；(3)作燃料，如煤矸石、废弃的玻璃纤维增强塑料等。目前，我国砂石用量已达94亿t，天然砂石自然资源日渐桔竭。因此，充分利用工业及生活废弃物作为混凝土的粗、细集料有利于节省自然资源、废物利用与资源再生。在新修订的GB/T14685《建筑用卵石、碎石》国家标准中碎石来源增加了“矿山废石”；GB/T合格不合格不合格不合格接到施工单位生产调度室材料部生产部试验室检查原材检查设微机设根据温度、湿度等条件设备维混凝土运输车辆就操作室配合比生产混凝土混凝土出厂检验：坍落度、试块留置（采用标对砼进行混凝土出厂砂石分离机重新利用准对混凝土配对错是否是否合格不足储量足14684《建筑用砂》国家标准机制砂中包括了“矿山尾矿或工业废淹颗粒”。在GB/T17431.1~2010《轻集料及其试验方法第1部分：轻集料》中，轻集料的类别除人造轻集料、天然轻集料，还包括工业废渣轻集料（由工业副产品或固体废弃物经破碎、筛分而制成的轻集料）、煤渣（煤在锅炉内燃烧后的多孔残渣，经破碎、筛分而制成的轻集料）、自然煤矸石(采煤、选煤过程中排出的煤矸石，经堆积、自然、破碎、筛分而成的轻集料)。在混凝土的原材料中可以大量使用尾矿、工业废渣、生活垃圾、废液等废弃物。大量试验表明，活力发电厂的粉煤灰、粒化高炉矿渣、煤矿的煤矸石、硅灰、部分生活垃圾等均是具有一定潜在活性的掺合料，可以部分替代水泥制备性能更优越的混凝土。目前研制成功的低水泥用量绿色混凝土，在原材料的选取上考虑了大量使用工业废渣细掺料，并通过采用新型高性能减水剂使超细矿物掺合料用量大大增加，使水泥用量降低到了30%~50%，实现了大掺量粉煤灰、大掺量矿渣等免振捣自密实绿色高性能混凝土的批量生产。早在1997年，日本的秩父小野田公司利用城市垃圾焚烧灰和下水道污泥为主要原料(原料中70％为废弃物)，其中城市垃圾灰占40%~50%，另补充石灰料20%~30%高强度水泥，并利用再生水泥研制成功了新型绿色混凝土[]。综上所述，工业和生活废弃物在混凝土中的利用途径主要有：（1）作水泥混合材、原料或燃料；（2）作混凝土的粗、细集料，代替天然砂石；（3）作混凝土的矿物外加剂（掺合料）。3利用工业和生活废弃物应保证混凝土的使用安全充分利用工业和生活废弃物生产水泥、粗细集料等，制备混凝土，化废为宝，资源再生，为人类服务是人们良好与共同的愿望。但并不是所有的工业和生活废弃物都是可利用的，考虑与决定废弃物能否利用的条件有：经济与安全、生产性能与使用性能、生产商的利益与消费者的利益等。而这些条件中，应该把使用安全、使用性能与保护消费者的权利放在首要位置。工业和生活废弃物既然是人类生产和生活过程中被废弃的物质，其来源、组成、性能等就会十分复杂，甚至是根本无法搞得一清二楚。混凝土与钢材、木材并称为三大传统建筑材料。考查混凝土的质量，不仅仅是其早期的物理学性能，更重要的是其耐久性（碳化、钢筋锈蚀、抗冻性、耐侵蚀性、体积稳定性、碱集料反应等）。混凝土的耐久性会严重影响建筑物的安全与使用寿命，一般建筑物的使用寿命为50~70年，大坝、桥梁、地铁、隧道等使用寿命的要求达100年。因此，利用工业和生活废弃物生产混凝土，必须遵循以下两条原则：（1）不能对环境产生二次污染；（2）不能对混凝土的性能尤其是耐久性和使用寿命产生不利影响。为此，要加强基础研究与工程的长期跟踪观察，决不能满足于在实验室内作的几组试验数据符合标准和规范要求，就匆忙拿到工程上推广使用，更不能用到大型基础设施上去冒险应用。为保证混凝土的安全使用，对工业和生活废弃物利用于混凝土，有以下三点建议。（1）了解、掌握工业和生活废弃物的来源、形成过程、组成成分与有害物质等，如氯化物、碱含量（NaO+0.658K2O）、硫化物与硫酸盐、氯化镁、游离氧化钙、重金属、烧失量等。对存在的有害物质与含量是否会危害混凝土的性能进行试验研究与科学评估，以决定能否用于混凝土的制备。（2）不能对环境造成二次污染，危害人与生物的生存环境。利用粉煤灰、矿渣作水泥混合材、混凝土掺合料与矿物加工剂，利用工业废石破碎作粗集料，用尾矿砂、工业废渣作细集料等，对其中重金属硫化物等有害物质以及是否存在放射性超标应高度关注。以防止因情况不明、资料不全、滥产滥用，对环境造成二次污染，危害人与生物的生存环境。（3）工业和生活废弃物用于制备混凝土，不能对混凝土的性能尤其是耐久性造成不利影响。