循環經濟模式下鋼渣用于透水透氣型混凝土開發

韋剛，徐克林

同濟大學機械工程學院工業工程所

1 前言

21 世紀是循環經濟發展的時代，這是隨著自然資源的日益稀缺和匱乏，隨著工業化的不斷加深和發展，環境污染日趨嚴重，環保工作迫在眉睫，循環經濟模式顯得尤為重要。傳統的經濟發展模式是一種“資源、產品、消費、污染物排放”的單向流動，而循環經濟發展模式則是“資源、產品、消費、回收利用、再生資源”的循環流動過程，是一個閉環系統。

隨著近年來鋼鐵行業產量的不斷提升，大量的鋼渣同時產生。鋼渣的堆放和處置給環境造成了污染，且土地資源被占用，不僅會給水體土壤和大氣等都帶來了嚴重的污染，甚至可能會威脅到人們的健康。如何將鋼渣實現循環利用，就給相關企業和政府部門帶來了難題和挑戰。因此，鋼渣的合理處置和可再生利用、變廢為寶就顯得尤為重要。

2 問題的提出

長期以來，普通混凝土的生產與使用帶來的嚴重污染已成為社會公認。與生態環境的要求相比，普通混凝土的透水性、吸熱性和透氣性都較差。因此，透水、透氣型混凝土就值得重點研究和開發。

鋼渣作為工業廢渣，成分具有不穩定性，其制成的鋼渣相關制品質量不穩定。將其鋼渣進行熱處理（1500℃ 以上）、并且快速的冷卻和固化，通過這樣的加工處理后，其化學特性和物理特性都與天然的資源極其相似了，并且穩定性良好，硬度也比較高，鐵和渣易分離的優點，可用于透水型混凝土等諸多領域和行業，成為了近幾年來建筑行業興起的一種綠色環保型混凝土。該種混凝土不僅具有透水性和透氣性，并且緩解了城市的“熱島效應”和改善了大自然水體循環，因此，研究和開發鋼渣透水混凝土市場前景非常廣闊。

3 問題的研究

3.1 試驗方法設計

將鋼渣制成的混凝土與普通混凝土進行現場試驗，進行多次綜合分析：

（1）選用原材料和實驗裝置

鋼渣采用滾筒法處理的1-3mm，3-5mm，5-10mm，10-20mm 的這四種型號的鋼渣來作為試驗用品，制成的試驗用品編號為 a、b、c、d。水泥采用標號為 42.5 的普通硅酸鹽水泥。添加劑則選用 LDA 型增強劑。

采用自行設計的透水儀見圖 1。該試驗用具為自制研發的透明玻璃儀器，尺寸為 160mm×160mm×300mm，上部開放式敞開，下部中間為φ85mm 的圓型孔。透水儀器的一側設置刻度線，間距為 50mm，試驗時作為計量單位。

圖1 透水試驗儀器示意圖

（2）試驗步驟

試驗前，將試品的垂直四周用密封材料密封嚴實，且不能漏水，水只能從試品的垂直方向的上表面進行滲漏。在試品試驗的時候，上表面用油性灰均勻覆蓋，然后將透水玻璃儀器放置于試品的上面，并將其壓緊油灰，便開始向透水玻璃儀器中加自來水至刻度 150mm 以上。當水面下降至150mm 時，則開始計算時間，下降至 100mm 時，則計時結束。計算時間時采用秒表。

（3）計算方法

式（1）為計算公式。最終結果以三塊試樣的平均值表示（計算精確至 0.1mm/s）。

A=H/Δt （1）

式中：H——水位下降高度 50mm；Δt——水從 150mm降至 100mm 高度的持續時間，單位為秒（s）。

3.2 試驗過程分析

（1）骨料粒徑大小對透水系數的影響

試驗表明，將四種鋼渣作為透水混凝土集料，在相同的條件下，a～d 隨著骨料粒徑的變大，透水系數也隨著變大。如當水灰比為 0.21 時，1-3mm 型號的骨料透水混凝土和 10-20mm 型號的骨料透水混凝土的透水系數分別為 5.8mm/s 和13.2mm/s，兩者相差甚大，增幅很明顯。因為伴隨著骨料粒徑的變大，空隙率也隨著變大，從而透水系數將增大。

（2）水灰比對透水系數的影響

試驗表明，按照水灰比0.21、0.21、0.25、0.27、0.29、0.31分別制成鋼渣透水混凝土試驗用品，分別測試其透水系數。則發現，各種透水混凝土的透水系數為 1-14mm/s。無論骨料粒徑大小，鋼渣透水混凝土的透水系數都會隨著水灰比的增大而減少，但是在水灰比為 0.21-0.25 之間時，透水系數的降幅不明顯，而水灰比從 0.27-0.31 時，透水系數則下降明顯。例如 b 透水混凝土，水灰比從 0.21 增加到了 0.25 時，其透水系數從 9.1mm/s 下降到了7.7mm/s，下降幅度為 15.4%；而水灰比從 0.27 增加到 0.31 時，透水系數則從 6.8mm/s下降到了 3.8mm/s，下降幅度則為 44.1%。其主要原因為水灰比的增大，使得透水混凝土表面的起漿變多，造成了表面堵塞，空隙率就下降。

（3）集灰比對透水系數的影響

集灰比是指鋼渣透水混凝土中鋼渣骨料與膠凝材料的比例，通過調整水泥的使用量來調整集灰比。研究表明，當透水混凝土的集灰比達到 7.0 以上時，30 天抗折和抗壓強度則無法保證。故我們選擇集灰比為 7.0、6.0、5.0、4.0、3.0 這五種進行試驗分析。

試驗結果表明，隨著集灰比從 3.0 增加到 7.0，鋼渣透水混凝土的透水系數也隨之增加，其主要是由于集灰比例較小時，水泥的使用量相對較多，試品的強度也會相應較大，但由于水泥漿包裹鋼渣顆粒存在著相對的過剩，使透水混凝土的空隙率降低，而透水系數也下降。另外，當顆粒粒徑相對較小時，隨著集灰比的下降，則透水系數下降更加明顯，例如當骨料粒徑為 3-5mm 時，集灰比由 7.0 下降到 3.0 時，透水系數則會由 9.6mm/s 下降到 1.2mm/s，降幅達到了 87.5%。

（4）外加劑混入量的多少對透水系數的影響

試驗表明，外加劑混入量的多少對于鋼渣透水混凝土也有一定的影響，如：隨著外加劑混入量的增加，鋼渣透水混凝土的透水系數會有所下降，外加劑混入量減少，將有利于提高鋼渣透水混凝土的透水系數，但影響幅度很有限。

（5）其他因素對透水系數的影響

除了以上四個主要因素外，還有以下幾個因素也會對鋼渣透水混凝土的透水系數產生影響：

1）施工進度的快慢、混凝土使用過程中攪拌的均勻程度、以及在使用時周邊環境都會對鋼渣透水混凝土的透水系數產生影響。

2）當氣溫降低時，水的動力粘滯系數就越大，透水系數就越小，我們以 10℃ 為標準，在溫度為 T 時的透水系數按式

（2）換算成標準溫度時的透水系數。

K10=KTηT/η10 （2）

式中：K10 為水溫為 10℃ 時的透水系數/（cm·s-1）；ηT 為水溫為 T/℃ 時水的動力粘滯系數/（kPa·s）；KT 為水溫為 T/℃ 時的透水系數/（cm·s-1）；η20 為水溫為 10℃ 時水的動力粘滯系數/（kPa·s）；ηT 和η10 為常數值，參見《公路土工試驗規程》。

3.3 分析結論

通過上述一系列試驗分析發現：

（1）影響鋼渣混凝土透水系數及穩定性的主要因素有集灰比、水灰比、骨料粒徑大小、外加劑混入量等因素。

（2）鋼渣透水混凝土的透水系數會隨著集灰比、骨料粒徑的變大而相應變大；當顆粒粒徑相對較小時，隨著集灰比的下降，透水系數會下降的更加明顯。

（3）鋼渣透水混凝土的透水系數會隨著水灰比的變大而相應減少，但是在水灰比為 0.21-0.25 之間時，透水系數的降幅則會不明顯，當水灰比從 0.27 增至 0.31 時，透水系數下降幅度會較為明顯。同時我們發現，隨著外加劑混入量的增加透水系數會減少，但是總體影響哦幅度會非常有限。

（4）其它幾種因素也會對鋼渣透水混凝土的透水系數產生影響。

4 應用成效

通過研究，鋼渣透水混凝土取得了良好的經濟效益和社會效益。目前主要應用于有較高要求的透水、透氣相關環境工程和綠色公共工程。如：上海世博園道路、植物園路面、停車場以及體育場館等。通過設計和改進，還可用于山體護坡、草坪地板、無土綠色植被種植、農田水利等。

鋼渣生態透水混凝土的社會效益主要體現在生態和社會的和諧得到促進。城市排水管網的壓力由于透水性在一定程度上得到的減緩，其低輻射和降低噪音的特性提高了人們的健康指數，同時，也緩解了城市“熱島效應”， 緩解了工業發展給環境造成的壓力。因此，鋼渣開發用于透水透氣型混凝土使鋼渣資源獲得了良好的循環再利用價值。

[1]梁金燕.構建鋼鐵回收物流實現可持續發展[J].冶金管理，2007,12(5)

[2]邱玲.論中國鋼鐵物流的發展[D].北京：對外經濟貿易大學，2005,6(11)

[3]宗濤. 搞好廢舊鋼鐵回收利用的對策研究，中國資源綜合利用，2006,7(9)

[4]廖清州. 建設循環經濟型鋼鐵企業，中國環境巡禮，2006,7(9)

[5]金強. 寶鋼鋼渣混凝土材料資源化應用技術研究，2008,2(2）

[6]鄭木蓮等. 大孔混凝土組成設計及路用性能，長安大學學報，2003,6(8）