日本開發利用混凝土細骨料的現狀綜述

鄭捷，卞成輝

（上海建工材料工程有限公司，上海 200041）

日本開發利用混凝土細骨料的現狀綜述

鄭捷，卞成輝

（上海建工材料工程有限公司，上海 200041）

本文綜述了日本近年來在混凝土細骨料研究方面取得的進展和成果，主要包括高爐礦渣細骨料的有關標準及其對混凝土性能的影響，以及同時采用海水和海砂制備混凝土的相關性能和社會經濟效益，并指出了今后混凝土細骨料研究中需要解決的課題。

高爐礦渣細骨料；廢棄物；工業副產物；混凝土性能；海水；海砂；氯離子

0 前言

據中國混凝土網的不完全統計，2012 年我國商品混凝土產量達 18.1 億立方米，若以每立方米用砂 800kg 計，則 2012年的商品混凝土用砂量約為 14.5 億噸。以上僅僅是不完全統計，尚未包括預制構件、房屋修繕及其他領域的建筑用砂，實際耗用量可能遠大于以上的估算。

近幾年來各地為了保護江堤河壩、維持生態平衡都不同程度做出嚴禁或限量開采的規定，以河砂為主的天然砂已無法滿足建筑市場的需求。令人感到欣慰的是，據砂石工業“十二五發展規劃”[1]中披露，“十一五”時期，我國砂石工業結構發生了顯著變化，傳統天然砂的比重從 2002 年的 90% 下降為 2005 年的 80%，2010 年下降到 50%。盡管如此，由于我國建筑用砂的需求總量非常龐大，天然河砂又受自然資源以及環境保護的制約，質優價廉的河砂已不復存在，因此，尋找新的細骨料資源，使混凝土行業實現從資源依賴型到資源創新型的轉變已成為迫切需要研究的課題。日本相關工程技術人員在這方面進行了大量的研究和實踐，借鑒他們所取得的進展和成果結合我國國情開展混凝土細骨料的研究，或許會給我們帶來啟迪和幫助。

1 日本混凝土細骨料使用概況

根據日本預拌混凝土工業行業協會的統計，2011 年預拌混凝土的產量達 8796 萬立方米，細骨料耗用量約 7000 萬噸，所使用細骨料種類所占百分比如圖 1[2]所示。

圖 1 2011 年日本預拌混凝土行業所使用細骨料種類占比

由圖 1 可知河砂比例僅占 13.9%，說明經長年累月的開采，河砂資源已面臨枯竭，同時也是為了切實保護資源環境，當地政府采取了限制性或禁止性措施。其次，機制砂和山砂兩者相加所占比例大于 70%，說明在擺脫對河砂的依賴、開拓資源渠道及開發應用方面取得了成效，兩者占有主導地位。第三，值得關注的是海砂的使用量也占到 12.2%。相關資料顯示[2]，日本 43 個縣中 20 個縣不同程度地使用海砂，其中7個縣海砂的使用比例高達 90% 以上。這從另外一個方面說明雖然氯鹽是海砂中的主要有害物質，但是在深入研究的基礎上，采取了積極穩妥的技術措施，即使海砂被大量使用，也未造成混凝土的質量事故。

眾所周知，日本是一個島國，也是一個資源匱乏的國家。為了抑制廢棄物的排放，同時為了應對日益枯竭的天然骨料，日本相繼制定了循環型社會的基本法及各種廢棄物再生利用的有關法律。與此同時，廢棄物的開發利用以及工業副產物配制混凝土的研究都取得了顯著成果并在各種工程中得到應用。如高爐礦渣細骨料、銅礦渣細骨料、鎳鐵合金細骨料、垃圾焚燒殘渣細骨料等正不斷地作為混凝土細骨料被利用。以上各種細骨料已制定為 JISA5011 系列標準，而且制定了相應的設計施工指南。以高爐礦渣細骨料為例，自 1981年制定了用于混凝土的高爐礦渣細骨料標準（JISA5012）后經過 2 次修改，2013 年 3 月又進行了第 3 次修改。在此引用 2012 年日本鋼鐵礦渣統計年報的數據，當年用于混凝土的礦渣細骨料計 174.4 萬噸。雖然僅占混凝土用細骨料總量的2.5% 左右，卻在資源循環利用方面邁出了一大步。

2 高爐礦渣細骨料的研究

2.1 高爐礦渣細骨料標準簡介

高爐礦渣是指在 1500℃ 高溫下被熔融的鐵礦石中將鐵以外的成分及副原料中的石灰石、焦炭一起被分離所生成的礦渣，在熔融狀態時經水或空氣急冷，通過粒度調整而形成的細骨料。標準對高爐礦渣細骨料根據其粒徑大小分類，見表 1

[3]。

2013 年新修訂的標準 JISA5011—1—2003 混凝土用礦渣骨料—第 1 部：高爐礦渣骨料（包括粗骨料、細骨料）中對于高爐礦渣細骨料細粉含量規定最大為 7.0%，允許誤差±2.0%。同時關于高爐礦渣細骨料的化學及物理性質的規定見表 2[4]。

表 1 高爐礦渣細骨料的分類

表 2 高爐礦渣細骨料的化學成分及物理性質

在化學成分分析方法上除了滴定法、質量法以外，新標準增加了 EDTA 滴定法、熒光 X 線分析法、ICP 發光分光分析法等。此外，率先導入了環境安全品質指標，對于使用高爐礦渣細骨料制備的混凝土構筑物，按其用途規定了各種化學物質的溶出量和含有量。這是考慮到混凝土構筑物在使用壽命結束后，作為路基材料再度被利用時可能產生的危險因素而制定的評定指標。表 3[4]是一般用途的環境安全品質標準。

表 3 一般用途的環境安全品質指標

因為礦渣在高溫冶煉過程中不存在有機化合物，所以表3 安全品質指標中的有關項目都列為無機金屬系元素。

目前全日本有 13 家高爐公司生產混凝土細骨料，4 家生產粗骨料。高爐礦渣粗細骨料的年銷售量約 190 萬噸。在初版的“高爐礦渣細骨料的混凝土配合比設計、施工指南及條文說明”中高爐礦渣細骨料在高強混凝土中的應用是排除在外的，經 2013 年修訂后，高爐礦渣細骨料的使用規定為高強混凝土的設計基準強度是 36MPa 以上、60MPa 以下范圍，對于超過 60MPa 的混凝土，只要通過試驗，并提供可靠的試驗數據，所要求的性能指標得到確認也可以使用。長期以來的試驗、工程實踐證明高爐礦渣細骨料是一種品質穩定的工業制品，作為混凝土的組成材料之一，不存在堿骨料反應，不含泥土、貝殼等雜質，無論單獨使用還是與其它細骨料混合使用并無顯著差別，作為天然骨料的替代材料在保護生態環境、降低能源消耗方面具有廣闊的應用前景。

2.2 使用高爐礦渣細骨料的混凝土性能

隨著研究工作的深入，近年來高爐礦渣細骨料的使用已從普通混凝土擴大到高強混凝土。為了考察高爐礦渣細骨料配制的混凝土以及采用混合細骨料（河砂與礦渣細骨料以 1:1混合）配制的混凝土與單獨采用河砂配制的混凝土在各種性能上的差異，從而找尋其變化規律。試驗所用原材料分別采用兩種不同產地的河砂、三種不同廠家的礦渣細骨料，所有細骨料細度模數都在 Ⅱ 區范圍，采用正交試驗設計。主要試驗結論如下：

（1）在普通混凝土強度范圍內，高爐礦渣細骨料配制的混凝土為了取得與河砂配制的混凝土相同的流動性，必須增加單位用水量及外加劑摻量。但在高強混凝土范圍，高爐礦渣細骨料配制的混凝土與河砂配制的混凝土其單位用水量及外加劑摻量相差不大。

（2）使用高爐礦渣細骨料配制的混凝土，空氣含量比河砂配制的混凝土稍大。

（3）高爐礦渣細骨料配制的混凝土與河砂配制的混凝土都隨著水灰比的減小而強度增加，因此高爐礦渣細骨料可以配制出 100MPa 以上的混凝土。

（4）若以河砂配制的混凝土強度為 100% 計，則以高爐礦渣細骨料配制的混凝土強度平均達 90%。水灰比為 60%、55%、40% 情況下，隨著齡期的增加強度有隨之增長的趨勢，但水灰比為 24%、20% 的情況下，隨著齡期的增加強度未呈增長的趨勢。這是因為在水灰比 40%～60% 范圍內，由于高爐礦渣細骨料的潛在水硬性，混凝土長期強度得以增長，但在低水灰比情況下潛在的水硬性作用受到限制，反而抑制了后期強度的增長。當采用混合細骨料配制混凝土時，其強度處于河砂及礦渣細骨料單獨配制混凝土時的中間值。

（5）任何水灰比條件下，使用高爐礦渣細骨料的混凝土彈性模量比河砂配制的混凝土要大，混合細骨料配制的混凝土彈性模量在兩者之間。

（6）高爐礦渣細骨料配制的混凝土干燥收縮率卻比河砂配制的混凝土要小。

總結以往的試驗研究，對于使用高爐礦渣細骨料配制的混凝土可以歸納為以下幾個特點：一是高爐礦渣細骨料不含氯離子且所存在的活性二氧化硅含量極低，因此不具備氯離子侵蝕及堿骨料反應的風險；二是高爐礦渣細骨料配制的混凝土干燥收縮率比使用其他細骨料配制的混凝土要小；三是抗壓強度方面與其他細骨料配制的混凝土相當。正是由于上述的這些特點近年來高爐礦渣細骨料配制的混凝土在許多工程上得到應用。從所掌握的工程應用資料中可以反映出高爐礦渣細骨料與其他細骨料混合應用居多，混合比例在7%～60% 不等。

3 海水、海砂配制混凝土的研究

3.1 研究背景

作為天然細骨料的海砂，由于所含的氯鹽會促使鋼筋發生銹蝕，因此一直被禁止使用。但是隨著建筑用砂需求量的不斷攀升，河砂資源的日益緊缺以及環境保護政策措施的健全，人們不得不關注儲量豐富的海砂上。作為基本規定，海砂應作凈化處理，但是凈化海砂的同時需要耗用大量的淡水，而從世界水資源分布情況可知占地球上 96.5% 是海水，淡水僅占 2.5%，其他種類的水占 1%，并且可利用的淡水又僅僅占全部水資源的 0.8%。縱觀混凝土生產的全過程，其耗用的淡水包括攪拌用水、試件養護用水、設備清洗用水等等，因此凈化處理所需要的淡水及能耗，都不利于水資源的保護，也不利于混凝土行業的節能減排，在此背景下，開展海水、海砂配制混凝土的研究有著雙重意義。

3.2 試驗材料

試驗研究的使用材料如表 4[5]所示。

表 4 使用材料

砂漿配合比和混凝土配合比中的水膠比都取 0.5，膠凝材料中礦渣微粉的摻量為 50%，粉煤灰的摻量為 20%，硅粉摻量為 10%，攪拌用的海水經測定氯離子濃度為 1.83%，假設未經凈化的海砂氯離子含量為 0.3%，則相當于在山砂中添加的氯離子量為 1.5kg/m3，總氯離子含量為 4.5kg/m3，上述材料分別制作成砂漿試件和混凝土試件。

3.3 混凝土性能

3.3.1 凝結時間

比較使用海水和自來水攪拌的混凝土初終凝時間，發現采用海水攪拌的混凝土初凝時間提早 1 小時 30 分鐘，終凝時間提早 2 小時 15 分鐘，特殊外加劑對凝結時間并無影響。

圖3中，原點為時間、空間、價值軸的交點，表示“英國”“此時”“自由貿易價值觀”，“英國”在文本中處于隱藏狀態。s1表示IDC成員“WTO”“世界”。o1和o2分別表示ODC成員“中國”“美國”，相比較而言，o1比o2在空間、價值軸上與IDC距離更短。o1和o2互相攻擊，分別用l4和l5表示，且l4加粗表示以體現o2對o1的攻擊行為更重于o1對o2的攻擊行為。兩者貿易戰行為將威脅世界，用l3表示。此外，在不久的將來t1時間，美方行為對世界與自身都造成深遠影響，用l1和l2表示。由于美方行為產生的影響重于雙方行為產生的影響，因此l1和l2加粗表示。

3.3.2 抗壓強度

在砂漿抗壓強度方面，摻用礦渣微粉以海水攪拌的砂漿試件與相同膠凝材料但以自來水拌制的砂漿試件比較，7 天齡期的抗壓強度提高 50%，28 天齡期的提高 15%，91 天以后強度增長變緩。摻加特殊外加劑情況下，以海水拌制的砂漿7 天抗壓強度是自來水拌制的 2 倍左右，28 天則提高 50% 左右，一年齡期則有 20% 的增長。當摻用粉煤灰并以海水攪拌與相同膠凝材料以自來水拌制的砂漿相比，一年以內的任何齡期都有 10%～15% 的強度增長率，在添加特殊外加劑后，則有20%～30% 的強度增長。

在混凝土強度方面，摻用礦渣微粉以海水攪拌的情況下，比較相同膠凝材料采用自來水拌制的試件強度，7 天強度提高 60%，28 天提高 30%，91 天以后的強度基本持平；而采用特殊外加劑并摻用硅粉后，初期強度有了很大提高，28 天強度增長率達 60%，91 天齡期時有 20% 的增長。

3.3.3 抗滲性

在水壓 1MPa 作用下經 48 小時透水試驗，根據滲水高度計算滲透系數。結果是，與使用自來水攪拌的試件相比，使用海水的試件透水系數為 1/2，使用特殊外加劑時，透水系數僅為 1/4；而同時使用特殊外加劑及硅粉時，透水系數則減少至 1/70 即 4.7×10-14m/sec，可見海水、特殊外加劑、硅粉的聯合使用，能夠顯著提高混凝土的抗滲性。

3.3.4 抗凍性

海水、海砂配制的混凝土試件經快速 300 次凍融循環后，在空氣含量 3.5% 以上條件下，相對動彈性模量達到 85%以上，并未發現混凝土劣化。

3.3.5 干燥收縮

使用海水、海砂配制的混凝土相比自來水配制的混凝土，其干燥收縮要來得小。

3.3.6 加固材料的抗腐蝕性能

在混凝土中分別設置普通鋼筋、環氧樹脂涂層鋼筋、碳纖維布，通過高壓釜和常溫常壓循環快速試驗，觀察以上加固材料的腐蝕狀況，經 33 次周期循環（相當于海洋環境 100年）后，比較發現普通鋼筋已全部被腐蝕，環氧樹脂涂層鋼筋和碳纖維布并未被腐蝕。試驗結果表明使用防腐蝕的涂層鋼筋、非腐蝕性的碳纖維所構成的混凝土結構物完全適用于海水、未凈化的海砂配制的混凝土。

3.4 成本與 CO2排放

若生產的混凝土量為 1000m3，河砂運距為 100km，使用的加固材料為環氧樹脂涂層鋼筋，就地取材使用海水、海砂制備混凝土與使用自來水、河砂制備混凝土兩者進行比較，制備無筋混凝土時，生產成本可降低 10%，制備鋼筋混凝土時，生產成本可降低 6%。在減少 CO2排放方面，使用海水、海砂所制備的混凝土可減少 CO2排放 40% 左右。

4 結語

本文重點介紹了日本開發利用工業副產物作為混凝土細骨料以及利用海水、海砂配制混凝土的研究情況，從一個側面說明拓展混凝土細骨料的資源渠道和充分利用天然資源方面仍然存在著巨大的潛力，其中至少給予我們如下幾點啟示：

其一，對廢棄物及工業副產物的資源化，并不是權宜之計，而是混凝土可持續發展的方向。從多年前的礦渣微粉、粉煤灰的開發到如今已成為膠凝材料的組成部分，可以預見眾多廢棄物及工業副產物通過研究、開發，一定會被混凝土接受并逐步適應各種工程的要求。同時隨著研究工作的深入和工程應用的推廣，它們的特點和作用也逐漸被人們所認識，并在混凝土各項性能中發揮自己的長處。

其二，在資源化的同時考慮到下一輪循環利用時對環境的影響，率先導入了環境安全品質指標，這是 2013 年新修訂的標準中值得關注的地方。標準提示我們以再生骨料以及各種工業副產物所產生的資源化制品，不僅在初次應用時還必須在再循環利用時對環境的影響作出評估，制定相應的品質管理指標，這也是綠色環保型混凝土的最基本要求。

其三，作為天然資源的海水和海砂因含有氯離子長期以來一直被禁止使用，我國行業標準《海砂混凝土應用技術規