固體廢棄物在水泥中的應用

王 靜

(霍州煤電集團云廈勘探試驗有限責任公司,山西 霍州 031400)

固體廢棄物在水泥中的應用

王 靜

(霍州煤電集團云廈勘探試驗有限責任公司,山西 霍州 031400)

固體廢棄物(固廢)是人類在工業(yè)生產、日常生活中產生的固態(tài)、半固態(tài)廢棄物質，對土壤、水資源、大氣環(huán)境造成了嚴重的危害。然而，目前技術水平低下，綜合利用意識低導致了固廢循環(huán)利用率較低等問題。研究了鋼渣、粉煤灰、赤泥等固體廢棄物作為摻合料在水泥熟料中的應用，從多個角度研究了摻加固廢后的水泥性能，為固廢資源化應用提供了有效途徑。

固體廢棄物，水泥，資源化應用

1 固體廢棄物及其危害

人類在生產、生活中產生的固態(tài)、半固態(tài)廢棄物質，即“垃圾”就是固體廢棄物，主要包括了固態(tài)的爐渣、污泥，以及廢酸堿、有機溶劑等高濃度液體，固廢對人類社會、環(huán)境的危害有很多方面，其中主要表現(xiàn)為大量固廢占用了寶貴的土地資源，并對環(huán)境造成了很大的影響。

由于固體廢棄物常常采用露天堆存，所以在處理過程中需占用大量土地。我國每年排放的城市垃圾以3%～5%的速度侵吞土地，這部分垃圾廢棄物未經處理，會影響到自然環(huán)境以及城市衛(wèi)生，對人類的生存條件及健康造成威脅。部分有毒廢棄物通過自然循環(huán)作用，其毒性物質會滲入土壤，破壞土壤的腐解能力；部分固廢顆粒隨水循環(huán)進入水體，導致地下水受到嚴重的污染，造成不可逆轉的破壞；固廢微粒可漂浮于空氣中，造成能見度降低，北方形成霧霾的部分原因就是由于微粒進入大氣導致的。環(huán)境修復是一項長期的工作，其修復和處理需要花費很大的代價，也會對經濟造成一定程度的影響[1]。目前，我國的固廢利用率較低，技術水平低下，綜合利用意識差，使得一部分可回收資源并未發(fā)揮應有的作用，成為廢棄物污染環(huán)境。

2 固體廢棄物在水泥中的應用

我國是世界上水泥用量最大的國家，隨著一帶一路的持續(xù)推進，我國的基礎設施建設在沿線各國相繼啟動，近年來我國的水泥產量、使用量和使用范圍常年位居世界首位。水泥在生產過程中消耗了大量的粘土、石灰石等資源，如何使用較高摻量的固體廢棄物，使水泥在生產過程中的能耗降低，并利用各類固體廢棄物的特有屬性，提高水泥熟料的耐久性、抗腐蝕性等問題就成為了目前亟待解決的問題。目前，鋼渣、粉煤灰、赤泥等固體廢棄物已經作為水泥熟料中的摻合料被研究和開發(fā)，其中部分產品已經被大量的應用在水泥生產中。

Craighill[2]研究了英國拆建廢棄物生命周期的環(huán)境影響，表明填埋對環(huán)境的影響最大，處理再利用對環(huán)境影響稍小，直接利用對環(huán)境的影響最小。龔志起等[3]研究了生命周期評價方法，表明再生骨料替代利用對環(huán)境的影響最小。孫楠楠[4]構建了再生混凝土生產過程中碳排放—運距關系模型，提出再生混凝土工廠與攪拌站之間的臨界運輸距離為40 km。

2.1 鋼渣在水泥中的應用

鋼渣是煉鋼工業(yè)中產生的廢渣，目前在我國的綜合利用率僅為10%～20%，大量的鋼渣不能及時處理，造成了土地資源的占用以及環(huán)境的污染。鋼渣中含有大量的CaO,FeO和MgO等可利用成分[5]，所以如何激發(fā)鋼渣的活性，并應用到水泥制品中是學者研究的焦點問題之一。

目前采用粉磨方式對鋼渣進行活性激發(fā)的研究已經取得了一定的進展，部分學者對單獨粉磨鋼渣作為混凝土摻和料的性質進行了研究[6]。但鋼渣微粉的應用相對較差，其主要原因是由于鋼渣僅僅具有潛在的水硬性，但材料產生強度較慢，水化反應過程較長，且鋼渣產品的強度受到限制，表現(xiàn)為混凝土早期強度偏低。唐衛(wèi)軍[7]研究了不同摻量、不同細度的鋼渣微粉替代50%水泥的活性指數(shù)和流動度比。研究發(fā)現(xiàn)，隨著鋼渣細度的增加，流動度比有所提高；對鋼渣微粉活性進行化學激發(fā)發(fā)現(xiàn)，堿激發(fā)效果明顯優(yōu)于酸性激發(fā)劑；摻加20%～80%的混凝土早期抗壓強度可顯著提高。

2.2 粉煤灰在水泥中的應用

粉煤灰是煤燃燒后煙氣中的細灰，是燃煤電廠排出的固體廢物。隨著我國電力工業(yè)的快速發(fā)展，粉煤灰的排放量也逐年增加。粉煤灰排放產生的揚塵會污染大氣，也會對人體健康造成不同程度的影響。粉煤灰中含有未完全燃燒的碳，代替粘土可降低煅燒生料時的能耗，且粉煤灰中的硅含量越高，粘土替代率也可以相應的提升。粉煤灰本身含有活性物質SiO2,Al2O3,f-CaO和CaSO4，可增強水泥的早強性。

欒曉風等[8]采用XRD對NaOH,Na2SO4和Na3PO4·12H2O激發(fā)粉煤灰水泥中粉煤灰的活性效果進行了研究，表明3種鈉鹽皆能激發(fā)粉煤灰活性，NaOH可提升水泥3 d，28 d抗壓強度6.8%，7.7%，Na2SO4對水泥3 d抗壓強度提升可達18.2%，Na3PO4·12H2O對水泥的28 d抗壓強度提高了17.7%，XRD顯示鈉鹽在不同程度上促進了水泥的水化，激發(fā)了粉煤灰的潛在活性。陳琳等[9]研究了不同細度、不同摻量的粉煤灰對粉煤灰—礦渣—水泥復合材料強度的影響，表明礦渣越細，復合材料的強度越高，當粉煤灰和礦渣總摻量為50%時，可配置出52.5R復合水泥。

2.3 赤泥在水泥中的應用

赤泥是制鋁工業(yè)在生產氧化鋁過程中產生的固體廢棄物，按氧化鋁生產方法不同，分為燒結法赤泥和拜爾法赤泥[10]。使用燒結法工藝，首先要將鋁土礦和石灰石混合，經高溫鍛燒、冷卻、熟料粉化等流程，最終經過鍛燒成為氧化鋁。在生產過程中摻入了大量石灰石，雜質中的硅酸二鈣、水合氧化鐵、方解石等礦物以赤泥的形式排放。燒結法赤泥中含有大量的硅酸二鈣，在生產水泥的過程中可作為原料摻入，節(jié)省了大量的資源，在節(jié)能減排方面具有重大的意義。拜耳法赤泥的主要成分為水化石榴石、鋁硅酸鈉、一水硬鋁石、氫氧化鈣等膠凝性質較差的物質，與燒結法赤泥的成分不同，只能部分替代粘土。彭小芹等[11]研究了赤泥對堿礦渣水泥固化體(AASS)以及硅酸鹽水泥固化體(PCS)在力學性能方面的影響，表明赤泥摻量為10%時，PCS和AASS的力學性能會有所提升，但隨著赤泥的增加，固化體的力學性能會逐漸降低，表明赤泥用于AASS具有可行性。祝麗萍等[12]研究了以赤泥為主要膠凝組分的全尾砂膠結充填材料，研究表明材料強度比水泥制備的充填料試塊要好，在滿足礦山充填要求的同時，其流動性、保水性及成本都優(yōu)于水泥膠結充填材料，使用XRD和SEM研究表明礦物水化反應生成了大量的AFt,AFm，使膠結體系的結構致密性增強。

3 結語

固體廢棄物是人類在生產、生活中產生的固態(tài)、半固態(tài)廢棄物質，占用了寶貴的土地資源，并對環(huán)境造成了很大的影響。固體廢棄物未經處理，會嚴重影響到自然環(huán)境以及城市衛(wèi)生，對人類的生存條件及健康造成威脅。我國的固廢利用率較低，技術水平低下，綜合利用意識差，使得一部分可回收資源并未發(fā)揮應有的作用，成為廢棄物污染環(huán)境。

我國水泥產量和使用量常年位居世界首位，如何使用較高摻量的固體廢棄物，使水泥在生產過程中的能耗降低成為目前亟待解決的問題。使用堿激發(fā)鋼渣摻入水泥中，其流動度比有所提高，且摻加20%～80%的混凝土早期抗壓強度可顯著提高。使用NaOH,Na2SO4和Na3PO4·12H2O激發(fā)粉煤灰水泥中粉煤灰的活性效果表明，NaOH可提升水泥3 d，28 d的抗壓強度，Na2SO4可大幅提升水泥3 d抗壓強度，Na3PO4·12H2O可提升水泥28 d抗壓強度。當赤泥摻量為10%時，堿礦渣水泥固化體和硅酸鹽水泥固化體的力學性能會有所提升。所以，鋼渣、粉煤灰、赤泥等固體廢棄物已經作為水泥熟料中的摻合料被廣泛研究，但還需對其進行深入的分析和應用，從而使固體廢棄物得到更深層次的開發(fā)。

[1] 武 強,劉宏磊,陳 奇，等.礦山環(huán)境修復治理模式理論與實踐[J].煤炭學報,2017,42(5):1085-1092.

[2] Craighill A,Powell J C.A lifecycle assessment and evaluation of construction and demolition waste[J].Addiction,1999,63(3-4):279-280.

[3] 龔志起,丁 銳,陳柏昆.廢棄混凝土處理方式的環(huán)境影響比較[J].工程管理學報,2011,25(3):266-270.

[4] 孫楠楠.運輸及碳化對RAC生命周期碳排放的影響研究[D].杭州：浙江大學,2014.

[5] 張朝暉,廖杰龍,巨建濤，等.鋼渣處理工藝與國內外鋼渣利用技術[J].鋼鐵研究學報,2013,25(7):1-4.

[6] 趙三銀,李偉升,林永權，等.轉爐鋼渣粉磨動力學的實驗研究[J].水泥工程,2006(2):5-8.

[7] 唐衛(wèi)軍.鋼渣礦渣復合微粉對水泥和混凝土性能影響的實驗研究[D].北京：中國地質大學(北京),2009.

[8] 欒曉風,潘志華,王冬冬.粉煤灰水泥體系中粉煤灰活性的化學激發(fā)[J].硅酸鹽通報,2010,29(4):757-761.

[9] 陳 琳,潘如意,沈曉冬，等.粉煤灰—礦渣—水泥復合膠凝材料強度和水化性能[J].建筑材料學報,2010,13(3):380-384.

[10] 南相莉,張廷安,劉 燕，等.我國赤泥綜合利用分析[J].過程工程學報,2010,10(S1):264-270.

[11] 彭小芹,張 祺,李曉盼，等.赤泥對水泥固化體性能的影響[J].硅酸鹽通報,2015,34(4):1100-1104.

[12] 祝麗萍,倪 文,張旭芳，等.赤泥—礦渣—水泥基全尾砂膠結充填料的性能與微觀結構[J].北京科技大學學報,2010,32(7):838-842.

Applicationofsolidwasteincement

WangJing

(HuozhouCoalElectricityGroupYunshaExplorationTestCo.,Ltd,Huozhou031400,China)

Solid wastes, including solid and semi-solid wastes, are generated by human beings during industrial production and daily life, which seriously harms the soil resource, the water resource and the atmospheric environment. However, the waste currently has rather low cyclic utilization level because low technical ability and poor comprehensive awareness. In order to reutilize the solid waste such as steel slag, fly ash and red mud, the waste as cement admixtures is mixed into cement clinker. The performance of the cement mixture was studied in terms of its research from multiple perspectives, which has significant meaning for solid waste reutilization.

solid waste, cement, resource utilization

2017-10-07

王 靜(1989- )，女，助理工程師

1009-6825(2017)35-0115-02

X705

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