固廢基低堿度多孔生態透水混凝土及其制備方法

陳怡凡

（內蒙古科技大學， 內蒙古 包頭 014010）

0 引言

當前，企業在生產和使用混凝土時要求應減少對環境的破壞，同時要實現與環境和諧共生，進而為人們提供良好居住環境。混凝土在使用時是要求其具有合適的堿度和降低孔隙率，較高強度，此外，在一些特殊場合中，要求混凝土能夠為植物提供生存環境，確保其實現連續孔隙，使其能夠為植物生存提供所需環境要求，使混凝土的孔隙率能夠達到20%左右，控制pH 范圍，使其不會影響植物的生長，而在制備傳統混凝土過程中無法滿足上述要求。本研究開發新型混凝土，利用固廢材料實現多孔低堿度混凝土的開發，我國鋼材產量占全球50%以上，但綜合利用率低于15%，因此，進一步拓展鋼渣的利用途徑，可提高其利用率，促進企業實現可持續性發展。對于現代城市發展中，建筑材料采用密實不透水的方式，能夠從一定程度上阻斷城市雨水和環境之間的連通，減少城市產生熱島效應或者看海現狀。2015 年在多個城市中，我們開始構建海綿城市，試點在建設海綿城市，時常用多孔透水混凝土作為核心材料，在多孔混凝土制備時會耗費一定量的自然資源，并且向外界排放二氧化碳，大多數鋼廠在排放一些廢渣后，會挑選較細鋼渣，同時還有一定含量粉粒，在制備混凝土和水泥材料時采用鋼渣，但由于鋼渣具有較差的水硬性和灰性能，因此，將其用于波特蘭水泥受到一定程度的限制。通常鋼渣中含有氧化鈣，安定性較差，如果在制備密實混凝土時，直接使用這些外加劑會產生混凝土開裂或剝落等問題，因此當前需解決如何合理應用鋼渣的問題。本研究提出可將鋼渣中的氧化鈣，利用二氧化碳高濃度尾氣進行固廢透水混凝土制備，能夠為海綿城市建設提供重要的建筑材料，同時，提高鋼渣利用率，緩解二氧化碳排放導致的溫室效應[1]。

1 生態混凝土

生態混凝土是基于主動角度進行生態分析，開發一些特殊混凝土使其具有良好的表面結構性能，在使用和生產過程中不會對外界環境產生影響，可實現人與自然和諧共生。楊進等人將環保混凝土分為兩種類型，包括生態型和減輕環境負荷型，前者包含減輕負荷以及生態混凝土。其中生態混凝土是指能夠適應自然界生物生長，同時對于環境美化，生態平衡，人與自然協調具有一定積極作用的材料。生態混凝土涵蓋較廣的范圍，包含排水性，透水性生物，適應性，綠化景觀混凝土等。李湘洲等人認為生態混凝土能夠適應自然界中的生物生長，在人與自然協調發展和美化環境中發揮重要作用，其與楊進等人的概念類似，然而事實上兩種定義內涵不同，李湘洲等人提出生態混凝土是指生物相溶性以及環境友好型生態混凝土。當前研究界對于生態混凝土普遍提出的共同點是：生態混凝土，能夠從一定程度上減少材料對環境的刺激，能夠有效調節人類在參與自然環境物質交換，生產實踐，是滿足可持續性發展需求，對混凝土功能進行拓展，進而為人類創造良好的生態自然環境，而且本質是基于生態角度出發，能夠協調在使用生產混凝土時與外界自然環境實現能量，物質交換，進而改善人與自然之間的關系，滿足其可持續性發展目標[2]。

2 實驗材料和方法

2.1 實驗材料

鋼渣粒徑分別為5 毫米以下、5～10 毫米、10～15 毫米，如圖1 所示為鋼渣的化學成分和物理性質。

圖1 XRD 分析結構示意圖

將5mm 以下的鋼渣經過烘干之后，將其粘成粉末，按照水泥比表面積測定，通過勃氏法進行表面積測量，最終鋼渣粉比表面積為320m2/kg。

2.2 實驗方法

第一，制備和養護試件。在凈漿實驗中可選取不同水灰比包括，0.24、0.27、0.3、0.33、0.38、0.4，分別向其中加入不同含量磷石膏開展實驗，其具體加入量為0%、15%、30%、40%、50%、70%，同時，加入氯化鈣、硫酸鈉、碳酸鈉，其加入量為0%～5%開展實驗。將不同組凈漿在攪拌機中形成試塊，其尺寸為40×40×40mm，在常溫條件下24 小時養護之后，置于碳化箱中，完成混凝土養護，使其溫度控制在20℃左右，最終二氧化碳的體積比為20%，使用0.1MPa 的二氧化碳分壓，養護時間為1 天到28 天。

第二，廢渣混凝土實驗。根據體積法制備20%孔隙率的廢渣混凝土，同時加入15%磷石膏，在混凝土程序中集中加入原料，之后經過一分鐘攪拌，加入適量水，經三分鐘攪拌，同時，利用橡膠錘將其樣品尺寸達到150×150×150 毫米，經過混凝土養護，保持原有的養護條件。第三，性能測試。按照水泥交叉強度檢驗法，針對凈漿試塊測定抗壓強度。根據混凝土的強度評定標準，測定混凝土試塊的抗壓強度[3]。

3 研究結果

根據混凝土XRD 結果可以發現，鋼渣中化學構成，其具有一定的膠凝性。整體來看，雖然鋼渣水硬活性不佳，然而在處于碳激發條件下，鋼渣中尤其是氧化鈣能夠與二氧化碳氣體生成碳酸鈣，這種膠凝性物質，其最終物質能夠填充樣品微孔，使該結構致密化。廢渣中氧化鎂能夠影響混凝土的碳化強度，通過水灰比對樣品強度的影響，結果表明，在相同養護條件和不同水灰比，顯示的結果也不同[4]。

根據測試可以發現，在處于0.24～0.4 水灰比區間中，在0.24～0.3 的水灰比下，該試樣28 天抗壓強度高于20MPa，然而當水灰比高于0.3，這種情況下，會使樣品抗壓強度逐漸降低，當處于0.27 水灰比時，此時樣品28天的抗壓強度是最大為23.8MPa。根據該實驗結果，鋼渣凈漿試塊的最佳抗壓比對應水灰比為0.27。根據了解可以發現，水灰比對于鋼渣凈漿試塊前期抗壓強度和后期抗壓強度產生影響不同，在較高水灰比下，幾乎無7天的抗壓強度，主要由于水灰比較高，會導致在碳化時生成的碳酸鈣物質，無法形成致密三維網絡結構，不利于提高鋼渣的強度。結合不同水灰比的是抗壓強度，結果表明在相同養護條件和水灰比條件下，加入15%磷石膏，利于提高試塊的抗壓強度，并且在28 天磷石膏對應的抗壓強度最高可達到23.7MPa。通過研究發現加入15%磷石膏時，其摻量最佳，加入磷石膏含量低于50%，這種情況下試塊在7 天內其抗壓強度會保持不變，表明加入磷石膏其對于試塊早期抗壓強度形成的影響是比較小的，然而加入70%磷石膏之后，對于鋼渣凈漿試塊抗壓強度來說，7 天和28 天的強度會出現顯著降低，并且對試塊7 天以及28 天相應抗壓強度產生影響較小，基本無明顯變化，主要由于加入較多含量的磷石膏，并且對試塊7天以及28 天相應抗壓強度產生影響較小，基本無明顯變化。

分析不同摻合物對于實際上抗壓強度產生的影響。在一定水灰比和養護下，分別加入0～5%的硫酸鈉氯化鈣和碳酸鈉，分析樣品對應的抗壓強度，根據該結果可以發現，在實驗中分別針對三種物質進行樣品抗壓強度分析，其結果表現為無明顯影響，同時，加入碳酸鈉和硫酸鈉之后，由于樣品中碳酸根離子和硫酸根離子能夠與鈣離子進行化學反應，會使碳激發化學反應，出現左移，降低反應強度。加入一定含量的氯化鈣后，由于加入鈣離子能夠通過與鋼渣進行激發，使二氧化碳固定在顆粒表面生成碳酸鈣，進而能夠阻止反應的進行。同時，導致經碳化后的碳酸鈣生成碳酸氫鈣，會降低碳化程度，使最終樣品的抗壓強度降低。制備固廢混凝土，本研究針對密室大體積混凝土砂漿采用碳化作用激發，其激發作用較弱。結構中鋼渣無法與二氧化碳充分接觸，進而會降低其活性，利用鋼渣粉代替水泥，將其作為重要的膠凝材料，鋼渣細顆粒以及粗顆粒能夠代替砂碎石來制備透水生態混凝土[5]。

兩種不同粒徑的鋼渣透水混凝土，其28 天的強度高于10MPa，尤其對于5～10 毫米的鋼渣透水混凝土來說，其不高于15.8MPa，可滿足透水路面以及路面基層的施工要求。從其生態和經濟效益上來看，對于傳統多功能混凝土來說，在制備過程中，需向外界進行二氧化碳的排放，同時會消耗天然資源，而經過碳激發固廢材料，制備生態透水混凝土，相比普通多孔混凝土來說，能夠減少二氧化碳排放，約每立方米250 千克，能夠為企業節約每立方米218 元的成本。由于所制材料完全是由廢棄物提供的，因此，該工藝能夠享受國家有關的免稅政策，從碳交易市場中固定大量二氧化碳，能夠獲取一定的利潤，因此，整體來看，利用固廢制備生態透水混凝土，其具有較廣的市場應用前景。

4 結束語

在本研究中，采用相同養護條件和不同水灰比，此時，通過實驗研究結果發現，在處于0.27 水灰比下，采用碳激發試塊會形成較大的抗壓強度，當水灰比較大，此時混凝土試塊7 天中抗壓強度都不會產生明顯變化，主要由于水灰比較高，會導致碳化后的碳酸鈣無法緊密填充三維空間，且混凝土具有較高強度。其次，在相同的水灰比和養護條件下，加入15%石膏摻量，能夠顯著提高固廢凈漿樣品的抗壓強度，該樣品的28d 抗壓強度可達到23.7MPa，當加入50%以下磷石膏時，此時對于凈漿試驗7天抗壓強度無明顯影響。在制備生態透水混凝土時，采用5～10mm 或2.3～5mm 的鋼渣集料粒徑時，混凝土28 天的抗壓強度對應分別為10.2MPa 以及15.8MPa，是滿足相應混凝土抗壓需求的，可將其代替原有的混凝土透水材料，運用于海綿城市建設中。在生態透水多孔混凝土制備過程中，無需采用碎石和水泥材料，很多材料是通過廢棄物提供的，同時，在制備這種生態混凝土時，能夠吸收二氧化碳150kg/m3，利用鋼渣2060kg/m3，其具有良好的生態和經濟效益。