陳怡凡

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)， 內(nèi)蒙古 包頭 014010）

0 引言

當(dāng)前，企業(yè)在生產(chǎn)和使用混凝土?xí)r要求應(yīng)減少對環(huán)境的破壞，同時要實(shí)現(xiàn)與環(huán)境和諧共生，進(jìn)而為人們提供良好居住環(huán)境?；炷猎谑褂脮r是要求其具有合適的堿度和降低孔隙率，較高強(qiáng)度，此外，在一些特殊場合中，要求混凝土能夠?yàn)橹参锾峁┥姝h(huán)境，確保其實(shí)現(xiàn)連續(xù)孔隙，使其能夠?yàn)橹参锷嫣峁┧璀h(huán)境要求，使混凝土的孔隙率能夠達(dá)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(tǒng)混凝土過程中無法滿足上述要求。本研究開發(fā)新型混凝土，利用固廢材料實(shí)現(xiàn)多孔低堿度混凝土的開發(fā)，我國鋼材產(chǎn)量占全球50%以上，但綜合利用率低于15%，因此，進(jìn)一步拓展鋼渣的利用途徑，可提高其利用率，促進(jìn)企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展。對于現(xiàn)代城市發(fā)展中，建筑材料采用密實(shí)不透水的方式，能夠從一定程度上阻斷城市雨水和環(huán)境之間的連通，減少城市產(chǎn)生熱島效應(yīng)或者看海現(xiàn)狀。2015 年在多個城市中，我們開始構(gòu)建海綿城市，試點(diǎn)在建設(shè)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(fèi)一定量的自然資源，并且向外界排放二氧化碳，大多數(shù)鋼廠在排放一些廢渣后，會挑選較細(xì)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(shí)混凝土?xí)r，直接使用這些外加劑會產(chǎn)生混凝土開裂或剝落等問題，因此當(dāng)前需解決如何合理應(yīng)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(jìn)行固廢透水混凝土制備，能夠?yàn)楹＞d城市建設(shè)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(dǎo)致的溫室效應(yīng)[1]。

1 生態(tài)混凝土

生態(tài)混凝土是基于主動角度進(jìn)行生態(tài)分析，開發(fā)一些特殊混凝土使其具有良好的表面結(jié)構(gòu)性能，在使用和生產(chǎn)過程中不會對外界環(huán)境產(chǎn)生影響，可實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生。楊進(jìn)等人將環(huán)保混凝土分為兩種類型，包括生態(tài)型和減輕環(huán)境負(fù)荷型，前者包含減輕負(fù)荷以及生態(tài)混凝土。其中生態(tài)混凝土是指能夠適應(yīng)自然界生物生長，同時對于環(huán)境美化，生態(tài)平衡，人與自然協(xié)調(diào)具有一定積極作用的材料。生態(tài)混凝土涵蓋較廣的范圍，包含排水性，透水性生物，適應(yīng)性，綠化景觀混凝土等。李湘洲等人認(rèn)為生態(tài)混凝土能夠適應(yīng)自然界中的生物生長，在人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展和美化環(huán)境中發(fā)揮重要作用，其與楊進(jìn)等人的概念類似，然而事實(shí)上兩種定義內(nèi)涵不同，李湘洲等人提出生態(tài)混凝土是指生物相溶性以及環(huán)境友好型生態(tài)混凝土。當(dāng)前研究界對于生態(tài)混凝土普遍提出的共同點(diǎn)是：生態(tài)混凝土，能夠從一定程度上減少材料對環(huán)境的刺激，能夠有效調(diào)節(jié)人類在參與自然環(huán)境物質(zhì)交換，生產(chǎn)實(shí)踐，是滿足可持續(xù)性發(fā)展需求，對混凝土功能進(jìn)行拓展，進(jìn)而為人類創(chuàng)造良好的生態(tài)自然環(huán)境，而且本質(zhì)是基于生態(tài)角度出發(fā)，能夠協(xié)調(diào)在使用生產(chǎn)混凝土?xí)r與外界自然環(huán)境實(shí)現(xiàn)能量，物質(zhì)交換，進(jìn)而改善人與自然之間的關(guān)系，滿足其可持續(xù)性發(fā)展目標(biāo)[2]。

2 實(shí)驗(yàn)材料和方法

2.1 實(shí)驗(yàn)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(xué)成分和物理性質(zhì)。

圖1 XRD 分析結(jié)構(gòu)示意圖

將5mm 以下的鋼渣經(jīng)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(jìn)行表面積測量，最終鋼渣粉比表面積為320m2/kg。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

第一，制備和養(yǎng)護(hù)試件。在凈漿實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)。將不同組凈漿在攪拌機(jī)中形成試塊，其尺寸為40×40×40mm，在常溫條件下24 小時養(yǎng)護(hù)之后，置于碳化箱中，完成混凝土養(yǎng)護(hù)，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(yǎng)護(hù)時間為1 天到28 天。

第二，廢渣混凝土實(shí)驗(yàn)。根據(jù)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(jīng)過一分鐘攪拌，加入適量水，經(jīng)三分鐘攪拌，同時，利用橡膠錘將其樣品尺寸達(dá)到150×150×150 毫米，經(jīng)過混凝土養(yǎng)護(hù)，保持原有的養(yǎng)護(hù)條件。第三，性能測試。按照水泥交叉強(qiáng)度檢驗(yàn)法，針對凈漿試塊測定抗壓強(qiáng)度。根據(jù)混凝土的強(qiáng)度評定標(biāo)準(zhǔn)，測定混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度[3]。

3 研究結(jié)果

根據(jù)混凝土XRD 結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，鋼渣中化學(xué)構(gòu)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(fā)條件下，鋼渣中尤其是氧化鈣能夠與二氧化碳?xì)怏w生成碳酸鈣，這種膠凝性物質(zhì)，其最終物質(zhì)能夠填充樣品微孔，使該結(jié)構(gòu)致密化。廢渣中氧化鎂能夠影響混凝土的碳化強(qiáng)度，通過水灰比對樣品強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，在相同養(yǎng)護(hù)條件和不同水灰比，顯示的結(jié)果也不同[4]。

根據(jù)測試可以發(fā)現(xiàn)，在處于0.24～0.4 水灰比區(qū)間中，在0.24～0.3 的水灰比下，該試樣28 天抗壓強(qiáng)度高于20MPa，然而當(dāng)水灰比高于0.3，這種情況下，會使樣品抗壓強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)處于0.27 水灰比時，此時樣品28天的抗壓強(qiáng)度是最大為23.8MPa。根據(jù)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果，鋼渣凈漿試塊的最佳抗壓比對應(yīng)水灰比為0.27。根據(jù)了解可以發(fā)現(xiàn)，水灰比對于鋼渣凈漿試塊前期抗壓強(qiáng)度和后期抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生影響不同，在較高水灰比下，幾乎無7天的抗壓強(qiáng)度，主要由于水灰比較高，會導(dǎo)致在碳化時生成的碳酸鈣物質(zhì)，無法形成致密三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不利于提高鋼渣的強(qiáng)度。結(jié)合不同水灰比的是抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明在相同養(yǎng)護(hù)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(qiáng)度，并且在28 天磷石膏對應(yīng)的抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)到23.7MPa。通過研究發(fā)現(xiàn)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(nèi)其抗壓強(qiáng)度會保持不變，表明加入磷石膏其對于試塊早期抗壓強(qiáng)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(qiáng)度來說，7 天和28 天的強(qiáng)度會出現(xiàn)顯著降低，并且對試塊7 天以及28 天相應(yīng)抗壓強(qiáng)度產(chǎn)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(yīng)抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生影響較小，基本無明顯變化。

分析不同摻合物對于實(shí)際上抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生的影響。在一定水灰比和養(yǎng)護(hù)下，分別加入0～5%的硫酸鈉氯化鈣和碳酸鈉，分析樣品對應(yīng)的抗壓強(qiáng)度，根據(jù)該結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)中分別針對三種物質(zhì)進(jìn)行樣品抗壓強(qiáng)度分析，其結(jié)果表現(xiàn)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(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，會使碳激發(fā)化學(xué)反應(yīng)，出現(xiàn)左移，降低反應(yīng)強(qiáng)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(jìn)行激發(fā)，使二氧化碳固定在顆粒表面生成碳酸鈣，進(jìn)而能夠阻止反應(yīng)的進(jìn)行。同時，導(dǎo)致經(jīng)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(qiáng)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(fā)，其激發(fā)作用較弱。結(jié)構(gòu)中鋼渣無法與二氧化碳充分接觸，進(jìn)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(xì)顆粒以及粗顆粒能夠代替砂碎石來制備透水生態(tài)混凝土[5]。

兩種不同粒徑的鋼渣透水混凝土，其28 天的強(qiáng)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(tài)和經(jīng)濟(jì)效益上來看，對于傳統(tǒng)多功能混凝土來說，在制備過程中，需向外界進(jìn)行二氧化碳的排放，同時會消耗天然資源，而經(jīng)過碳激發(fā)固廢材料，制備生態(tài)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?yàn)槠髽I(yè)節(jié)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(guān)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(tài)透水混凝土，其具有較廣的市場應(yīng)用前景。

4 結(jié)束語

在本研究中，采用相同養(yǎng)護(hù)條件和不同水灰比，此時，通過實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在處于0.27 水灰比下，采用碳激發(fā)試塊會形成較大的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)水灰比較大，此時混凝土試塊7 天中抗壓強(qiáng)度都不會產(chǎn)生明顯變化，主要由于水灰比較高，會導(dǎo)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(qiáng)度。其次，在相同的水灰比和養(yǎng)護(hù)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(qiáng)度，該樣品的28d 抗壓強(qiáng)度可達(dá)到23.7MPa，當(dāng)加入50%以下磷石膏時，此時對于凈漿試驗(yàn)7天抗壓強(qiáng)度無明顯影響。在制備生態(tài)透水混凝土?xí)r，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(qiáng)度對應(yīng)分別為10.2MPa 以及15.8MPa，是滿足相應(yīng)混凝土抗壓需求的，可將其代替原有的混凝土透水材料，運(yùn)用于海綿城市建設(shè)中。在生態(tài)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(tài)混凝土?xí)r，能夠吸收二氧化碳150kg/m3，利用鋼渣2060kg/m3，其具有良好的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益。