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预制混凝土构件中工业废料再利用的节能潜力

2024-09-23 61 上传者：管理员

摘要：伴随全球环境问题的日益凸显，建筑行业作为能源消耗和温室气体排放的重要来源，迫切需要探索更为节能的预制混凝土构件材料。本文通过对预制混凝土构件中工业废料再利用的节能潜力的深入研究，不仅为预制混凝土构件中工业废料的高效利用提供了理论依据，还为建筑行业的绿色转型和可持续发展贡献了新的思路和方法。未来，随着相关技术的进一步发展和环境政策的完善，工业废料在预制混凝土构件中的应用有望得到更广泛的推广和应用。

关键词：
IEA
UNEP
国际能源署
工业废料
预制混凝土
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根据国际能源署（IEA）和联合国环境规划署（UNEP）等机构的报告，建筑行业及其运行过程大约占全球能源消耗的40%左右，排放的温室气体占全球总温室气体排放量的33%左右。随着全球对可持续发展和环境保护意识的不断提高，建筑行业面临着巨大的压力，迫切需要寻找更环保、经济且高效的建造方法。预制混凝土构件作为一种流行的建筑元素，在提高施工效率、确保质量和缩短建设周期方面发挥了重要作用。然而，传统的混凝土生产过程中大量使用天然资源，如水泥和骨料，不仅消耗了大量的能源，还产生了大量的二氧化碳排放。因此，探索预制混凝土构件中工业废料再利用的节能潜力，不仅是实现建筑行业可持续发展的重要途径，也是缓解自然资源紧张、减少环境污染的有效策略。

1、工业废料在预制混凝土中的应用

20世纪初期，工业废料开始在混凝土中的使用，但是直到20世纪80年代，随着环保意识的提高和可持续发展概念的兴起，人们才开始更加关注资源的有效利用和工业活动对环境的影响，目前在预制混凝土中使用的工业废料主要包括粉煤灰、矿渣、硅灰、橡胶颗粒、玻璃粉、红泥等。

1.1粉煤灰在预制混凝土中的应用

粉煤灰又称“飞灰”，是由燃料(主要是煤)燃烧过程中排出的微小灰粒。其粒径一般在1～100µm之间。如燃煤电厂从烟道气体中收集的细灰，据我国用煤情况，燃用1吨煤约产生250～300 kg粉煤灰，根据国家统计局公布的数据，2023年中国原煤产量46.6亿吨，同比增长2.9%，由此推算我国2023年燃煤产生的粉煤灰量高达11.65亿吨～13.98亿吨。大量粉煤灰如不加控制或处理，会造成大气污染，进入水体会淤塞河道，其中某些化学物质对生物和人体造成危害。

目前粉煤灰在预制混凝土中的使用已经成为一种普遍的做法：一是粉煤灰用作预制混凝土中水泥的部分替代材料，由于其微细颗粒和球形颗粒的特性，粉煤灰可以提高混凝土的工作性和泵送性。当粉煤灰替代一部分水泥时，它通过泊松效应与混凝土中的水化钙生成更多的水化硅酸钙，提供混凝土的强度；二是预制混凝土中加入粉煤灰可以显著提高产品的耐久性，有助于减少混凝土中的钙羟基化合物（CH），提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力和抗碱硅反应（ASR）的能力；三是粉煤灰在混凝土中的微填充效应和泊松反应产物可减少混凝土的孔隙率,从而降低其渗透性。

1.2矿渣在预制混凝土中的应用

矿渣是高炉矿渣的简称，是在高炉炼铁过程中的副产品。在炼铁过程中，氧化铁在高温下还原成金属铁，铁矿石中的二氧化硅、氧化铝等杂质与石灰等反应生成以硅酸盐和硅铝酸盐为主要成分的熔融物，经过淬冷成质地疏松、多孔的粒状物。2023年百年建筑网统计国内矿渣粉生产企业358家，总年产能约3.76亿吨，2023年国内钢铁企业自营或联营矿渣粉生产企业109家，产能约1.82亿吨，约占48.4%，独立粉磨企业产能占比约为51.6%。随着钢铁板块的进一步调整和整合，钢铁企业的集中度继续提升钢铁企业的矿渣粉产能也会继续增加。

矿渣在预制混凝土中的应用可以追溯到20世纪后期，随着可持续发展理念的兴起和建筑材料技术的不断进步，矿渣在预制混凝土中的使用不断推广。一是矿渣粉（特别是地面高炉矿渣粉）经常用作水泥的部分替代材料，用于预制混凝土的生产。这种应用利用了矿渣粉的潜在水泥活性，它在与水混合时可以与混凝土中的钙离子反应，形成具有胶结性能的产物，从而增强混凝土的强度和耐久性；二是矿渣的加入可以显著提高混凝土的耐久性。由于其细微的粒度和化学活性，矿渣可以改善混凝土的微观结构，减少孔隙率，从而增强混凝土的抗渗性、抗硫酸盐侵蚀能力和抗碱-骨料反应（ASR）的能力；三是矿渣可以改善混凝土的工作性。当作为混凝土配料之一时，矿渣可以提高混凝土的可塑性和流动性，使其更易于搅拌、输送和成型，这对于预制混凝土生产至关重要。

1.3橡胶颗粒在预制混凝土中的应用

橡胶颗粒主要是通过各种废旧橡胶包括废橡胶、旅游鞋底、边角料、电缆皮、橡胶边角料、汽车垫带、汽车轮胎等废旧橡胶原料加工生产而来。据商务部统计，我国废旧轮胎产生量约为3.3亿条，折合重量超过1000万吨，且每年报废产生的废旧轮胎量还在以6%～8%的速度持续增长。为推动废旧轮胎综合利用、引导行业持续健康发展，工信部印发《废旧轮胎综合利用行业规范条件（2020年本）》，从技术装备和工艺、生态环境保护、产品质量管控以及安全管理等多方面提出了规范要求。2022年中国废旧轮胎产生量约为675万吨。

橡胶颗粒在预制混凝土中的应用实施近年提出的新概念，主要源于对废旧轮胎的回收利用和对建筑材料可持续性的追求。废旧轮胎经过适当处理后，可以产生不同大小的橡胶颗粒，这些颗粒可以作为预制混凝土中的一种特殊添加材料：一是橡胶颗粒因其较低的密度，可用作轻质骨料，用于生产轻质预制混凝土构件。这种轻质混凝土不仅减轻了结构的自重，还提高了其抗震性能和隔音效果；二是橡胶颗粒的加入可以增加预制混凝土的抗冲击性和柔韧性。这是因为橡胶颗粒可以在混凝土结构中吸收和分散冲击能量，减少裂缝的产生和扩展；三是适量的橡胶颗粒可以减少混凝土的微裂缝，从而提高其耐久性。橡胶颗粒的弹性可以在一定程度上吸收混凝土内部的应力，减少裂缝的形成。

1.4玻璃粉在预制混凝土中的应用

玻璃粉是一种无机类无定型硬质超细颗粒粉末，外观为白色粉末。生产中使用原料高温高纯氧化硅及氧化铝等原料，再经过超洁净的生产工艺，形成无序结构的玻璃透明粉体，化学性质稳定，具有耐酸碱性、化学惰性、低膨胀系数的超耐候粉体材料。根据国家统计局的数据，2023年1～11月，中国全国平板玻璃的产量为87753.9万重量箱，废弃玻璃的主要来源包括工业废弃物，如生产废料、实验室玻璃等、建筑废料、车床玻璃等。

玻璃粉在预制混凝土中的应用是一种绿色环保，满足可持续发展的做法，它利用了废弃玻璃材料，并通过将其研磨成细粉来改善混凝土的性能：一是玻璃粉可以作为预制混凝土中水泥的部分替代材料。由于玻璃粉含有硅酸盐，它可以与混凝土中的钙离子发生泊松反应，形成类似于水泥水化产物的硅酸钙水合物，从而提高混凝土的强度和耐久性；二是改善工作性和紧密性，玻璃粉的细小粒度可以填充混凝土中的微孔，从而提高混凝土的密实度和均匀性。这种微填充效应还可以改善混凝土的工作性，使其更加容易搅拌、浇筑和成型；三是提高耐久性，玻璃粉的加入可以减少混凝土中的钙羟基化合物的含量，这些化合物易与外界的硫酸盐反应，引起混凝土膨胀和破坏。因此，玻璃粉的使用有助于提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力和整体耐久性。

1.5红泥在预制混凝土中的应用

红泥是铝生产过程中的一种工业废料，主要产生于铝土矿通过拜耳法提炼氧化铝时。在这一过程中，铝土矿（主要成分为氧化铝）首先与烧碱溶液在高温高压下反应，氧化铝溶解于烧碱溶液中形成碱性的铝酸钠溶液。随后，通过一系列步骤从溶液中沉淀和提取氧化铝，而不溶解的残留物则形成红泥。国家统计局2024年1月17日发布的数据显示，中国2023年12月原铝(电解铝)产量为359万t，同比增长4.9%;2023年全年，原铝(电解铝)产量为4159万t，同比增长3.7%。

目前红泥在预制混凝土中的应用仍处于研究和探索阶段，红泥作为一种工业废料，其在预制混凝土中的应用主要是基于其物理和化学特性，一是填料或替代材料，红泥因其粉末状形态可以作为一种填料，添加到混凝土中，用以替代部分水泥或细骨料。这样不仅可以减少混凝土成本，还能有效利用废弃的红泥，减少环境污染；二是改善混凝土性能，红泥中含有的氧化铁和其他矿物成分，在一定条件下，可以通过泊松反应与混凝土中的钙离子反应，形成额外的水化产物，增强混凝土的强度和耐久性。

2、工业废料在预制混凝土中应用的节能潜力分析

预制混凝土生产中使用工业废料不仅能够提高材料的环境效益，还具有显著的节能和减排潜力。主要表现在以下三个方面：

一是替代水泥，减少能耗。工业废料应用在预制混凝土生产过程中可以减少水泥生产能耗，水泥生产是一个能源密集型过程，特别是在煅烧阶段需要大量能源来加热原料达到约1450℃的温度。使用工业废料（如粉煤灰、矿渣等）部分替代水泥可以显著降低对水泥的需求，进而减少因水泥生产而消耗的能源；降低加工能耗：许多工业废料在生成过程中已经经历了高温处理（例如，粉煤灰是燃煤发电的副产品，矿渣是钢铁生产的副产品）。因此，将其再利用为混凝土原料时，不需要额外的高温处理，从而节省了能源。

二是提高效率，降低能耗。优化混合工艺，使用工业废料可以优化混凝土的混合工艺。某些废料的物理和化学性质可能有助于提高混合效率，减少搅拌时间，从而降低生产过程中的能耗；减少材料运输，假设工业废料的来源地与预制混凝土生产地点较近，可以减少原材料运输距离，进而降低运输过程中的能源消耗。

三是改善性能，节约能耗。增强混凝土性能提高耐久性：添加某些工业废料（如硅藻土、粉煤灰）可以提高混凝土的耐久性和抗侵蚀性，从而延长其使用寿命。长寿命的混凝土减少了因损坏或老化而需要的维护和更换，间接降低了能源和材料的长期消耗；改善隔热性能：某些废料可以改善混凝土的隔热性能,从而减少建筑物的能源消耗,尤其是在供暖和制冷方面。

3、结论

综上所述通过替代部分传统水泥和骨料，工业废料的使用能显著减少预制混凝土构件生产过程中的能源消耗；降低温室气体排放；提高材料使用效率；延长构件使用寿命。从预制构件生命周期的角度考虑，工业废料在预制混凝土构件中的应用不仅能在生产阶段节约能源，还能通过提高构件性能和延长使用寿命，在整个使用周期中实现能源和资源的节约，工业废料在预制混凝土的利用可以进一步提高材料的环境绩效，有助于实现建筑业的绿色转型。

参考文献:

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基金资助:重庆市教委科学技术项目,《装配式混凝土构件生产阶段节能减排方法研究》,KJQN202303606; 重庆工贸职业技术学院科学技术项目,《“双碳”目标下装配式建筑增量成本控制研究》,ZR202308;

文章来源:沈存莉,墙新.预制混凝土构件中工业废料再利用的节能潜力[J].石材,2024,(10):128-130.