生态水泥混凝土材料的研究进展.ppt

生态水泥混凝土材料的研究进展.ppt

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生态水泥混凝土材料王程生态环境材料生态环境材料是既具有满意的使用性能又具有良好的环境协调性的一类材料。

生态环境材料实质上生态环境材料实质上是赋予传统结构材料、功能材料以特别优异的环境协调性的材料，它是由材料工作者在环境意识指导下，或开发新型材料，或改进、改造传统材料所获得的。

生态水泥混凝土材料l日本混凝土协会与生态混凝土研究委员会于1995年首先提出生态混凝土的概念。

l生态混凝土材料：

生态混凝土材料：

是减轻地球环境负荷、与生态体系协调发展、创造舒适生活环境的混凝土材料。

一、利用水泥回转窑处置固体废物l早期固体废物的处理主要采取深埋的方法，但由于深埋会对地下水造成污染。

之后主要是建焚烧炉将其焚烧。

l为了达到安全处置固体废弃物的目的，焚烧炉必须具备两个条件：

首先首先要求在焚烧过程中焚烧温度高、焚烧完全、废气停留时间长；另外另外从环保的角度考虑，要求焚烧产生的有毒、有害气体不能溢出，除尘效率高，防止含有重金属等有害成分的粉尘进人大气，处理后废渣不得排放形成二次污染。

但测试结果表明，由于焚烧炉燃烧温度低（850-1200），物料在高温下停留时间短（一般为1-3s），废弃物很难完全分解，可能产生不完全燃烧产物和某些有害气体（HCl、SO2等）排入大气，灰渣还要深埋或处理，产生对环境的二次污染。

l与焚烧炉相比，水泥回转窑处置废弃物恰恰具备上述条件：

一是完全具备焚烧废弃物的温度、时间和空气量及湍流程度3个基本条件，即“3T原则”（3T是指足够高的温度T1、充足过量的氧气量T2以及足够长的高温反应时间T3）。

水泥厂回转窑具有更加理想的焚烧条件：

焚烧温度更水泥厂回转窑具有更加理想的焚烧条件：

焚烧温度更高，使有机物破坏得更彻底；气体和物料的停留时间更长，高，使有机物破坏得更彻底；气体和物料的停留时间更长，水泥窑内高温气体湍流强烈，使废弃物焚烧更彻底。

水泥窑内高温气体湍流强烈，使废弃物焚烧更彻底。

其次在环保方面，水泥窑全系统在负压下运行，有毒其次在环保方面，水泥窑全系统在负压下运行，有毒有害气体不能溢出，除尘效率高；有害气体不能溢出，除尘效率高；水泥锻烧是在碱性条件下进行的，使有毒、有害废弃物中的氯、硫、氟等在窑内被碱性物质完全中和吸收，变成无毒的氯化钙、硫酸钙、氟化钙，便于其废气的净化（脱酸）处理，而且可以与水泥工艺过程一并进行；焚烧废物的残渣进人水泥熟料，对水泥质量一般无不良影响，做到了彻底焚烧而无二次污染，水泥窑已成为世界上处置废弃物的设备装置；水泥窑可以将废料中的绝大部分重金属元素固定在熟料中，避免了再次扩散。

l水泥回转窑在处置固体废弃物方面确比焚烧炉有更多优越性，利用废弃物替代部分原燃料锻烧水泥熟料，既处置了废料，又节约了能源，并减少了CO2等有害气体的排放量，对资源利用和环境保护都十分有利。

l欧洲联合会自1994年开始在回转窑中焚烧危险废弃物，并指出在回转窑中焚烧危险废弃物，既处置了废弃物，又节约了能源。

l瑞典Nodic水泥公司所属的Euroc废弃物回收治理公司有一条大型生产线，回收加工各种废油和化学溶剂以用作水泥窑二次燃料；lNodic公司已在45067水泥厂采用了废橡胶、废塑料为二次燃料，替代部分煤粉。

利用废弃物作为水泥窑的二次燃料有很多益处，包括节约不可再生燃料，减少由于煤燃烧所产生的CO2、SOx、NOx和甲烷等的排放，减少了废弃物的处置费用，同时也给水泥厂带来了经济效益。

l1996年瑞士HCBRekingen水泥厂已成为世界上第一个具有利用、处置废弃物的环境管理系统的水泥厂，并得到ISO14001国际标准的认证。

l我国在生态水泥的生产和研究方面也已进行过尝试，其中上海万安水泥公司利用水泥窑焚烧危险废物，现已成功地取得“经营许可证”；l同济大学和上海建材集团合作已在其下属几个水泥厂成功地进行了利用污泥等废弃物煅烧水泥熟料的工业性试验。

l北京琉璃河水泥厂利用水泥窑焚烧处置固体废弃物也已取得一定的成果。

但我国生态水泥的研究和生产尚处于起步阶段，仍有待于深入研究。

二、以废弃物为原料生产生态水泥1.以垃圾焚烧飞灰作为水泥原料生产生态水泥l随着水泥生产技术的不断发展，作为水泥代用原料的范围越来越广。

固体废弃物中对水泥工业最具挑战性的则是城市垃圾，因其数量大且增长很快，所以备受关注与现行的填埋和焚烧炉回收二次能源等方法相比，各方面的专家，特别是环保专家都十分青睐于水泥工业，寄予很大希望。

l目前，焚烧法处理城市生活垃圾由于其潜伏性污染严重、耗资昂贵、操作复杂和浪费资源等弊端存在较大争议，焚烧垃法在国外发达国家已处于萎缩期，有超过15个国家和地区通过了对焚烧垃圾的部分禁令。

l但不可否认，垃圾焚烧法仍是垃圾处理的主要方法之一。

以中国垃圾焚烧发电厂为例，截至2007年底，中国垃圾焚烧发电厂总数已达75座，其中建成50座，在建25座，且这一数量还在不断增长。

大量垃圾焚烧电厂的建造将直接导致大量垃圾飞灰的产生。

全世界每年大约产生49亿吨垃圾飞灰，其中美国和中国每年大约分别产生22亿吨和13亿吨。

l垃圾焚烧飞灰的主要化学成分是SiO2、CaO、Al2O3和和Fe2O3，以及大量的Cl-、SO3和碱等。

还含有较高浓度的能被水浸出的可溶性Cd、Pb、Cu、Zn、Cr等多种有害重金属物质。

此外，二恶英和呋喃等有机污染物也将在飞灰载体中富集存在，这些有毒有害污染物的存在对地下水体、周围生态环境和人体健康构成了潜在的生态与健康风险。

因此，垃圾焚烧飞灰的处理是迫切需要解决的问题。

l垃圾焚烧飞灰的主要化学成分是SiO2、CaO、Al2O3和Fe2O3，具有一定的胶凝活性。

因此有望用作辅助性胶凝材料，一方面可以为重金属废弃物的无害化处理提供依据，彻底解决重金属的污染问题；另一方面也可以实现城市垃圾焚烧飞灰的资源化利用，为水泥工业提供一种新的混合材料。

l日本Taiheyo水泥公司将大约50%的混合垃圾被作为原料生产生态水泥，生态水泥的组成如表所示：

表明：

生态水泥减少了不可再生资源的消耗以及垃圾的排放，使CO2排放量减少50%，能量消耗减少89%，节约垃圾处理费用3万日元/平方米。

原材料原材料普通波特普通波特兰水泥水泥生生态水泥水泥石灰石78%52%焚烧飞灰-38%污泥-9%粘土16%-石英砂4%-铁矿渣2%-碳酸钠-1%l2.其它废弃物作为原料生产生态水泥l污泥：

污泥：

Lin等将干燥、破碎后的三种污泥分别与石灰石、铁矿渣混合并在1400下焙烧6h，迅速冷却，添加3.5石膏球磨后得到生态水泥。

表明：

生态水泥主要化学成分为SiO2、CaO、Al2O3，生态水泥中C3S含量与普通波特兰水泥含量相似；随着养护时间的延长，生态水泥硬化浆体抗压强度不断增加；污泥灰渣和铁矿渣作为水泥原料的替代量可达到20以上。

l玻璃废弃物：

玻璃废弃物：

美国城市生活垃圾中存在有5的玻璃废弃物，只有平均30.6左右被回收利用。

利用玻璃废弃物作为细磨矿物质添加剂生产生态水泥是玻璃废弃物循环利用的一个有前途的方向。

研究表明：

含50玻璃废弃物的生态水泥与普通波特兰水泥的抗压强度相当，28天抗压强度在44.5-66.7MPa。

在玻璃颗粒部分发生水化反应并在其周围形成大量的C-S-H凝胶。

玻璃废弃物生态水泥硬化浆体与普通波特兰水泥硬化浆体的最大不同在于由于CH与玻璃之间发生火山灰反应从而导致生态水泥中CH颗粒和数量的减少。

三、污染物处理功能生态水泥材料l1.光催化功能水泥基材料图1半导体光物理和光化学过程示意图图2TiO2光催化降解有机污染物过程示意图l近年来，人们将纳米TiO2与水泥结合，将纳米TiO2水泥基材料用于建筑领域中，赋予建筑物以独特的光催化、抗菌和自清洁功能。

l意大利莫尔塔拉的学校、法国尚贝里的音乐城以及意大利罗马的教堂等，在建设过程中均采用了含有TiO2的白色水泥使建筑物具有污染物处理功能。

l意大利米兰市在道路上铺设掺有纳米TiO2的混凝土路面材料，经过数月分析计算，废气污染数降低了60%至70%。

l日本藤田公司、太平洋水泥公司、石原产业公司、藤田道路公司研制成TiO2光催化剂水泥，将这种水泥喷涂在路面上可以减少汽车尾气的氮氧化物（NOx）污染。

l我国也相继在南京长江三桥桥北收费站广场、上海复兴东路、河南路部分路面等铺设了纳米TiO2混凝土路面材料，可处理45%的废气污染。

光催化混凝土路面水泥基TiO2降解NO过程示意图TiO2水泥基材料降解罗丹明B效果（a）处理前；（b）处理后l2.水处理功能生态水泥材料l重金属离子废水处理：

林齐平等采用水泥砂浆固化重金属废水，表明：

重金属离子固化之后，其浸出量呈一弧形曲线变化，各种离子有各自的固化限量；添加叶蜡石粉等填充剂有助于提高废水的处理效果。

蓝俊康等实验发现采用无石膏复合水泥固化处理溶解态Pb（）、Cr（）的效果很理想，虽然搅拌水中Pb（）或Cr（）的浓度高达4000mg/L，但其28d龄期固化体粉碎样浸提液中的Pb（）或Cr（）的浓度均能降低至0.2mg/L，达到了废水的排放标准。

l有机废水的处理：

同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室宋玉等基于水泥表面吸附和水化反应原理，用水泥及无机盐添加剂对垃圾渗滤液生物处理尾水进行深度处理。

尾水的CODcr去除率可达到69.5%。

处理效果与水灰比、反应时间密切相关，低水灰比和较长反应时间对尾水的CODcr去除更为有利。

通过添加一定比例的CaCO3和CaO可显著改善高水灰比时的尾水处理效果。

四、再生混凝土l背景：

背景：

美国每年产生的建筑垃圾达到13.6亿吨，欧盟前15个国家也达到18亿吨。

加拿大每年产生的建筑垃圾为1.1亿吨，大约42%被再利用，其中混凝土垃圾占52%左右，73%的混凝土垃圾作为填埋材料或路基材料被重新利用。

日本98%的废弃混凝土可实现再利用，再生混凝土被用于路面地基和回填材料，一些甚至被重新用于建筑结构材料。

澳大利亚，81%的建筑垃圾为建筑废弃混凝土，再生利用率为40%左右，且大多为一些低档应用。

我国混凝土垃圾2010年为2.39亿吨，2020年达到6.38亿吨，以平均每年8%的量增长。

l废弃混凝土最有效的利用途径是加工成再生骨料用于生产再生混凝土。

添加混凝土再生粗骨料制备的混凝土与传统混凝土的力学性能相当甚至更高，因此混凝土再生粗骨料已被应用于制备新混凝土和路面地基材料等领域中；而混凝土再生细骨料由于高吸水性，对混凝土力学性能和耐久性不利而限制了其应用。

关于废弃混凝土再利用方面的研究大多集中在国外，国内虽然有一定研究，但实际工业应用方面较少。

因此，我国应进行废弃混凝土再利用基础理论方面研究的同时，重点进行实际应用过程涉及的问题，应注意几个方面：

首先，政府应建立相关法律法规强制使废弃混凝土得到应用；其次，对废弃混凝土再利用在财政上给予支持；再次，制定并确立废弃混凝土再利用的技术规范、标准和应用范围等。

这些政策、标准等的建立有利于废弃混凝土得到有效地利用，最终实现废弃混凝土“零”排放。

五、透水、排水性混凝土l排水性、透水性混凝土与传统的混凝土相比最大的特点是具有15%-30%的连通孔隙，具有透气性和透水性。

l将这种混凝土用于铺筑道路、广场、人行道路等，与普通的水泥混凝土路面相比，透水性道路能够使雨水迅速地渗入地表，还原成地下水，使地下水资源得到及时补充，保持土壤湿度，改善城市地表植物和土壤微生物的生存条件；同时透水性路面具有较大的孔隙率，与土壤相通，能蓄积较多的热量，有利于调节城市空间的温度和湿度，消除热岛现象；当集中降雨时，能够减轻排水设施的负担，防止路面积水和夜间反光，提高车辆、行人的通行舒适性与安全性；大量的孔隙能够吸收车辆行驶时产生的噪声，创造安静舒适的交通环境。

六、绿化、景观混凝土l传统的混凝土色彩灰暗，表面呆滞，给人以生硬、粗糙、灰冷的视觉效果。

绿化混凝土是指能够适应绿色植物生长、进行绿色植被的混凝土及其制品。

人们生活在被钢筋混凝土填充的城市中，感到远离自然，缺少生活情趣。

所以开发能够适于植被的绿化混凝土，用于城市的道路两侧及中央隔离带、水边护坡、楼顶、停车场等部位，可以增加城市的绿色空间，调节人们的生活情趣，同时能够吸收噪音和粉尘，对城市气候的生