水產(chǎn)養(yǎng)殖類廢棄物在混凝土的應(yīng)用

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摘要：水產(chǎn)養(yǎng)殖廢棄物在混凝土中的應(yīng)用大大減少了傳統(tǒng)混凝土帶給生態(tài)環(huán)境的壓力。利用水產(chǎn)養(yǎng)殖廢棄物作為混凝土中水泥替代、骨料替代，有巨大的潛力和價(jià)值。本文介紹了水產(chǎn)養(yǎng)殖廢棄物在混凝土中應(yīng)用的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：水產(chǎn)養(yǎng)殖；廢棄物；水泥；混凝土

混凝土是世界上用量最大的建筑材料之一，成分由水泥、骨料、水及外加劑組成。全球每年混凝土消耗量接近175億噸，所需骨料約130億噸，水泥約26億噸[1]。過度以采石和采礦收集骨料會(huì)導(dǎo)致自然資源枯竭，直接造成生態(tài)壞境負(fù)面影響。為了防止混凝土生產(chǎn)對生態(tài)環(huán)境破壞，研究人員多年來一直在尋找可行的替代物以更好地開展混凝土制造工作。目前，發(fā)現(xiàn)的可替代性水產(chǎn)養(yǎng)殖類廢棄物有牡蠣殼、文蛤殼、貽貝殼、扇貝殼。水產(chǎn)養(yǎng)殖類廢棄物易獲得，且可為混凝土提供良好的質(zhì)量。

1水產(chǎn)養(yǎng)殖類廢棄物在混凝土中的研究進(jìn)展

水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)物經(jīng)捕撈或養(yǎng)殖通常被用作海鮮食材。在養(yǎng)殖和食用的過程中，往往會(huì)產(chǎn)生大量的水產(chǎn)養(yǎng)殖類廢棄物。這些廢棄物通常被傾倒或填埋，沒有任何再利用價(jià)值，如何更好地利用這些廢棄物，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)循環(huán)，成為了一個(gè)全新的課題。中國是雙殼軟體動(dòng)物的主要生產(chǎn)國，2010年產(chǎn)量為1035萬噸，占全球雙殼貝類產(chǎn)量的70.8%，占全球雙殼軟體動(dòng)物水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量的80%[2]。通過大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水產(chǎn)養(yǎng)殖類廢棄物可用作混凝土中的部分替代材料。

1.1牡蠣殼

牡蠣是世界上第一大養(yǎng)殖貝類，是可利用的重要海洋生物資源之一。牡蠣味道鮮美，營養(yǎng)豐富，深受消費(fèi)者喜愛。但大量的牡蠣殼作為垃圾丟棄，造成了對環(huán)境不可挽回的破壞。實(shí)際上，牡蠣殼中含有90%以上的CaCO3，是一種寶貴資源。牡蠣殼可作為骨料在混凝土中應(yīng)用。Yang等[3]發(fā)現(xiàn)，較高的牡蠣殼替代量可能對混凝土的長期強(qiáng)度、彈性模量產(chǎn)生負(fù)面影響。混凝土強(qiáng)度降低的主要原因是隨牡蠣殼含量的增加，混凝土含氣量隨之增加。當(dāng)牡蠣殼在合適摻量下，牡蠣殼混凝土的早期抗壓強(qiáng)度不會(huì)降低[4]。即使牡蠣殼與水泥漿混合，也不會(huì)影響水泥的水合作用。牡蠣殼僅作為混凝土混合物中的填料[5]。此外，牡蠣殼混凝土的彈性模量隨牡蠣殼厚度的增加而降低。研究人員考慮了強(qiáng)度和可加工性，發(fā)現(xiàn)牡蠣殼作為粗骨料的最佳粒徑范圍為10~13mm[6]。在牡蠣殼混凝土的耐久性方面，由于牡蠣殼的摻入，混凝土的抗凍融性和透水性也有一定的改善，這是因?yàn)榧?xì)小的牡蠣殼顆粒填滿了混凝土試件中散布的氣孔。然而，牡蠣殼對混凝土的碳化和化學(xué)侵蝕沒有明顯影響[5]。在工作性方面，當(dāng)牡蠣殼替代細(xì)骨料時(shí)，由于組成材料之間的粘聚力降低，使得混凝土坍落值較大。牡蠣殼砂表面較不規(guī)則，這意味著在混凝土攪拌過程中容易產(chǎn)生顆粒摩擦，進(jìn)而影響水泥砂漿的流動(dòng)性，降低水泥砂漿的工作性能[6]。用牡蠣殼替代水泥砂漿中的砂，Kuo等[7]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)牡蠣殼砂的摻量達(dá)到20%時(shí)，水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度沒有明顯降低，且適量的粉煤灰和牡蠣殼砂摻入可填充材料孔隙，降低了吸水率，這是因?yàn)榉勖夯业膿饺胧鼓迪牃に嗌皾{的性能得到改善，提高了水泥砂漿的力學(xué)強(qiáng)度和抗化學(xué)腐蝕性，彌補(bǔ)了用牡蠣殼砂替代砂帶來的材料結(jié)構(gòu)缺陷，降低了試件的吸水率和收縮率，提高了骨料-砂漿界面的粘結(jié)強(qiáng)度[6]。通過對牡蠣、文蛤、貽貝、扇貝四種廢棄貝類作為水泥替代物進(jìn)行對比研究，Lertwattanaruk等[8]發(fā)現(xiàn)，磨碎的貝殼中含有96%~97%的CaCO3，且牡蠣殼的碾磨細(xì)度比其他貝殼的細(xì)度高。與普通砂漿相比，在硅酸鹽水泥中摻入磨碎的牡蠣，砂漿的干縮率降低。與文蛤相比，摻入磨碎牡蠣的砂漿的收縮率比摻入磨碎文蛤的砂漿高。

1.2文蛤殼

文蛤又稱蛤蜊，其貝殼背緣略呈三角形，腹緣呈圓形，兩殼相等，殼長略大于殼高，殼質(zhì)堅(jiān)厚，通常被用作食物，食用后剩下的硬殼通常被視為廢物.Falade[9]在20世紀(jì)90年代就發(fā)現(xiàn)文蛤殼可用來生產(chǎn)中等強(qiáng)度的輕質(zhì)混凝土。文蛤殼富含鈣，易與水泥制品結(jié)合。但是，隨著文蛤殼在混凝土中摻量的增加，水泥漿體的比例不足以與文蛤殼形成有效粘結(jié)，這不僅降低混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度，同時(shí)混凝土的加工性和密度也降低。Adewuyi和Adegoke[10]發(fā)現(xiàn)，文蛤殼混凝土強(qiáng)度取決于文蛤殼的性能和取代率，且文蛤殼自身密度較低，這也就很好地解釋了Falade發(fā)現(xiàn)的文蛤殼混凝土隨摻量增加而強(qiáng)度下降的問題。因此，Osarenmwinda和Awaro[11]專門對文蛤殼作為混凝土粗骨料的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在配合比為1:1:2,1:2:3和1:2:4時(shí)，文蛤殼混凝土可達(dá)到輕質(zhì)混凝土推薦的最低強(qiáng)度17N/mm2，其中配合比為1:1:2的抗壓強(qiáng)度最高，可達(dá)25.67N/mm2。這為在使用文蛤殼替代混凝土粗骨料方面提供了參考。將文蛤殼煅燒可生成文蛤殼灰。在文蛤殼灰作為混凝土水泥的部分替代及其在不同濃度的MgSO4溶液中暴露對混凝土耐久性能影響的試驗(yàn)中，Umoh和Olusola[12]使用文蛤殼灰替換了水泥體積的0-40%，養(yǎng)護(hù)28d后分別加入1%、3%和5%的MgSO4溶液，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，硫酸鹽濃度、文蛤殼灰含量和暴露時(shí)間對混凝土抗壓強(qiáng)度均有影響。MgSO4溶液對未摻文蛤殼灰的混凝土影響要比摻入文蛤殼灰的混凝土嚴(yán)重。此外，文蛤殼灰混凝土的抗壓強(qiáng)度損失增加，到92d后開始下降，預(yù)計(jì)待火山灰完全消耗了有害的水化產(chǎn)物，文蛤殼灰混凝土的強(qiáng)度損失才會(huì)進(jìn)一步降低。最終得出，10%的文蛤殼灰替代量具有最好的表現(xiàn)。

1.3貽貝殼

貽貝是一種雙殼類軟體動(dòng)物，殼呈黑褐色，生活在海濱巖石上，大量分布于我國黃海、渤海及東海沿岸。貽貝殼呈楔形，前端尖細(xì)，后端寬廣而圓，一般殼長6~8cm。從貽貝殼的化學(xué)成分看，其不具有火山灰的性質(zhì)，不過從貽貝殼中很可能提取到石灰石。石灰石是一種含有98%以上CaCO3的細(xì)骨料。Ballester等[13]首先洗滌去除貝殼中的鹽分，隨后高溫加熱貽貝殼去除水和有機(jī)物，最后煅燒研磨成石灰石粉。粉末狀的貽貝殼含有96%的CaCO3及少量雜質(zhì)。將貽貝殼中獲得的石灰石用作砂漿骨料，與采石場石灰石相比，前者的力學(xué)性能較后者有所改善。貽貝殼的研磨顆粒呈細(xì)長的針狀，貽貝砂漿的內(nèi)部呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，孔隙較小，大大改善了混凝土的力學(xué)性能。雖然摻入貽貝殼的砂漿抗壓強(qiáng)度不如摻入文蛤殼和牡蠣殼的砂漿，但從實(shí)際應(yīng)用角度考慮，貽貝殼的摻入對于砂漿的抗壓強(qiáng)度來講是足夠的[9]。Lertwattanaruk等[8]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磨碎的貽貝殼摻入砂漿時(shí)，可降低砂漿的用水量，提高砂漿的工作性。用磨碎的貽貝替代砂漿，與普通砂漿相比，砂漿的干縮率得到很好的提高。貽貝殼的扁平、片狀形狀會(huì)導(dǎo)致混凝土坍落值降低，同時(shí)也會(huì)影響混合物內(nèi)部的粘結(jié)。Martínez-García等[2]發(fā)現(xiàn)，貽貝殼成分中的有機(jī)物會(huì)導(dǎo)致骨料-漿體粘結(jié)力降低，孔隙率增大，影響水化過程。此外，貽貝殼中有機(jī)物的存在會(huì)延遲凝結(jié)并增加漿體粘度，從而導(dǎo)致混合物的流動(dòng)性降低。

1.4扇貝殼

扇貝是我國重要的貝類養(yǎng)殖類品種，貝殼多呈圓盤或圓扇形。與普通混凝土相比，Rica等[14]發(fā)現(xiàn)碎扇貝殼的摻入增加了混凝土的滯留空氣。此外，從碎扇貝殼中滲出的可溶性物質(zhì)會(huì)影響水泥漿體性能的發(fā)揮。這些都是導(dǎo)致混凝土的力學(xué)性能降低的原因。不過，其同時(shí)增加了混凝土的孔隙率，有利于流體和氯離子在混凝土中的遷移。可以利用調(diào)整配合比的方式對扇貝殼混凝土的性能進(jìn)行改善。王冬麗等[15]發(fā)現(xiàn)，扇貝表面上的甲殼質(zhì)可形成致密結(jié)構(gòu)，有利于抗凍融性。在凍融循環(huán)結(jié)束時(shí)，扇貝殼幾乎完整無缺，扇貝殼混凝土試塊在損壞時(shí)很少在殼內(nèi)破裂，幾乎沒有損壞殼的內(nèi)部。扇貝外殼的抗凍性為將來可應(yīng)對低溫條件的建筑材料提供了條件。

2結(jié)語

綜上，不同水產(chǎn)養(yǎng)殖廢棄物在混凝土領(lǐng)域具有巨大潛能。從用途看，大致可分為用作水泥替代、骨料替代。從利益性看，廉價(jià)的廢棄物可為混凝土生產(chǎn)帶來極低成本，且在不同功能混凝土成分的替代上，廢棄物所發(fā)揮的特質(zhì)可基本滿足要求。從可用性看，大部分的水產(chǎn)養(yǎng)殖類廢棄物可改善混凝土工作性、力學(xué)性能和耐久性。不過，水產(chǎn)養(yǎng)殖類廢棄物的摻入也可能降低混凝土的性能。但根據(jù)大量試驗(yàn)判斷，通過控制水產(chǎn)養(yǎng)殖類廢棄物摻量的大小可改善混凝土性能。同時(shí)，影響水產(chǎn)養(yǎng)殖類廢棄物混凝土性能的還有廢棄物材料的選擇，不同的廢棄物材料在試驗(yàn)中顯示的數(shù)據(jù)大不相同。材料的預(yù)處理方式不同也會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的偏差。所以，選取合適的試驗(yàn)材料，采用恰當(dāng)?shù)念A(yù)處理方法都有助于提高水產(chǎn)養(yǎng)殖類廢棄物混凝土的力學(xué)性能和耐久性等。

作者：魏毋憂 王煒 馬坤 楊佳男 單位：火箭軍工程大學(xué)作戰(zhàn)保障學(xué)院