用预拌厂废水制C20~C60混凝土及工程应用

文摘 2024-12-28 07:01 河南

0前言

预拌厂废水是混凝土生产企业产生的一种工业废水，如处理不当则会污染环境。因此，资源化利用预拌厂废水对节约用水和保护环境均具有重要意义，是我国混凝土行业当前乃至今后需要解决的重要问题。

本文选取湖南区域三个混凝土预拌厂的废水进行了研究，在分析其基本理化性质的基础上优选原材料，并优化配合比设计，用其制备了C20～C60混凝土，并研究了废水对混凝土工作性能、力学性能和耐久性能的影响。验证相关指标满足工程应用的要求后，将废水混凝土应用于实际工程中，可为预拌厂废水的工程应用提供参考和借鉴。

1原材料与试验方法

1.1原材料

试验用原材料均满足GB/T14902-2012《预拌混凝土》及相关标准的要求。

水泥采用P·O42.5级，碱含量<0.6%，比表面积325m²/kg；粉煤灰采用域级粉煤灰，细度18.5%，需水量比98.0%，烧失量5.0%；胶凝材料主要化学成分含量见表1。

细骨料采用域区中砂，连续级配，含泥量1.0%。

C50及以上混凝土粗骨料采用5～25mm连续级配碎石，压碎值<10.0%，含泥量0.8%，针片状含量≤5%，C50以下混凝土粗骨料采用5～25mm连续级配卵石，含泥量小于1.0%。

外加剂采用高性能聚羧酸减水剂，减水率≥25%。

拌合清水采用普通自来水。

1.2混凝土配合比

根据混凝土预拌厂生产情况，选取C20、C30、C40、C50、C60几个常见强度等级的配合比来研究废水对其工作性能、力学性能和耐久性能的影响，混凝土配合比见表2。

1.3测试方法

混凝土拌合物工作性能与强度测试分别参照GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》与GB/T50081-2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行；耐久性能试验参照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。废水基本物理化学性能微观分析采用X射线荧光光谱仪、X射线衍射仪、扫描电子显微镜（SEM）进行。废水样品取自湖南三个混凝土预拌厂，选取的废水均是含有沉淀的水泥浆液，外观颜色有一定差异。

2试验结果与讨论

2.1废水的基本物理化学性能

2.1.1固含量

在相同时间对三个混凝土预拌厂储存的废水进行等量取样，并进行固含量测试，结果见表3。

混凝土预拌厂废水的沉淀含量一般在5%～15%之间，本文所选用的废水基本位于这个范围内，且固含量相差不大。编号芋的固含量较低，这可能与该企业所采用的预拌厂清洗制度与原材料有关。在配比计算中，应将废水中所含有的固含量考虑在内。

2.1.2化学成分

预先将三种废水溶液在40～60℃下烘干，对烘干后的沉淀颗粒进行磨细处理，磨细的样品再通过360目筛选，然后采用X射线荧光光谱仪进行化学组成的烧失量的测试，测试结果见表4。

由表4可以看出，三个混凝土预拌厂废水沉淀废渣的化学组成基本一致，都是以SiO₂与Al₂O₃为主的固态物质，但由于工艺制度、原材料等的差异，三厂试样的烧失量均有所不同。

2.1.3XRD分析

对三种废水沉淀废渣进行X射线衍射分析，结果见图1。

由图1可见，三种沉淀废渣的衍射图谱表现出极大的相似性，各个衍射峰出现的位置基本一样，但各峰值的强度相差较大，表明三厂的沉淀废渣在矿物组成上相似，但含量有差异。图中几处最明显的峰值对应的矿物种类分别是Ca(OH)₂、SiO₂、CaCO₃、CaSO₄·2H₂O等。这些矿物的衍射峰在某些特定的角度发生重叠，故出现了较明显的衍射峰。

2.1.4SEM分析

对三种废水沉淀废渣进行扫描电镜分析，结果见图2。由图2可见，废渣结构较疏松，粒径较小，可以较好补充混凝土体系的颗粒级配，提高密实度。

综上可知，所选三个预拌厂所产生的废水及其沉淀废渣的各项物理化学性能均相似，成分十分接近，因此，也适用于其它预拌厂废水的处理。

2.2废水对混凝土工作性能的影响

以表2中C30混凝土为例，研究不同掺量废水对混凝土拌合物工作性能的影响，试验结果见图3。其拌合水分别为院F-0（100%自来水+0%废水）、F-30（70%自来水+30%废水）、F-50（50%自来水+50%废水）、F-70（30%自来水+70%废水）、F-100（0%自来水+100%废水）。

由图3可见，掺废水对混凝土拌合物初始坍落度有一定的影响，但都满足混凝土泵送施工要求。对于C30混凝土，废水掺量在50%时，混凝土拌合物表现出较为优异的工作性能，其坍落度损失和扩展度损失程度较未掺加废水的混凝土拌合物低，而废水掺量在70%以上的混凝土拌合物，其坍落度损失和扩展度损失程度均大于未掺废水混凝土拌合物。这是因为废水中含有一定的缓凝与减水成分，相关的成分残留在未水化的水泥颗粒中，使得废水也具有一定的缓凝成分，因此，适当掺加废水可以提高混凝土拌合物的工作性能[2]。当废水掺量较大时，其中的黏土等成分会吸附外加剂，故拌合物坍落度损失和扩展度损失程度均大于未掺废水的混凝土。此外，各强度等级混凝土在废水的最优掺量上是存在一定差异，随着强度等级的提高，所掺废水比例随之减少，减少幅度为30%～50%。

2.3废水对混凝土力学性能的影响

以表2中C40、C60混凝土为例，对比不同掺量废水对混凝土拌合物力学性能的影响。拌合水掺用方法与工作性能试验一致，试验结果见图4。

对于C40强度等级的混凝土，掺入废水对混凝土的抗压强度有一定影响，适量掺入废水可提高混凝土强度，C40混凝土掺入30%废水时，抗压强度可提高约5%。掺入废水可使混凝土的流动性有所提高，混凝土内部结构较均匀，在受压时受力更为均匀，因此，强度较高。

废水对于C60或中高强混凝土的抗压强度未发现不利的影响，这是因为中高强混凝土的水灰比较小，胶凝材料相对较多，而废水中颗粒的存在使得水含量降低，因此，在掺入废水后，其实际水灰比减少，因而强度得到提高；另一方面，中高强混凝土胶凝体系含有粉煤灰等材料，废水中含有Ca(OH)₂，更容易激发粉煤灰玻璃体微珠表层活性的SiO₂及Al2O₃与Ca(OH)₂发生二次水化反应，可生成低碱性水化产物，使得混凝土的后期强度增大。

2.4废水对混凝土耐久性能的影响

2.4.1抗氯离子渗透性能

抗氯离子渗透试验选取C40、C60混凝土，试验结果见表5。其中，拌合水使用情况和力学性能试验一致。试验结果表明，废水的掺入可有效降低混凝土的电通量，具体表现为随着废水掺量的增加，混凝土的电通量减少，废水可提高混凝土抗氯离子渗透的能力，提高其耐久性。尤其对于C60混凝土，使用废水全部替代自来水可将混凝土6h总电通量降低至300C，表明废水对于提高强度等级较高的混凝土抗氯离子渗透性能有更显著的作用。

2.4.2抗碳化

选取强度等级为C30、C50混凝土进行碳化试验，拌合水使用情况和抗氯离子渗透试验一致，试验结果见图5。

由图5可见，掺废水的混凝土比未掺加废水混凝土的碳化深度要小，且碳化深度随废水掺量的增加而减少，表明废水的掺入可提高混凝土的抗碳化性能，且强度等级较高的混凝土抗碳化性能显著优于强度等级较低的混凝土。这是因为废水中Ca(OH)₂水溶液的pH值高达13，可使胶凝材料中的粉煤灰等发生二次水化反应，填充了混凝土内部的孔隙，使混凝土更为密实，提高了混凝土的抗碳化性能；另一方面，C50混凝土水胶比较C30混凝土的低，其有害孔隙相对较少，抗碳化能力较强。因此，强度等级较低的混凝土，废水提高其抗碳化性能的程度较强度等级较高的混凝土更为明显。

3工程应用研究

利用废水混凝土的配制技术，对长沙某超高层项目相关部位强度等级为C40与C60的混凝土进行了现场浇筑。其中，C40混凝土的废水掺量达70%，C60混凝土达50%。经测试，利用废水制备的混凝土出厂坍落度达到260mm，扩展度达到680mm，且和易性较好。由于交通拥堵，实际运送混凝土到现场的时间为75min，施工现场混凝土坍落度240mm，扩展度650mm，现场工作性能良好，完全满足泵送要求，施工过程比较顺利，良好的流动性既减轻了工人的施工强度，也确保了混凝土的密实效果。28d后实体回弹检测，所有废水混凝土浇筑构件的强度均满足设计要求，且外观质量良好，未发现明显裂缝和蜂窝麻面。

4结论

（1）选取的三个预拌厂废水及其沉淀废渣的各项物理化学性能相似，成分十分接近，主要以SiO₂、Al₂O₃和CaO为主，Ca(OH)₂、SiO₂、CaCO₃、CaSO₄·2H₂O衍射峰较明显；沉淀废渣结构较疏松，粒径较小，可较好补充混凝土体系的颗粒级配，提高密实度。

（2）各强度等级混凝土在废水最优掺量上存在差异，C30混凝土在废水掺量为50%时表现出较为优异的工作性，掺量在70%以上时坍落度和扩展度损失大于未掺废水混凝土；C40混凝土掺入在废水掺时为30%时，抗压强度可提高约5%；废水对C50、C60混凝土的抗压强度未发现不利影响。

（3）废水的掺入可有效降低C20～C60混凝土的电通量，C60混凝土全部使用废水时，电通量可降低至300C左右；掺废水的混凝土比未掺废水混凝土的碳化深度要小，且碳化深度随废水掺量的增加而减少。（来源：《混凝土与水泥制品》2018.11）

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