预拌混凝土生产废水零排放应用试验研究

文摘 2025-01-11 07:03 河南

0引言

混凝土是使用最广泛的建筑材料之一，在预拌混凝土的生产过程中需要大量的水。预拌混凝土搅拌车的清洗会生产大量废水，为避免造成污染，需大量人力、物力等对其进行运输、处理。制作1m³的混凝土，大约需要消耗150～300L水。在搅拌车洗涮过程中，部分粘附在滚筒内壁和叶片上的混凝土混合在水中。预拌混凝土生产废水中含有多种杂质及微颗粒，直接排放易对周边环境造成污染。通过资源化回收再利用废水可以解决预拌混凝土搅拌站废水及其衍生废料填埋、处理造成的环境污染与资源消耗问题。

Borger等研究了搅拌车冲洗废水对砂浆和易性、凝结时间的影响，结果表明，使用长达8h的冲洗水可以成功制备砂浆。Sandrolini和Franzoni使用洗涤废水来制备砂浆和混凝土，研究了废水对砂浆力学性能的影响，结果表明，用循环再利用废水制备的砂浆28d强度不低于对照组的96%。Terr等分析了预拌混凝土搅拌机冲洗水的化学成分，并将冲洗水用于砂浆中，发现混合了冲洗废水的砂浆凝结时间较短、流动性较低。

石宵爽等对废水处理过程中的沉淀物进行资源化利用，作为补充胶凝材料掺入混凝土中，发现低掺量的污泥有利于混凝土强度的发展。Chini等调查了佛罗里达的水质标准以及在预拌混凝土生产中将混凝土废水重新用作拌制用水的可能性，发现该研究中使用的废水虽然不符合佛罗里达交通部的水质规范要求，但对混凝土的工作性能没有明显的不利影响。虽然目前已经有部分学者对搅拌站废水循环再利用于砂浆和混凝土生产展开了研究，但现有的试验研究并未提及预拌混凝土生产废水应用于混凝土时对其微观结构影响及作用规律，尤其是废水对混凝土宏观性能与微观结构之间的作用机理影响尚不明确。

因此，本研究旨在采用力学性能试验与微观结构分析来探究预拌混凝土中使用废水对混凝土的影响规律，用以评估废水循环再应用的可行性。在本试验中，废水等质量替代自来水制备砂浆试件以及不同强度等级混凝土试件，研究了不同掺量及其存放时间的废水对砂浆和混凝土力学性能的影响，并结合多种微观测试技术，探讨了各指标的废水混凝土微观结构与抗压强度之间的内在联系与作用机理。

1试验

1.1原材料

水泥：P·域42.5水泥，密度3.09g/cm³，比表面积326.7m²/kg；粉煤灰：F类域级，细度为8%，活性指数为80%；矿渣粉：S95级，密度2.87g/cm³，烧失量0.4%；硅灰：比表面积22m²/g，平均粒径0.1～0.3μm。细骨料：中砂，细度模数2.6；粗骨料：碎石，粒径5～20mm；减水剂：Visco-20聚羧酸高性能减水剂，减水率28%，固含量30%。

用于试验的废水来自绍兴市城投建筑工业化制造有限公司。预拌混凝土搅拌车经洗涮后，得到含有大量砂和碎石的污水，通过搅拌螺旋砂石分离机分离了砂和碎石后，最终得到本试验所用的废水，废水固含量为3.5%。本试验用自来水和废水的物化性能如表1所示。

1.2试样的制备

本试验采用废水等质量取代一定的自来水来制备不同强度等级（C40、C50、C60、C80）的混凝土，基准配合比见表2。废水掺量（等质量取代自来水）分别为0、10%、30%、50%、75%、100%。所有原材料放入混凝土搅拌机中搅拌均匀后，将新拌混凝土浇筑在100mm×100mm×100mm的模具中，24h后脱模，将试件置于标准养护条件[（20±2）℃，相对湿度≥95%]下养护至规定龄期。

此外，本试验还制备了相同废水掺量的砂浆。砂浆所用胶凝材料和砂均与混凝土所用材料相同，制备砂浆的基准配合比（g）为：m（水泥）：m（粉煤灰）：m（矿渣粉）：m（砂）：m（自来水）：m（减水剂）=314.0：258.6：165.9：1009.7：265.0：6.5，试件尺寸为40mm×40mm×160mm。在HBY-30型恒温水养护箱中进行养护。

1.3测试方法

1.3.1力学性能试验

在养护7d和28d后，采用恒应力试验机对砂浆试件进行抗折、抗压强度测试，抗折强度测试的加载速率为50N/s，抗压强度测试的加载速率为5kN/s。

本试验对养护7d和28d的废水混凝土试件按GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行抗压强度测试。所用仪器为WAW-1000B电液伺服万能材料试验机，C40～C60混凝土的加载应力速率为0.5MPa/s，C80混凝土的加载应力速率为0.8MPa/s。

1.3.2微观结构测试

在微观结构试验中，采用压汞法对废水混凝土的孔隙率进行测试；通过X射线衍射（XRD）对经处理变为粉末状的样品进行了化合物测试，所用仪器为X´Pert3Powder，采用Cu靶，衍射角度范围为5°～90°，衍射速率为5°/min；扫描电子显微镜（SEM）采用FEIQuanta250FEG，测试废水混凝土断裂面的微观特征。

2结果与讨论

2.1废水砂浆的强度

将废水等质量取代自来水（0、10%、30%、50%、75%、100%）制备水泥砂浆，养护7d和28d时混合废水砂浆的抗压、抗折强度如表3所示。

由表3可以看出，废水水泥砂浆的7d和28d抗压强度明显高于普通水泥砂浆，且7d养护龄期废水砂浆强度增长趋势更为明显。废水掺量为100%的砂浆7、28d抗压强度较普通砂浆分别提高了33%、16%。而其它废水掺量的砂浆抗压强度均有一定程度的提高。废水是由预拌混凝土搅拌冲洗得来的，废水中含有一定量的水泥、粉煤灰、矿渣粉等胶凝材料。

胶凝材料会在浆料拌合过程中吸水且在水泥水化过程中释放水分，同时微小的胶凝材料颗粒会在搅拌过程中对混凝土结构起到填充作用，可在一定程度上对水泥胶砂抗压强度起促进作用。且废水中还存在一些微粒杂质，在起到填充密实作用的同时，可略微降低水胶比。

但在抗折强度方面，废水砂浆却有一些差异。废水掺量为30%和50%时，废水砂浆的28d抗折强度并没有显著增长。在早龄期阶段，废水砂浆的抗折强度也并非与抗压强度的增长规律相同，而是呈现先提高后降低的趋势。但随着养护龄期的延长，废水掺量为100%时，废水砂浆28d抗折强度比普通水泥砂浆高约12%。总的来说，废水砂浆的抗折强度变化规律与抗压强度虽然有一定的差异，但废水对水泥砂浆的强度并没有明显的抑制作用，甚至在一定程度上会促进强度提高。

2.2废水混凝土的抗压强度（见表4、表5）

由表4可以看出，通过对不同废水掺量混凝土的7d抗压强度进行横向和交叉对比可以发现，不同废水掺量对混凝土的强度没有明显的负面影响。废水掺量较少时，混凝土的抗压强度无明显变化。随着废水掺量的增加，混凝土的抗压强度有了一定的增长，尤其是在拌制用水全部为搅拌站冲洗废水时，不同强度等级混凝土的抗压强度的增长率均达到了最高。废水提供的碱性环境有利于水泥的水化反应。同时，废水颗粒的填充和粘结作用提高了混凝土的密实度，在一定程度上会促进混凝土抗压强度的提高。

由表5可以看出，所有废水掺量混凝土的28d抗压强度均符合相应等级混凝土的强度要求。随着废水掺量的增加，混凝土28d抗压强度变化率整体是呈现增长趋势的。当废水掺量为100%，混凝土的抗压强度增加率均较大。有研究表明，使用混凝土冲洗水制成的混凝土试件与使用自来水的混凝土试件相比，有更加致密的微观结构。搅拌站废水中含有一定量的微小颗粒，在与自来水混凝土试件相同配合比的前提下，其水胶比相对较低，且微小颗粒可对混凝土微观结构孔隙进行填充，使废水混凝土结构更加密实，提高了混凝土的抗压强度。

对比表4和表5中C80废水混凝土试件抗压强度变化率可以发现，C80废水混凝土7d龄期的强度增长率高于28d龄期的强度增长率。由于搅拌站生产废水中Ca（OH）₂含量高，有助于硅灰早期的二次水化反应进行，故掺入废水会提高C80混凝土的早期强度；使用废水对混凝土后期强度影响不大，且由于废水中Ca（OH）₂含量较高，有助于掺合料后期二次水化反应进行，故废水配制的C80混凝土的后期强度还略高于自来水的。

由于在预拌混凝土搅拌站中，混凝土的制备并不会保持一直进行的状态，故刚刚冲洗经过滤处理的废水有时并不会马上用于混凝土搅拌中。因此，本试验考虑了废水存放1h和6h再用于混凝土制备这2种情况，并对这2种情况下的不同强度等级混凝土进行了单轴压缩试验，废水存放时间对混凝土7、28d抗压强度的影响如表6所示。

由表6可以看出，除了C40强度等级的混凝土外，养护龄期为7d时，存放时间长的废水混凝土试件抗压强度略微高于存放时间短的试件；养护龄期为28d时，存放时间长的废水混凝土试件抗压强度低于存放时间短的试件。同时，C40废水混凝土与C40自来水混凝土的抗压强度也并无明显的差异。新鲜的废水颗粒的填充和结合作用更强。随着废水存放时间的延长，废水中的水泥、粉煤灰、矿渣粉等会不断水化，不断地减弱其粘结能力，最终只能填充混凝土内部的孔隙，仅能对混凝土起到一定程度上的密实作用。

2.3微观结构分析

2.3.1压汞法

本试验取废水掺量为50%、养护龄期为28d的试件，将其压裂后，取断裂面位置处的约10mm大小片状水泥基材料。将所取的样品全部浸没于无水乙醇中3～4d以终止其水化后，放入烘箱中在105℃的温度下烘干至恒重后方可进行压汞孔隙测试，结果如表7所示。

由表7可以看出，随着强度等级的提高，试件的孔隙率逐渐减小。材料孔隙率的大小直接反应材料的密实程度，试件的孔隙率逐渐减小，试件的密实程度随之逐渐增强。结合表6可以发现，试件密实程度的增强，其抗压强度随之提高。同时，废水的存放时间较长，其孔隙率相比同配合比的试件更小。但是结合表6数据发现，废水存放时间长的试件，孔隙率更低，密实度更大，抗压强度降低。这是因为，废水中的胶凝微颗粒材料随着时间的延长，不断的发生水化反应，活性降低，仅仅只对混凝土微观结构起到孔隙填充的作用，但起到粘结作用并不如存放时间较短的废水。在废水中胶凝材料的粘结作用与密实作用中，其粘结作用起到相对主导的影响，故虽然存放时间较长的废水混凝土孔隙率相对较低，密实度相对较高一点，但其抗压强度相比于存放时间短的废水混凝土略低。废水掺量为50%、不同存放时间的累积孔隙体积与孔隙直径的特征关系如图1所示。

由图1可以看出，随着强度等级的提升，累积孔隙体积是逐渐降低的。且废水存放时间为1h的累积孔隙体积也比存放时间为6h的累积孔隙体积更大一点。这两个规律与表7中孔隙率的变化特征是一致的。

2.3.2 SEM与XRD分析

本试验在废水掺量为50%、不同废水存放时间（1h和6h）的混凝土断裂面处取约10mm大小的片状试样，将其放入无水乙醇中72h以终止其水化后，取出试样将其放入50℃烘箱中3～4h至烘干。试样的观察面不进行磨平抛光，在试样观测面表面喷金粉覆盖后采用扫描电子显微镜观察其微观形貌。采用XRD分析其物相组成，C40、C80废水混凝土断裂面的微观形貌与X射线衍射的物相分析结果如图2～图5所示。

由图2～图5可以看出，水化产物中板片状晶体为Ca（OH）～，玻璃状晶体的为钠长石。对比废水存放时间均为1h的各强度等级的废水试样，会发现随着强度等级的提高，其微观结构形貌越致密，晶体的排布相对更加地有序，此时，废水混凝土的抗压强度显著提高。将废水存放时间为1h与6h的同强度等级的试样进行对比，发现废水存放时间较长的试样微观结构较为致密，这与孔隙率的变化规律一致。同时发现，混凝土强度等级较高时，钠长石含量则越高。

3结论

（1）废水掺量为100%时，废水砂浆7、28d抗压强度较普通砂浆分别提高了33%、16%，废水砂浆28d抗折强度比普通水泥砂浆抗折强度高约12%。废水对水泥砂浆的强度并没有明显的抑制作用，甚至在一定程度上会促进水泥砂浆的强度增长。

（2）废水提供的碱性环境有利于水泥的水化反应。同时，废水颗粒的填充和粘结提高了混凝土的密实度，在一定程度上会促进混凝土抗压强度的提高。

（3）搅拌站废水中Ca（OH）₂含量高，有助于硅灰早期的二次水化反应进行，故掺入废水会提高C80混凝土的早期强度。

（4）新鲜废水颗粒的填充和结合作用更强。新鲜废水混凝土的微观晶体排布较为有序，结构更加的致密，抗压强度也相对更大。但随着废水存放时间的延长，废水中的水泥、粉煤灰、矿渣粉等会不断水化，不断的减弱其粘结能力，最终只能填充混凝土内部的孔隙，仅能对混凝土起到一定程度上的密实作用。

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