生产污水浓度对混凝土性能的影响研究

文摘 2024-11-13 07:04 河南

1引言

在当今世界上的建筑材料使用中，混凝土无疑占据着最重要的地位。据相关数据统计，我国每年混凝土生产量已经超过了15亿吨，在混凝土产业高速发展的同时，也带来了严重的水污染问题，平均生产每百方混凝土，产生污水约0.3吨，消耗洁净水约12吨，因此我国每年都会排放巨量的生产污水，由此对生态环境带来的压力不容忽视。如年产60万m3搅拌站，每年需多花费数十万元用于污水与泥浆的处理。水泥的水化是一个漫长的过程，28d的水化程度只有60%左右，还有很大的强度发展空间。为了节约成本同时保护生态环境，如何对混凝土搅拌站污水进行二次利用，是混凝土行业面临的一个重要课题，如果应用合理，可以获得显著的经济效益与环境效益。

基于节约成本和环保要求，有些搅拌站将高浓度的污水直接应用于混凝土生产，并未考虑污水浓度对混凝土工作性能与力学性能产生的负面影响，这容易造成混凝土坍落度损失大、强度发展不良等问题。本实验将搅拌站污水与自来水进行混合，得到不同浓度的拌合水，研究污水浓度对混凝土性能的影响，以期为循环利用污水进行混凝土生产提供理论和实际参考。

2研究现状分析

混凝土搅拌站在生产和冲洗环节会排出较多的污水，将处理过的搅拌站污水和自来水按比例调和后与混凝土搅拌，可以在一定程度上解决污水的排放问题。搅拌站污水中含有较多的黏土和淤泥，以及溶解性无机盐和防腐剂等，主要含有钙离子、钠离子、钾离子、硫酸根离子和氢氧根离子，PH值高达12，为碱性溶液。目前，国内外部分学者主要研究方向为搅拌站污水浓度对低强度混凝土性能影响，对于中高强度混凝土使用污水搅拌对工作性能及力学性能的影响的研究较少，且对污水浓度与污水掺量综合影响的研究不够全面。为全面反映浓度变化对混凝土工作性能的影响，本实验设置两类变量，通过改变污水浓度和不同强度的混凝土对影响趋势进行全面的分析和探究。

3实验设计与主要实验原料

3.1实验设计

本实验基于正交性实验的基本原则来进行设计，首先对实验原料进行工作性能检测，并分次分时多次提取混凝土搅拌站污水。针对不同强度的水泥混凝土来进行相应的个体试验，同时还要对异常样本进行清除，对最终结果的平均值进行取样，同时进行试验配比。水泥样品的检测依据为GB/T50081-2019《普通混凝土物理力学性能检验方法》。

3.2实验方法

3.2.1混凝土力学性能测试

对混凝土的力学性能和工作性能进行检测和试验。根据普通混凝土拌合物性能检验标准，对混凝土的坍落度和流动度进行测试。混凝土力学性能试验依据力学性能试验方法进行，将成型的混凝土试件在室内静置，之后放入标准养护室内养护，养护周期为7d和28d，主要是测试试件的整体抗压强度。

采用接触法测试混凝土不同龄期的收缩变形性能。按照混凝土配比成型尺寸100mm×100mm×515mm的棱柱体试件，每组3块，并预埋测头，带模养护1d后脱模，放置在温度为(20±2)℃、相对湿度为95%的养护室进行养护，测试不同龄期的混凝土收缩率，计算公式如下：

ε_r=（L₀-L_t）/L_b

式中，

ε_r———实验期内混凝土收缩率；

L₀———时间长度内的初始度数；

L_t———试件在实验期时测得的长度读数；

L_b———试件的测量标距。

3.2.2污水基本性能测试方法

搅拌站污水的整体浓度和PH值按照现有的混凝土用水标准进行测试，其中氯离子和硫酸根离子的含量按水质氯化物的测定标准和水质硫酸盐测定标准进行测定。其中水泥在标准范围内的标准稠度和凝结时间需要按照水泥标准稠度用水量和凝结时间等检验方式进行测定，胶砂强度按照水泥胶砂强度检验标准进行测试。

3.3实验原料

⑴水泥采用惠州光大凯城牌P·O42.5R普通硅酸盐水泥，细度（60μm方孔筛余）1.5%，安定性符合当前标准，物理力学性能见表1。

⑵粉煤灰：Ⅱ级，沙角电厂，45μm方孔筛余8.8%。

⑶矿粉：S95级，惠州远华矿粉，比表面积420m²/kg。

⑷细骨料：惠州中粗河砂，细度模数2.6，含泥量1.2%。

⑸粗骨料：5～31.5mm连续级配卵石，含泥量1.3%，针片状含量6%。

⑹五山WS-PC型聚羧酸减水剂，固含量为18.5%，推荐掺量为0.8%～2.5%。

⑺拌合水：取搅拌站污水沉淀池的污泥经过烘干过100目方孔筛，去除杂质和有机物，将获得的粉体与自来水进行混合，获得固含量为0%、3.0%、5.0%、7.0%、10.0%的污水作为备用。对所取搅拌站污水进行烘干粉磨，测试固体物质化学组成，结果见表4。

3.4污水来源

搅拌站的污水是不含生活污水的，其来源主要是混凝土分离产生的废弃浆水、冲洗产生的污水及雨水。大部分施工现场会对剩余的一些混凝土和质量问题相对较大的混凝土经过砂石分离机进行充分分离，并对余下的凝固材料和成分进行深度的混合，形成浆水，并排入污水回收池内，在混凝土生产中再次使用。这一部分的污水含有较多的胶凝材料，对混凝土的性能也会有促进作用。

冲洗污水包括冲洗运输设备产生的污水及生产场地的冲刷污水。搅拌机在搅拌完成后，为了避免混凝土在搅拌机上硬化而对搅拌机造成损坏，就需要对搅拌机进行冲洗，从而产生污水。冲洗形成的污水也含有胶凝材料。另外，为了保证生产场地内部的清洁，需要对生产场地进行冲刷，冲洗之后的污水直接流到污水回收池中。场地冲刷污水中含有混凝土原材料成分，但是更多的是场地中的泥沙。现阶段这种泥沙含量较多的污水会经过沉淀后流到回收池中重新利用。还有雨水，雨水会通过排水沟流进污水回收池中，经沉淀后重新利用。混凝土搅拌站污水的浓度按生产情况不同而有所变化，检测按正常状态下一个月内污水取样。

4实验结果与讨论

4.1污水浓度对混凝土性能的影响

据文献可知，当污水达到一定浓度后，会对混凝土工作性能产生不利的影响，为了更全面地了解污水对混凝土性能的影响，试验中利用污水配置了不同标号的混凝土，通过检验混凝土的工作性、强度等指标，确定实际生产污水的最佳浓度范围。在试验中采用浓度为0%、3%、5%、7%、10%的污水进行试配。在20%的清水取代比例下对C20、C30、C40、C50强度混凝土进行试配，研究不同污水浓度对混凝土各项指标的影响，具体数据见表5～表8。由实验数据可以得到污水浓度对混凝土强度的影响趋势图（图1）。

从表5至表8混凝土工作性能与强度变化折线图可见，随着污水浓度的增加，对C20强度混凝土的抗压强度影响不大，但是混凝土1小时的稠度损失较明显，严重影响其工作性。对C30、C40、C50强度混凝土，污水浓度对强度影响逐渐明显，随着污水浓度的不断提高，其7d、28d强度均呈现下降趋势。在污水浓度超过5%之后，由于强度的显著下降，此时混凝土的工作性能已不能满足使用需求。对于C40和C50混凝土，污水浓度对强度的影响较为明显，随着浓度的提高强度下降，而且下降的幅度越来越大。同时混凝土的工作性劣化较为严重，综合比较分析，实际生产污水浓度控制在5%内。

原因在于，沉积池中含有大量的水泥浆体，随着水泥的水化，水化产物逐渐溶解，特别是钙化物，提高了污水的PH值。用污水进行混凝土生产时，可能会影响外加剂的减水效果，从而影响混凝土的和易性。另一方面污水中含有的少量的固体废弃物，细度较细，活性较低，在沉淀池中不易沉积，将它们加入混凝土中后，一方面会增加集料的表面积，增加新拌混凝土的用水量，从而降低混凝土的工作性能，而且这些颗粒可能本身含有一定的吸水性，对混凝土的工作性产生不利的影响；另一方面当其包裹在集料表面时，影响集料与水泥浆的粘结，从而导致混凝土的力学性能降低。

4.2污水取代量对混凝土工作性能的影响

为研究污水取代量对混凝土工作性能的影响，将浓度为5%的污水以0、20%、40%、60%、80%、100%的比例取代自来水，测试不同强度等级下污水取代量对混凝土坍落度与扩展度的影响。

由图2、图3可知，污水在不同取代量下对各强度等级混凝土工作性能的影响规律不尽相同。对C20混凝土，随着污水取代量的增加，坍落度先增大后减小，扩展度逐渐减小，污水在取代量为20%时的坍落度和扩展度均高于基准，坍落度和扩展度分别提高了16%和5%；对C30、C40混凝土，随着污水取代量的增加，坍落度和扩展度小于基准；而对于C50混凝土，污水取代量对于混凝土坍落度和扩展度的影响不显著。综合混凝土的性能指标，对于5%浓度的污水，C20、C30、C40、C50混凝土中最佳取代量分别为20%、20%、40%、20%。

4.3污水浓度对混凝土体积稳定性的影响

本实验采用接触法研究C30混凝土在不同污水浓度收缩变形性能的变化规律。为保证实验具有单一变量，制备所有试样尺寸大小相同，养护室恒温(20±2)℃、相对湿度为95%，不同污水浓度下混凝土体积收缩率数据如表10所示。

如图4所示，在相同的室内条件下，以不同污水浓度掺和的混凝土收缩率在1d、3d、7d龄期内变化较慢，但随着龄期的升高，掺和较大浓度污水的混凝土收缩明显增大，当污水浓度大于5%时，收缩现象受龄期影响急剧增大。这可能是因为废水造成聚羧酸减水效率降低，水泥水化程度不足，水化生成的凝胶和钙矾石无法对混凝土收缩起到补偿作用。

5结论

⑴在混凝土中加入生产污水使得水泥的标准稠度用水量增加，并在一定程度上提高了试件的早期和后期强度。

⑵污水浓度和取代量对混凝土性能变化均有一定影响，综合强度、坍落度和扩展度指标，拌合液中的最佳污水浓度不应超过5%。某一污水浓度最优取代量根据不同强度混凝土会发生相应的变化，对于5%浓度的污水，C20、C30、C40、C50混凝土中最佳取代量分别为20%、20%、40%、20%。

⑶当污水浓度超过5%时，对于中低强度混凝土，污水最大掺量不宜超过50%；而对于超过C50等级的混凝土，污水最大掺量不宜超过30%。

⑷污水浓度增大会导致混凝土收缩率增加，增大了由于收缩产生应力裂纹的风险，对混凝土的服役寿命产生影响。（来源：《广东建材》2019.09）

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIzNjU1MTYwNw==&mid=2247520866&idx=5&sn=a9828e7f5ac3c3053c9d47fc4c4cda37

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