攪拌站回收漿液理化特性動態(tài)分析

廖國勝，胡思達(dá)，劉品紅，廖宜順，梅軍鵬，舒德輝

（1.武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430065；2.武漢科技大學(xué) 高性能工程結(jié)構(gòu)研究院，湖北 武漢 430065；3.湖南晟鑒建筑材料有限公司，湖南 汨羅 414499）

0 引 言

攪拌站回收漿液是商品混凝土攪拌站在清洗生產(chǎn)泵送設(shè)備、清洗罐車、分離廢棄混凝土以及沖洗生產(chǎn)場地，而形成的廢水、廢漿，因其具有成分復(fù)雜、腐蝕性強(qiáng)、量大等特點，若不加處理而隨意排放，就會對環(huán)境、資源、經(jīng)濟(jì)等造成負(fù)面影響，嚴(yán)重制約建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1-3]。為此，國內(nèi)外眾多學(xué)者對回收漿液理化特性進(jìn)行了研究。姚源等[1]、余和友和徐亮[4]、楊欣華等[5]對攪拌站回收漿液的含固量和pH 值進(jìn)行分析，結(jié)果表明，回收漿液的含固量一直處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在1%~10%變化，pH 值基本都大于11。黎春海[6]分析了攪拌站回收漿液含固量與密度之間的關(guān)系，結(jié)果表明，含固量與密度存在很強(qiáng)的線性關(guān)系，可以通過密度來推算含固量。黑金龍[7]分析了回收漿液中的固體顆粒（濾渣）的粒度分布，結(jié)果表明，濾渣的粒徑較水泥、石粉、粉煤灰小。胡立志等[8]、Keppert 等[9]對回收漿液的濾渣進(jìn)行了XRD 分析，結(jié)果表明，回收漿液中存在大量未水化的物質(zhì)。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者已對新鮮回收漿液的含固量、密度、pH 值、粒度分布及礦物組成進(jìn)行了研究，并取得了階段性成果，但想要結(jié)合實際需求達(dá)到對回收漿液更有效的利用，還需對回收漿液在放置過程中理化特性的變化規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析。同時，回收漿液的過濾時間與濾液含量及濾渣層的微觀結(jié)構(gòu)特性密切相關(guān)，研究回收漿液過濾時間隨放置時間變化規(guī)律對深入理解其理化特性變化機(jī)理及有效利用漿液具有重要意義，但目前暫無相關(guān)研究。故本文通過對比不同放置時間回收漿液的含固量、密度、pH 值、過濾時間、粒度分布及礦物組成的差異，探究了回收漿液的動態(tài)理化特性變化規(guī)律，以期對回收漿液再利用提供一定的參考。

1 試 驗

1.1 原材料

回收漿液：取自湖南晟鑒建筑材料有限公司在清洗運(yùn)輸C30 混凝土罐車并經(jīng)砂石分離機(jī)處理而形成的廢水、廢漿，為確保試驗的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性，后續(xù)試驗采用同一批次回收漿液，即僅取一種樣；水泥：P·O42.5 水泥，比表面積353 m2/kg，燒失量4.14%，氯離子含量為0.025%，安定性合格；粉煤灰：Ⅱ級，細(xì)度20.3%，密度1.99 g/cm3，燒失量3.71%；礦粉：S95級，密度2.91 g/cm3，比表面積417.2 m2/kg，燒失量0.09%。

1.2 試驗方法

含固量：采用烘干法進(jìn)行測試。回收漿液的固體顆粒需用無水乙醇終止水化，并經(jīng)40 ℃恒溫干燥之后進(jìn)行稱量。

密度：采用實驗室自制密度檢測裝置進(jìn)行測試，該系統(tǒng)包括：玻璃瓶（容積為30 mL）、量管（量程為1 mL），電子天平，高清攝像機(jī)。具體試驗步驟為：（1）按照ASTM C1608—17《Standard Test Method for Che-mical Shrinkage of Hydraulic Cement Paste》方法對圖1 裝置進(jìn)行組裝，并確保其氣密性良好；（2）將圖1 裝置置于電子天平上，并對電子天平進(jìn)行歸零處理；（3）取攪拌均勻的回收漿液30 mL，迅速轉(zhuǎn)移到圖1 裝置中，并再次將其置于電子天平上；（4）打開高清攝像機(jī)，記錄回收漿液在放置過程中（0、4、8、12、24、36、48、60、72 h）量管刻度值及電子天平稱量數(shù)值的變化。

圖1 密度測試裝置示意

pH 值：采用Seven Compact 型pH 儀進(jìn)行測試。

過濾時間：采用實驗室自制真空過濾裝置進(jìn)行測試，該系統(tǒng)包括：高清攝像機(jī)、布氏漏斗、抽濾瓶、真空泵和慢速定性濾紙。過濾裝置示意如圖2 所示，具體試驗步驟為：（1）打開真空泵，設(shè)置初始真空度為0.05 MPa；（2）將濾紙置于布氏漏斗上，用去離子水將其潤濕；（3）取不同放置時間（0、4、8、12、24、36、48、60、72 h）的回收漿液25 g（攪拌均勻），迅速轉(zhuǎn)移到布氏漏斗上，并打開真空泵；（4）打開高清攝像機(jī)開始記錄回收漿液過濾時間，直到30 s 后沒有濾液滴出時停止抽濾。

圖2 過濾裝置示意

粒度分布：將不同放置時間的回收漿液進(jìn)行過濾，取其濾渣，并用無水乙醇終止水化，40 ℃恒溫干燥后進(jìn)行激光粒度分析。

礦物組成：取放置0、4、8、12、24 h 回收漿液中的固體顆粒（濾渣）F-0h、F-4h、F-8h、F-12h、F-24h 試樣及水泥凈漿J-12h 試樣，用無水乙醇終止水化，40 ℃恒溫干燥后分別進(jìn)行XRD 測試。J-12h 試樣成型后直接帶模標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)12 h，脫模后進(jìn)行XRD 測試，其配合比（g）為：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（礦粉）∶m（自來水）=216∶42∶42∶87。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同放置時間回收漿液的含固量變化（見表1）

表1 不同放置時間回收漿液的含固量

由表1 可知，回收漿液的含固量隨放置時間的延長而增大，且放置0~24 h 為含固量增大主要階段，而放置24 h 后，含固量增大不再顯著。當(dāng)回收漿液放置4、8、12、24 h 時，含固量較新鮮漿液分別增大了2.15%、3.07%、4.91%、6.60%；當(dāng)回收漿液放置36、48、60、72 h 時，含固量較新鮮漿液分別增大了7.21%、7.67%、7.98%、8.16%。這是因為新鮮回收漿液中存在較多未水化的水泥及未反應(yīng)的礦物摻合料，當(dāng)回收漿液放置0~24 h 時，隨著放置時間的延長，這些未水化或水化程度較低的膠凝材料會不斷發(fā)生水化反應(yīng)或火山灰反應(yīng)（二次水化反應(yīng)），消耗回收漿液中的水，并生成不溶于水的C-S-H 和難溶于水AFt 等固體物質(zhì)，導(dǎo)致回收漿液中的水減少，固體成分增多，含固量增大。另外，在放置過程中，回收漿液中的水可能會向空氣中擴(kuò)散，也將導(dǎo)致回收漿液的水含量減少，含固量增大。當(dāng)回收漿液放置24 h 后，回收漿液中大多數(shù)未水化或水化程度較低的膠凝材料已經(jīng)水化完全，使得此時回收漿液成分處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，含固量不再顯著增大。

2.2 不同放置時間回收漿液的密度變化（見表2）

表2 不同放置時間回收漿液的密度

由表2 可知，回收漿液的密度隨放置時間的延長而增大，且放置0~24 h 為密度增大的主要階段，而放置24 h 后，密度增大不再顯著。當(dāng)回收漿液放置4、8、12、24 h 時，密度較新鮮漿液分別增大了0.10%、0.16%、0.23%、0.35%；當(dāng)回收漿液放置36、48、60、72 h 時，密度較新鮮漿液分別增大了0.39%、0.42%、0.44%、0.45%。這是因為新鮮回收漿液中存在一定量未水化或水化程度較低的膠凝材料（粉煤灰-礦粉-水泥），當(dāng)回收漿液放置0~24 h 時，隨著放置時間的延長，這些膠凝材料會不斷發(fā)生水化，產(chǎn)生化學(xué)收縮[10]，使得回收漿液的體積減?。ㄙ|(zhì)量不變），密度增大。另外，由于回收漿液中固體成分的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水的密度[6，11-12]，故當(dāng)回收漿液的水向空氣擴(kuò)散時，也將導(dǎo)致回收漿液中水減少，固體成分增多，密度增大。當(dāng)回收漿液放置24 h 后，回收漿液中大部分膠凝材料已水化完全，使得此時回收漿液成分處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，密度不再顯著增大，這與含固量隨放置時間變化的規(guī)律一致。

2.3 不同放置時間回收漿液的pH 值變化（見表3）

表3 不同放置時間回收漿液的pH 值

回收漿液的堿性[13-14]主要來源于Ca（OH）2，故其pH 值的改變主要受2 個因素的影響：正因素為回收漿液中未水化或水化程度較低的水泥，能不斷發(fā)生水化反應(yīng)，生成Ca（OH）2，使得回收漿液的pH 值變大；負(fù)因素為回收漿液中未反應(yīng)或反應(yīng)程度較低的礦物摻合料，不斷發(fā)生火山灰反應(yīng)（二次水化反應(yīng)），消耗Ca（OH）2，使得回收漿液的pH 值變小。由表3 可知，回收漿液的pH值隨放置時間的延長而增大，且放置0~24 h為pH 值增大的主要階段，而放置24 h 后pH 值增大不再顯著，并逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)回收漿液放置4、8、12、24 h 時，pH 值較新鮮漿液分別增大了1.70%、2.72%、3.65%、3.99%；當(dāng)回收漿液放置36、48、60、72 h 時，pH 值較新鮮漿液分別增大了4.16%、4.33%、4.50%、4.58%。這表明新鮮回收漿液溶液并非Ca（OH）2的飽和溶液，當(dāng)回收漿液放置0~24 h 時，隨著回收漿液放置時間的延長，回收漿液中的未水化或水化程度較低的水泥起主導(dǎo)作用，回收漿液中Ca（OH）2的生成量大于消耗量，使得pH 值增大。另外，回收漿液中的水分可能會不斷向空氣擴(kuò)散，溶液中Ca（OH）2的濃度不斷增大，也將導(dǎo)致回收漿液pH 值增大。當(dāng)回收漿液放置24 h 后，回收漿液中大部分膠凝材料已水化完全，使得此時回收漿液成分處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，pH 值增大不再顯著并逐漸趨于穩(wěn)定，這與含固量及密度隨放置時間變化的規(guī)律一致。

2.4 不同放置時間回收漿液的過濾時間變化（見表4）

表4 不同放置時間回收漿液的過濾時間

由表4 可知，回收漿液的過濾時間隨放置時間的延長而縮短。當(dāng)回收漿液放置4、8、12、24 h 時，過濾時間較新鮮漿液分別縮短了7.89%、18.42%、26.32%、38.16%；當(dāng)回收漿液放置36、48、60、72 h 時，過濾時間較新鮮漿液分別縮短了43.42%、47.63%、50.79%、51.32%。即放置0~24 h 為過濾時間縮短的主要階段，而放置24 h 后，過濾時間縮短不再顯著，這與含固量、密度及pH 值隨放置時間變化的規(guī)律一致。一般來說，回收漿液的過濾時間與濾液含量及濾渣層的微觀結(jié)構(gòu)特性密切相關(guān)。

2.5 不同放置時間回收漿液固體顆粒的粒度分布（見圖3）

圖3 不同放置時間回收漿液固體顆粒的粒度分布曲線

由圖3 可知，新鮮回收漿液固體顆粒粒度分布很廣，最小粒徑為0.5 μm，最大粒徑為400 μm；隨著放置時間的延長，粒徑分布曲線向右移動，且粒徑分布范圍變廣，小粒徑顆粒占比降低，大粒徑顆粒占比升高。這表明回收漿液中固體顆粒尺寸隨放置時間的延長而變粗，其原因是，新鮮回收漿液中存在較多未水化或水化程度較低的水泥及礦物摻合料，隨著放置時間的延長，這些膠凝材料會不斷發(fā)生水化反應(yīng)或火山灰反應(yīng)，在大小粒徑固體顆粒的表面及間隙中生成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)C-S-H及針狀A(yù)Ft 等物質(zhì)，導(dǎo)致回收漿液中原本分散的固體顆粒相互黏結(jié)團(tuán)聚，進(jìn)而使得固體顆粒的尺寸變粗。

綜上所述，回收漿液的過濾時間隨放置時間的延長而縮短的原因為：當(dāng)回收漿液放置0~24 h 時，隨著放置時間的延長，濾渣粒徑變粗，濾渣層孔隙連通性和迂曲度得到改善[15]，使得濾液運(yùn)遷的路徑顯著增多以及濾液通過濾渣層孔道的阻力減少，從而縮短了過濾時間。另外，回收漿液中濾液含量隨放置時間的延長而降低，也會導(dǎo)致過濾時間縮短。而當(dāng)回收漿液放置24 h 后，回收漿液中大部分膠凝材料已水化完全，使得此時回收漿液成分處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，濾液含量及濾渣層微觀結(jié)構(gòu)特性變化較小，過濾時間縮短不再顯著，這與回收漿液含固量、密度及pH 值隨放置時間變化的規(guī)律相一致。

2.6 不同放置時間回收漿液固體顆粒的礦物組成（見圖4）

圖4 不同放置時間回收漿液固體顆粒及J-12h 試樣的XRD 圖譜

由圖4 中F-0h 至F-24h 的圖譜對比可知，新鮮回收漿液固體顆粒中含有未水化的C3S 及C2S，隨著放置時間的延長，C3S 及C2S 的衍射峰強(qiáng)度不斷減少，而AFt 及C-S-H 的衍射峰強(qiáng)度不斷增大。這表明新鮮回收漿液具備一定的活性，且隨著放置時間的延長，其活性將逐漸降低。另外，當(dāng)回收漿液放置24 h 時，C3S 及C2S 的衍射峰強(qiáng)度不再明顯，說明此時回收漿液中大多數(shù)水泥已水化完全，此后因水泥水化導(dǎo)致回收漿液理化特性的變化不再顯著。

J-12h 試樣中出現(xiàn)了氫氧化鈣（CH），但F-0h、F-4h、F-8h、F-12h 及F-24h 試樣中均未出現(xiàn)氫氧化鈣，結(jié)合回收漿液的pH 值隨放置時間的延長而增大的現(xiàn)象，表明新鮮回收漿液試樣中的Ca2+與OH-的濃度未超過氫氧化鈣的溶解度并達(dá)到一定的過飽和度，氫氧化鈣并未沉淀析出[16-18]。其原因是，回收漿液試樣中水含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于凈漿試樣，使得氫氧化鈣濃度達(dá)到過飽和度時所需的Ca2+與OH-含量顯著增多，而回收漿液中膠凝材料溶解提供的離子數(shù)量有限，導(dǎo)致回收漿液試樣中氫氧化鈣濃度很難達(dá)到氫氧化鈣沉淀結(jié)晶時所需的過飽和度，氫氧化鈣難以結(jié)晶沉淀。

3 結(jié) 論

（1）放置0~24 h 是回收漿液理化特性變化的主要階段，放置24 h 后其理化特性變化不再顯著并逐漸趨于穩(wěn)定。

（2）回收漿液的含固量、密度及pH 值隨著放置時間的延長而增大，過濾時間及活性則隨著放置時間的延長而減小。

（3）隨著放置時間的延長，回收漿液固體顆粒粒徑分布范圍變廣，小粒徑顆粒占比降低，大粒徑顆粒占比升高。

（4）新鮮回收漿液中Ca2+與OH-的濃度未超過氫氧化鈣的溶解度并達(dá)到一定的過飽和度，氫氧化鈣并未沉淀析出。