混凝土攪拌站廢水摻入率對混凝土強度的影響研究

徐 鋒, 趙鵬鵬, 王 維, 張培成, 黃 靚, 陳盟東

(1.中建鐵投建筑工程有限公司，北京 102600； 2.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410012)

0 引言

2020年9月，我國明確提出于2030年前實現(xiàn)碳達峰與2060年前碳中和的目標[1]，基于雙碳大趨勢背景下，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，提高建材廢物利用率具有重要意義。未來很長一段時間，建筑行業(yè)的主要原材料依舊是混凝土。據(jù)統(tǒng)計，2021年，我國混凝土年產(chǎn)量達到32.93億m3，這意味著我國每年混凝土攪拌站會產(chǎn)生巨量廢水，并且廢水量隨著混凝土產(chǎn)量的增長而逐年增加。有數(shù)據(jù)表明，生產(chǎn)量50萬m3/a的混凝土攪拌站所產(chǎn)生的攪拌站廢水高達77300m3/a；生產(chǎn)量20萬m3/a的混凝土攪拌站產(chǎn)生的攪拌站廢水可達10950m3/a；生產(chǎn)量120萬m3/a的攪拌站清洗設備所生成的攪拌站廢水達到21160 m3/a[2]?？偟膩碚f，攪拌站廢水的利用價值主要體現(xiàn)在以下兩個方面：一方面，利用攪拌站產(chǎn)量巨大的廢水，可以在一定程度上減少水資源浪費，起到節(jié)約用水的目的，緩解用水壓力；另一方面，廢水成分復雜不定，直接排放不僅會造成資源浪費，還會污染土壤和水源。充分利用攪拌站廢水不僅避免了復雜的廢水排出處理流程，實現(xiàn)零污染、零排放的目的，還可以節(jié)約成本，創(chuàng)造效益。

對于混凝土攪拌站廢水的處理與再利用，一些學者已經(jīng)做了一部分研究。李小玲等[3]通過改變攪拌站廢水摻量，研究了廢水的使用對凈漿流動度以及膠砂強度、凝結(jié)時間、安定性的影響。陳洋等[4]以金沙江白鶴水電站為例，研究了混凝土攪拌站沖洗廢水處理工藝，并對各工藝進行了對比與綜合分析。姚源等[5]通過改變廢水取代量，研究了不同廢水摻量對C10～C60混凝土的坍落度以及擴展度的影響。江羽[6]以廢水存放時間為變量，研究了廢水存放時間對混凝土拌合物性能的影響。陸大勇[7]研究了廢水存放時間以及廢水存放量對混凝土抗碳化、抗凍融、抗硫酸鹽侵蝕的影響。周小強[8]研究了高濃度混凝土攪拌站廢水的使用對高強度混凝土微觀裂縫的影響。本文采用攪拌站廢水為原材料，通過改變廢水取代率，研究了廢水摻入率對C30～C50混凝土立方體抗壓強度的影響，并確定了各強度混凝土最佳廢水取代率區(qū)間。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

1)水泥：采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰：湖南長沙某電廠的Ⅱ級粉煤灰；粗骨料：卵石，粒徑5～26 mm，符合連續(xù)級配要求；細骨料：天然河砂，含水量8%。

表1 混凝土用水標準指標檢測結(jié)果mg/L組別pH值不溶物可溶物Cl-含量SO2-4含量堿含量1(20%)10.83670025.0316.4671.92(40%)11.441899050.0530.87146.83(60%)11.57961 33070.0741.16217.64(80%)11.79482 45095.1151.45291.4規(guī)范要求≥4.5≤2 000≤5 000≤1 000≤2 000≤1 500

6)水：采用該攪拌站自來水，pH為6.8。

1.2 試驗方法

根據(jù)C30～C50配合比設計，按照取代率(0、20%、40%、60%、80%)對C30、C40、C50混凝土各設置5組試驗組，共15組試驗組。對各材料按照配合比換算稱量，所得試塊在標準條件下養(yǎng)護28 d。試驗流程如圖1所示。

圖1 廢水處理流程

混凝土的試塊制作與混凝土的強度測定參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2019)，試塊制作如圖2所示，圖2(a)是對制作好的試塊覆膜養(yǎng)護，1 d后拆模，圖2(b)是將拆模后的試塊放于養(yǎng)護室標準條件下養(yǎng)護28d。

(a)試件制備

(b)試件養(yǎng)護圖2 試塊制作與養(yǎng)護

圖3(a)為氯化物硝酸鹽滴定后產(chǎn)生沉淀的狀況，左下角錐形瓶為取代率為20%的試驗組，順時針依次為廢水取代率40%、60%、80%的試驗組，從圖中可以看出，隨著廢水取代率提高，產(chǎn)生的沉淀量逐漸增加，圖3(b)是對水中不溶物的測定，對各水樣抽濾后烘干處理，右下角為取代率20%的試驗組，順時針方向依次為取代率40%、60%、80%的試驗組，由于不溶物在濾紙上堆積，除了取代率為20%明顯較少以外，從圖中難以看出各試驗組不溶物量的規(guī)律，從表1數(shù)據(jù)可知，不溶物含量與廢水取代率呈正相關(guān)。

(a)Cl-含量的測定

(b)不溶物含量測定圖3 氯化物與不溶物含量的測定

1.3 配合比設計

配合比設計依據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程》(JGJ 55-2011)，本文共設置15個試驗組，組別編號前半部分代表混凝土強度，后半部分數(shù)字代表廢水取代率，具體配合比設計見表2。

表2 配合比設計kg/m3組別自來水廢水水泥粉煤灰細骨料粗骨料C30-00217.50348877201 080C30-2017443.5348877201 080C30-40130.587348877201 080C30-6087130.5348877201 080C30-8043.5174348877201 080C40-001680353815581 242C40-20134.433.6353815581 242C40-40100.867.2353815581 242C40-6067.2100.8353815581 242C40-8033.6134.4353815581 242C50-002050492935621 195C50-2016441492935621 195C50-4012382492935621 195C50-6082123492935621 195C50-8041164492935621 195

2 試驗結(jié)果分析

2.1 混凝土廢水摻入使混凝土強度存在差異性

每個試驗組進行4個試塊強度測試，混凝土各試驗組試塊強度如表3所示，從表3可以看出，除了對照組以外，每個試驗組中，均會有個別數(shù)據(jù)存在一定偏差。

如表3所示，除對照組外，摻入廢水的混凝土試塊強度值都存在一定波動，存在波動的數(shù)據(jù)與同組數(shù)據(jù)差異較大，如C50-40試驗組，該組數(shù)據(jù)在60 N/m2左右，但該組數(shù)據(jù)中存在52.9 N/m2，比正常數(shù)據(jù)強度損失了12.9%。從試驗數(shù)據(jù)可知，大部分差異性較大的數(shù)據(jù)都較同組數(shù)據(jù)產(chǎn)生了強度損失，也有少部分試驗組中，差異性較大的數(shù)據(jù)較同組數(shù)據(jù)有一定程度的提升，例如C50-80試驗中，該組數(shù)據(jù)在56 N/m2左右，但存在62.3 N/m2數(shù)據(jù)，比正常數(shù)據(jù)高出9.6%。

表3 立方體抗壓強度值N/m2組別立方體抗壓強度C30-0032.931.232.833.5C30-2025.432.731.934.2C30C30-4034.129.533.932.4C30-6030.424.930.831.7C30-8029.525.633.426.6C40-0043.542.341.942.8C40-2042.643.744.242.4C40C40-4049.142.348.643.9C40-6047.140.246.848.3C40-8042.644.741.743.4C50-0051.351.952.451.5C50-2052.757.459.958.2C50C50-4061.759.661.352.9C50-6057.856.146.157.6C50-8056.762.356.155.9

試驗結(jié)果表明，廢水的摻入使得混凝土強度存在差異性，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)一方面是因為攪拌站廢水成分復雜，其組分存在不確定性，另一方面，攪拌站廢水中，存在的活性顆粒、外加劑等分布不均勻，也會導致混凝土強度的差異性。

2.2 混凝土廢水摻量對混凝土強度的影響

混凝土立方體抗壓強度隨攪拌站廢水摻量的變化如圖3所示，由于廢水的摻入，使得混凝土強度出現(xiàn)一定的差異性，本文對差異較大的數(shù)據(jù)進行剔除，得到廢水摻量與混凝土強度之間的關(guān)系。從圖3可以看出，3種等級的混凝土強度隨廢水摻量增加均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，以未摻入廢水的試驗組為參照，只有C30混凝土試驗組，60%取代率與80%取代率強度低于對照組，其余試驗組強度相對于未摻入廢水的對照組而言，均有所提升。

圖3 混凝土廢水摻量對混凝土強度的影響

從圖3可以看出，隨著攪拌站廢水取代率提高，C30混凝土強度的增強提升效果相對減緩，取代率由0提升至40%，混凝土強度由32.6 MPa逐漸升高至32.9、33.5 MPa，隨著取代率由40%變?yōu)?0%，混凝土強度開始下降，由33.5 MPa降低為30.9、27.3 MPa。摻入廢水對C50混凝土強度的提升有比較明顯的效果，且高廢水摻量對其強度未造成損失，隨著廢水取代率由0提升至40%，混凝土強度由51.8 MPa升高至58.5、60.8 MPa；隨著廢水取代率由40%提升至80%，其強度由60.8 MPa下降為57.16、56.3 MPa，強度有一定程度的下降，但是下降趨勢不明顯，且遠高于未摻入廢水的試塊強度。廢水對C40混凝土強度的提升效果處于二者中間?；炷翉姸入S廢水取代率呈現(xiàn)先增長后下降的趨勢，對于C30～C50各試驗組而言，其峰值均表現(xiàn)在廢水取代率為40%左右，故C30～C50混凝土用水中廢水摻量的最佳取代區(qū)間為30%～50%。

攪拌站廢水中存在未完全水化的活性顆粒(水泥、粉煤灰等)，這些未完全發(fā)生水化的活性成分為混凝土提供了更多的膠凝材料，提高了黏結(jié)性能；此外，廢水中已經(jīng)發(fā)生水化的成分會對混凝土孔隙進行填充，提高了混凝土的密實性，這些都會給混凝土的抗壓強度帶來一定提升。隨著廢水摻量提升，廢水中已經(jīng)發(fā)生水化的顆粒含量會更多，它們附著于骨料表面，降低了骨料與水泥凈漿的黏結(jié)能力，造成混凝土強度降低。

3 結(jié)論

1)從研究數(shù)據(jù)來看，混凝土中摻入攪拌站廢水后其指標符合混凝土用水標準。

2)混凝土攪拌站的廢水摻入使用，會造成混凝土強度具離散性，導致同一條件下混凝土強度存在較大差異。這個問題產(chǎn)生的原因是混凝土攪拌站廢水成分較為復雜，攪拌站廢水中組分分布不均勻。

3)混凝土攪拌站廢水的使用對混凝土抗壓強度有積極影響，本文通過試驗確定了C30～C50混凝土廢水摻量的最佳取代區(qū)間為30%～50%。

4)隨著混凝土強度等級的提升，廢水摻入對混凝土強度增強效果更顯著；廢水摻入對C50強度等級試驗組增強效果比較明顯，C40試驗組次之，對C30試驗，有增強效果，但增強幅度不明顯。