混凝土废浆水对C30混凝土性能的影响

时间：2024-09-30

黑金龙，宋学锋，梁丽敏

（1. 西安建筑科技大学材料与矿资学院，陕西西安 710055；2. 云南建投绿色高性能混凝土股份有限公司，云南昆明 650501）

预拌混凝土搅拌站一直被认为是“脏、乱、差”的企业，在生产混凝土过程中，不断产生废水、废渣和噪音等污染，与城市生态环境友好发展相背离，使得商品混凝土领域的发展面临着新的挑战。据行业长期数据统计，每生产 1 方混凝土将平均产生 40kg 的废渣、废料，产生 0.1 方的废浆水。废渣废料大多搅拌站通过砂石分离机分离后回收利用，废浆水的处理就显得比较困难[1]。如果对废浆水不进行处理，则全国搅拌站每年将产生 1.79 亿方的废浆水，这是一个非常惊人的数量。

为贯彻落实《绿色建筑行动方案》（国办发[2013]1 号）文件精神，目前全国各地已着手建设绿色混凝土搅拌站，成为继预拌混凝土、散装水泥、预拌砂浆“三位一体”城市散装水泥发展格局之后的一大创举，其中混凝土废浆水的处理是制约混凝土行业绿色健康发展的一大难题。本文就混凝土废浆水掺入 C30 混凝土中对混凝土性能影响做了初步研究，为混凝土废浆水的循环利用提供一定的参考。

1 试验

1.1 原材料

（1）混凝土废浆水选用云南建投曲靖建材金龙搅拌站混凝土沉淀池。

（2）水泥选用曲靖雄业水泥厂的 P·O42.5水泥，性能指标见表1。

（3）粉煤灰选用泉恩Ⅱ级粉煤灰，为电厂分选灰，细度 12.5%，需水量比 99%。

（4）粗骨料选用尖脑子石场，5～31.5mm 连续级配，含泥量 0.3%，针片状含量 4%，压碎指标 8.6%。

（5）细集料选用尖脑子石场细度模数为 2.9 的Ⅱ区中砂，石粉含量 6.7%，MB 值 1.3。

（6）外加剂使用云南建投高分子公司高性能聚羧酸减水剂，固含量 10%，减水率 28.6%。

表1 水泥性能指标

1.2 试验方法

（1）混凝土废浆水澄清液的 pH 值、不溶物、可溶物、氯化物、硫酸盐含量、碱含量等按照 JGJ 63—2006《混凝土用水标准》进行检测。

（2）混凝土废浆水干粉化学分析按照 GB/T 176—2008《水泥化学分析方法》进行检测。

（3）混凝土废浆水固含量与密度关系用表观密度检测方法进行检测[2]。

（4）混凝土工作性能、力学性能和耐久性能分别按照 GB/T 50080—2011《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》和 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》的平板法早期抗裂试验进行检测。

1.3 配合比

混凝土废浆水主要是由混凝土搅拌站清洗罐车的浆水、清洗搅拌机的浆水和剩余混凝土分离后的浆水等组成，组分主要是水、胶凝材料、砂石料经分离后粒径小于 0.08mm 的石粉和少量泥粉（亚甲蓝试验合格）。研究分别将 0%、20%、40%、60%、80% 和 100% 的混凝土废浆水掺入 C30 混凝土中，观察对混凝土工作性能、力学性能和早期抗裂性能的影响规律，确定混凝土废浆水用于混凝土中的最佳掺量和用量范围。

混凝土废浆水中固体含量主要是各种粉体材料，混凝土需水量随着粉料比表面积增大而增加。试验过程中混凝土废浆水的固体含量等量替代机制砂，所含水分等量替代用水量[3]。试验采用 C30 混凝土作为基准配方，其中单方混凝土中掺入的废浆固体含量分别为 0kg、2.5kg、5kg、7.5kg、10kg、12.5kg，试验要求初始坍落度控制在 (200±20)mm。混凝土配合比见表2。

表2 配合比 kg/m3

2 试验结果与讨论

2.1 混凝土废浆水的性能指标

混凝土废浆水澄清液检测结果见表3。根据表3 的检测结果显示，混凝土废浆水澄清液 pH 值为 13.3，呈强碱性，未检出不溶物，可溶物、氯化物、硫酸盐含量、碱含量等检测结果完全满足 JGJ 63—2006《混凝土用水标准》的要求，可用于混凝土的生产拌制。

混凝土废浆干粉的化学成分分析见表4，根据表4内容判断混凝土废浆干粉均来自于混凝土中各种原材料，掺入混凝土中不会影响对混凝土的正常水化反应。

表3 混凝土废浆水澄清液性能指标

表4 混凝土废浆干粉成分分析 %

试验证明，混凝土废浆水经沉淀烘干后为块状固体，若在试验中将固体干粉根据重量掺入混凝土中，固体干粉不能均匀快速分散，对混凝土工作性能影响较大。为准确模拟混凝土废浆水在固液混合的浆体状态下对混凝土性能的影响，对混凝土废浆水固含量和废浆水密度在不同时段取样测试，洗车高峰期的混凝土废浆水含固量可达 10%～13%，洗车低谷期最小只有0.5%～3%，生产情况下一般在 4%～8% 之间，据此作混凝土废浆水固含量与密度关系图，如图1 所示。

图1 混凝土废浆水固含量与密度的关系图

经过线性拟合可知废浆的密度和固含量呈线性关系，表达式为：

式中：ρ——混凝土废浆水密度，kg/m3；

w——混凝土废浆水固含量，即混凝土废浆

水中固体颗粒的含量，%；

r——相关系数。

本试验采用混凝土废浆水的密度为 1053kg/m3，由式 (1) 计算得出，含固量应为 7.5%。

2.2 混凝土废浆水对 C30 混凝土常规性能的影响

单方混凝土中掺入的废浆固体含量分别为 0kg、2.5kg、5kg、7.5kg、10kg、12.5kg 的各项性能检测结果如表5。

图2 和图3 为不同掺量混凝土废浆水掺入 C30 混凝土中，混凝土坍落度和扩展度的状况。随着混凝土废浆水掺入量的增加，混凝土废浆水掺量不超过 60% 时，混凝土坍落度、扩展度几乎无变化，混凝土工作性能略有改善；当混凝土废浆水掺量超过 60% 时，工作性有明显下降。

根据图2 和图3 可以明显看出，当混凝土废浆水掺量不超过 60% 时，混凝土 30min 和 60min 的坍落度和扩展度规律一致，说明混凝土废浆水对混凝土工作性影响较小。掺量超过 60% 时，60min 混凝土的坍落度和扩展度损失非常明显，可能是混凝土废浆水为强碱性，影响了外加剂在混凝土中的效果，同时废浆水中的颗粒对外加剂的吸附作用强，降低了混凝土的工作性能[4]。

表5 掺不同掺量废浆水 C30 混凝土各项性能检测结果

图2 掺不同量废浆水后混凝土坍落度

图3 掺不同量废浆水后混凝土扩展度

通过将不同掺量的混凝土废浆水掺入混凝土中，观察混凝土强度发展可以定性分析废浆水在水泥水化过程中所起的作用。强度发展情况见图4。

随着单方混凝土废浆水掺量从 0% 增加到 40%，混凝土早期强度有 5% 的提高（掺量为 20% 的配方 3d 强度有异常），28d 强度基本持平；掺量超过 60% 时，混凝土早期强度下降 2%～5%；掺量达到 80% 时，早期强度与 60% 掺量时接近，28d 强度下降 10%，下降明显；单方掺量 100% 时，混凝土 28d 强度下降约 1 个等级。

图4 C30 混凝土掺不同量混凝土废浆水的强度情况

当混凝土废浆水掺量不超过 60% 时，混凝土强度略有增长，可能是混凝土废浆水有一定的活性，同时废浆水中的颗粒作为填充物填充了混凝土中的孔隙，一定程度上增加了混凝土的密实性。当掺量超过 60% 时混凝土强度出现明显下降趋势，可能是混凝土废浆水的活性较低，同时混凝土中废浆水量过多会导致混凝土颗粒间、水泥砂浆与石子间的粘结力下降，降低了混凝土强度[5]。

2.3 混凝土废浆水对混凝土早期抗裂性能的影响

采用混凝土平板法抗裂试验，C30 等级混凝土掺不同用量的混凝土废浆水，对混凝土拌合物塑性裂缝出现的时间、最大裂缝宽度和总开裂面积进行测量，试验结果见图5～7 及表6。

混凝土中掺入废浆水对混凝土早期抗裂性能有一定的影响，试验表明当混凝土废浆水掺量不超过 60%时，混凝土裂缝发生时间略有提前，开裂面积略有增加，但抗裂性能属于同一级别；当掺量超过 60% 时，开裂时间同样提前，开裂面积增大明显，抗裂等级降低一个等级。

随着废浆水掺量的增加，塑性裂缝出现的时间越来越短，最大裂缝的宽度越来越大，开裂面积越来越大。废浆水的加入在一定程度上加剧了混凝土的塑性开裂，在混凝土的施工过程中，要更加重视混凝土的保水养护，及时进行二次抹面。

图5 掺量为 0% 和 20% 的最大裂缝宽度

图6 掺量为 40% 和 60% 的最大裂缝宽度

图7 掺量为 80% 和 100% 的最大裂缝宽度

表6 C30 混凝土早期抗裂性能检测表

混凝土塑性开裂伴随混凝土的凝结的整个过程。混凝土的水胶比及原材料等参数对混凝土的塑性开裂有重要的影响，这些参数主要影响新拌混凝土的塑性状态和水泥水化进程。废水的 pH 值较高，且含有一定的固体颗粒，必然带来混凝土的收缩变大，造成混凝土塑性开裂。只有了解搅拌站废水使用过程中塑性开裂的特点，才能采取有效的措施控制裂缝[6]。