混凝土搅拌站废水掺入率对混凝土强度的影响研究

时间：2024-07-28

徐锋, 赵鹏鹏, 王维, 张培成, 黄靓, 陈盟东

(1.中建铁投建筑工程有限公司，北京 102600； 2.湖南大学土木工程学院，湖南长沙 410012)

0 引言

2020年9月，我国明确提出于2030年前实现碳达峰与2060年前碳中和的目标[1]，基于双碳大趋势背景下，大力发展循环经济，提高建材废物利用率具有重要意义。未来很长一段时间，建筑行业的主要原材料依旧是混凝土。据统计，2021年，我国混凝土年产量达到32.93亿m3，这意味着我国每年混凝土搅拌站会产生巨量废水，并且废水量随着混凝土产量的增长而逐年增加。有数据表明，生产量50万m3/a的混凝土搅拌站所产生的搅拌站废水高达77300m3/a；生产量20万m3/a的混凝土搅拌站产生的搅拌站废水可达10950m3/a；生产量120万m3/a的搅拌站清洗设备所生成的搅拌站废水达到21160 m3/a[2]。总的来说，搅拌站废水的利用价值主要体现在以下两个方面：一方面，利用搅拌站产量巨大的废水，可以在一定程度上减少水资源浪费，起到节约用水的目的，缓解用水压力；另一方面，废水成分复杂不定，直接排放不仅会造成资源浪费，还会污染土壤和水源。充分利用搅拌站废水不仅避免了复杂的废水排出处理流程，实现零污染、零排放的目的，还可以节约成本，创造效益。

对于混凝土搅拌站废水的处理与再利用，一些学者已经做了一部分研究。李小玲等[3]通过改变搅拌站废水掺量，研究了废水的使用对净浆流动度以及胶砂强度、凝结时间、安定性的影响。陈洋等[4]以金沙江白鹤水电站为例，研究了混凝土搅拌站冲洗废水处理工艺，并对各工艺进行了对比与综合分析。姚源等[5]通过改变废水取代量，研究了不同废水掺量对C10～C60混凝土的坍落度以及扩展度的影响。江羽[6]以废水存放时间为变量，研究了废水存放时间对混凝土拌合物性能的影响。陆大勇[7]研究了废水存放时间以及废水存放量对混凝土抗碳化、抗冻融、抗硫酸盐侵蚀的影响。周小强[8]研究了高浓度混凝土搅拌站废水的使用对高强度混凝土微观裂缝的影响。本文采用搅拌站废水为原材料，通过改变废水取代率，研究了废水掺入率对C30～C50混凝土立方体抗压强度的影响，并确定了各强度混凝土最佳废水取代率区间。

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

1)水泥：采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰：湖南长沙某电厂的Ⅱ级粉煤灰；粗骨料：卵石，粒径5～26 mm，符合连续级配要求；细骨料：天然河砂，含水量8%。

表1 混凝土用水标准指标检测结果mg/L组别pH值不溶物可溶物Cl-含量SO2-4含量碱含量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规范要求≥4.5≤2 000≤5 000≤1 000≤2 000≤1 500

6)水：采用该搅拌站自来水，pH为6.8。

1.2 试验方法

根据C30～C50配合比设计，按照取代率(0、20%、40%、60%、80%)对C30、C40、C50混凝土各设置5组试验组，共15组试验组。对各材料按照配合比换算称量，所得试块在标准条件下养护28 d。试验流程如图1所示。

图1 废水处理流程

混凝土的试块制作与混凝土的强度测定参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2019)，试块制作如图2所示，图2(a)是对制作好的试块覆膜养护，1 d后拆模，图2(b)是将拆模后的试块放于养护室标准条件下养护28d。

(a)试件制备

(b)试件养护图2 试块制作与养护

图3(a)为氯化物硝酸盐滴定后产生沉淀的状况，左下角锥形瓶为取代率为20%的试验组，顺时针依次为废水取代率40%、60%、80%的试验组，从图中可以看出，随着废水取代率提高，产生的沉淀量逐渐增加，图3(b)是对水中不溶物的测定，对各水样抽滤后烘干处理，右下角为取代率20%的试验组，顺时针方向依次为取代率40%、60%、80%的试验组，由于不溶物在滤纸上堆积，除了取代率为20%明显较少以外，从图中难以看出各试验组不溶物量的规律，从表1数据可知，不溶物含量与废水取代率呈正相关。

(a)Cl-含量的测定

(b)不溶物含量测定图3 氯化物与不溶物含量的测定

1.3 配合比设计

配合比设计依据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55-2011)，本文共设置15个试验组，组别编号前半部分代表混凝土强度，后半部分数字代表废水取代率，具体配合比设计见表2。

表2 配合比设计kg/m3组别自来水废水水泥粉煤灰细骨料粗骨料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 试验结果分析

2.1 混凝土废水掺入使混凝土强度存在差异性

每个试验组进行4个试块强度测试，混凝土各试验组试块强度如表3所示，从表3可以看出，除了对照组以外，每个试验组中，均会有个别数据存在一定偏差。

如表3所示，除对照组外，掺入废水的混凝土试块强度值都存在一定波动，存在波动的数据与同组数据差异较大，如C50-40试验组，该组数据在60 N/m2左右，但该组数据中存在52.9 N/m2，比正常数据强度损失了12.9%。从试验数据可知，大部分差异性较大的数据都较同组数据产生了强度损失，也有少部分试验组中，差异性较大的数据较同组数据有一定程度的提升，例如C50-80试验中，该组数据在56 N/m2左右，但存在62.3 N/m2数据，比正常数据高出9.6%。

表3 立方体抗压强度值N/m2组别立方体抗压强度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

试验结果表明，废水的掺入使得混凝土强度存在差异性，这种现象的出现一方面是因为搅拌站废水成分复杂，其组分存在不确定性，另一方面，搅拌站废水中，存在的活性颗粒、外加剂等分布不均匀，也会导致混凝土强度的差异性。

2.2 混凝土废水掺量对混凝土强度的影响

混凝土立方体抗压强度随搅拌站废水掺量的变化如图3所示，由于废水的掺入，使得混凝土强度出现一定的差异性，本文对差异较大的数据进行剔除，得到废水掺量与混凝土强度之间的关系。从图3可以看出，3种等级的混凝土强度随废水掺量增加均呈现出先上升后下降的趋势，以未掺入废水的试验组为参照，只有C30混凝土试验组，60%取代率与80%取代率强度低于对照组，其余试验组强度相对于未掺入废水的对照组而言，均有所提升。

图3 混凝土废水掺量对混凝土强度的影响

从图3可以看出，随着搅拌站废水取代率提高，C30混凝土强度的增强提升效果相对减缓，取代率由0提升至40%，混凝土强度由32.6 MPa逐渐升高至32.9、33.5 MPa，随着取代率由40%变为80%，混凝土强度开始下降，由33.5 MPa降低为30.9、27.3 MPa。掺入废水对C50混凝土强度的提升有比较明显的效果，且高废水掺量对其强度未造成损失，随着废水取代率由0提升至40%，混凝土强度由51.8 MPa升高至58.5、60.8 MPa；随着废水取代率由40%提升至80%，其强度由60.8 MPa下降为57.16、56.3 MPa，强度有一定程度的下降，但是下降趋势不明显，且远高于未掺入废水的试块强度。废水对C40混凝土强度的提升效果处于二者中间。混凝土强度随废水取代率呈现先增长后下降的趋势，对于C30～C50各试验组而言，其峰值均表现在废水取代率为40%左右，故C30～C50混凝土用水中废水掺量的最佳取代区间为30%～50%。

搅拌站废水中存在未完全水化的活性颗粒(水泥、粉煤灰等)，这些未完全发生水化的活性成分为混凝土提供了更多的胶凝材料，提高了黏结性能；此外，废水中已经发生水化的成分会对混凝土孔隙进行填充，提高了混凝土的密实性，这些都会给混凝土的抗压强度带来一定提升。随着废水掺量提升，废水中已经发生水化的颗粒含量会更多，它们附着于骨料表面，降低了骨料与水泥净浆的黏结能力，造成混凝土强度降低。