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(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 引言

2020年9月，我國(guó)明確提出于2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與2060年前碳中和的目標(biāo)[1]，基于雙碳大趨勢(shì)背景下，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，提高建材廢物利用率具有重要意義。未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間，建筑行業(yè)的主要原材料依舊是混凝土。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年，我國(guó)混凝土年產(chǎn)量達(dá)到32.93億m3，這意味著我國(guó)每年混凝土攪拌站會(huì)產(chǎn)生巨量廢水，并且廢水量隨著混凝土產(chǎn)量的增長(zhǎng)而逐年增加。有數(shù)據(jù)表明，生產(chǎn)量50萬(wàn)m3/a的混凝土攪拌站所產(chǎn)生的攪拌站廢水高達(dá)77300m3/a；生產(chǎn)量20萬(wàn)m3/a的混凝土攪拌站產(chǎn)生的攪拌站廢水可達(dá)10950m3/a；生產(chǎn)量120萬(wàn)m3/a的攪拌站清洗設(shè)備所生成的攪拌站廢水達(dá)到21160 m3/a[2]。總的來(lái)說(shuō)，攪拌站廢水的利用價(jià)值主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)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(fèi)，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(fù)雜不定，直接排放不僅會(huì)造成資源浪費(fèi)，還會(huì)污染土壤和水源。充分利用攪拌站廢水不僅避免了復(fù)雜的廢水排出處理流程，實(shí)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(duì)于混凝土攪拌站廢水的處理與再利用，一些學(xué)者已經(jīng)做了一部分研究。李小玲等[3]通過(guò)改變攪拌站廢水摻量，研究了廢水的使用對(duì)凈漿流動(dòng)度以及膠砂強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)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(duì)各工藝進(jìn)行了對(duì)比與綜合分析。姚源等[5]通過(guò)改變廢水取代量，研究了不同廢水摻量對(duì)C10～C60混凝土的坍落度以及擴(kuò)展度的影響。江羽[6]以廢水存放時(shí)間為變量，研究了廢水存放時(shí)間對(duì)混凝土拌合物性能的影響。陸大勇[7]研究了廢水存放時(shí)間以及廢水存放量對(duì)混凝土抗碳化、抗凍融、抗硫酸鹽侵蝕的影響。周小強(qiáng)[8]研究了高濃度混凝土攪拌站廢水的使用對(duì)高強(qiáng)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(guò)改變廢水取代率，研究了廢水摻入率對(duì)C30～C50混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的影響，并確定了各強(qiáng)度混凝土最佳廢水取代率區(qū)間。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

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

表1 混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)檢測(cè)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(lái)水，pH為6.8。

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)C30～C50配合比設(shè)計(jì)，按照取代率(0、20%、40%、60%、80%)對(duì)C30、C40、C50混凝土各設(shè)置5組試驗(yàn)組，共15組試驗(yàn)組。對(duì)各材料按照配合比換算稱(chēng)量，所得試塊在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d。試驗(yàn)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(qiáng)度測(cè)定參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2019)，試塊制作如圖2所示，圖2(a)是對(duì)制作好的試塊覆膜養(yǎng)護(hù)，1 d后拆模，圖2(b)是將拆模后的試塊放于養(yǎng)護(hù)室標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d。

(a)試件制備

(b)試件養(yǎng)護(hù)圖2 試塊制作與養(yǎng)護(hù)

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(yàn)組，順時(shí)針依次為廢水取代率40%、60%、80%的試驗(yàn)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(duì)水中不溶物的測(cè)定，對(duì)各水樣抽濾后烘干處理，右下角為取代率20%的試驗(yàn)組，順時(shí)針?lè)较蛞来螢槿〈?0%、60%、80%的試驗(yàn)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(yàn)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(cè)定

(b)不溶物含量測(cè)定圖3 氯化物與不溶物含量的測(cè)定

1.3 配合比設(shè)計(jì)

配合比設(shè)計(jì)依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55-2011)，本文共設(shè)置15個(gè)試驗(yàn)組，組別編號(hào)前半部分代表混凝土強(qiáng)度，后半部分?jǐn)?shù)字代表廢水取代率，具體配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 配合比設(shè)計(jì)kg/m3組別自來(lái)水廢水水泥粉煤灰細(xì)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(yàn)結(jié)果分析

2.1 混凝土廢水摻入使混凝土強(qiáng)度存在差異性

每個(gè)試驗(yàn)組進(jìn)行4個(gè)試塊強(qiáng)度測(cè)試，混凝土各試驗(yàn)組試塊強(qiáng)度如表3所示，從表3可以看出，除了對(duì)照組以外，每個(gè)試驗(yàn)組中，均會(huì)有個(gè)別數(shù)據(jù)存在一定偏差。

如表3所示，除對(duì)照組外，摻入廢水的混凝土試塊強(qiáng)度值都存在一定波動(dòng)，存在波動(dòng)的數(shù)據(jù)與同組數(shù)據(jù)差異較大，如C50-40試驗(yàn)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(qiáng)度損失了12.9%。從試驗(yàn)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(qiáng)度損失，也有少部分試驗(yàn)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(yàn)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(qiáng)度值N/m2組別立方體抗壓強(qiáng)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(yàn)結(jié)果表明，廢水的摻入使得混凝土強(qiáng)度存在差異性，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)一方面是因?yàn)閿嚢枵緩U水成分復(fù)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(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的差異性。

2.2 混凝土廢水摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

混凝土立方體抗壓強(qiáng)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(qiáng)度出現(xiàn)一定的差異性，本文對(duì)差異較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，得到廢水摻量與混凝土強(qiáng)度之間的關(guān)系。從圖3可以看出，3種等級(jí)的混凝土強(qiáng)度隨廢水摻量增加均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，以未摻入廢水的試驗(yàn)組為參照，只有C30混凝土試驗(yàn)組，60%取代率與80%取代率強(qiáng)度低于對(duì)照組，其余試驗(yàn)組強(qiáng)度相對(duì)于未摻入廢水的對(duì)照組而言，均有所提升。

圖3 混凝土廢水摻量對(duì)混凝土強(qiáng)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(qiáng)度的增強(qiáng)提升效果相對(duì)減緩，取代率由0提升至40%，混凝土強(qiáng)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(qiáng)度開(kāi)始下降，由33.5 MPa降低為30.9、27.3 MPa。摻入廢水對(duì)C50混凝土強(qiáng)度的提升有比較明顯的效果，且高廢水摻量對(duì)其強(qiáng)度未造成損失，隨著廢水取代率由0提升至40%，混凝土強(qiáng)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(qiáng)度由60.8 MPa下降為57.16、56.3 MPa，強(qiáng)度有一定程度的下降，但是下降趨勢(shì)不明顯，且遠(yuǎn)高于未摻入廢水的試塊強(qiáng)度。廢水對(duì)C40混凝土強(qiáng)度的提升效果處于二者中間?；炷翉?qiáng)度隨廢水取代率呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)，對(duì)于C30～C50各試驗(yàn)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(huì)對(duì)混凝土孔隙進(jìn)行填充，提高了混凝土的密實(shí)性，這些都會(huì)給混凝土的抗壓強(qiáng)度帶來(lái)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(huì)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(qiáng)度降低。

3 結(jié)論

1)從研究數(shù)據(jù)來(lái)看，混凝土中摻入攪拌站廢水后其指標(biāo)符合混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)。

2)混凝土攪拌站的廢水摻入使用，會(huì)造成混凝土強(qiáng)度具離散性，導(dǎo)致同一條件下混凝土強(qiáng)度存在較大差異。這個(gè)問(wèn)題產(chǎn)生的原因是混凝土攪拌站廢水成分較為復(fù)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(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度有積極影響，本文通過(guò)試驗(yàn)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(qiáng)度等級(jí)的提升，廢水摻入對(duì)混凝土強(qiáng)度增強(qiáng)效果更顯著；廢水摻入對(duì)C50強(qiáng)度等級(jí)試驗(yàn)組增強(qiáng)效果比較明顯，C40試驗(yàn)組次之，對(duì)C30試驗(yàn)，有增強(qiáng)效果，但增強(qiáng)幅度不明顯。