搅拌站废水合理化利用

2015-12-20耿加会刘志杰李国宏

商品混凝土 2015年4期

关键词：胶砂搅拌站减水剂

耿加会，刘志杰，李国宏

（1.舞阳县惠达公路工程有限公司，河南，舞阳，462400；2.漯河市建设工程质量监督站，河南，漯河，462000）

搅拌站废水合理化利用

耿加会1，刘志杰2，李国宏1

（1.舞阳县惠达公路工程有限公司，河南，舞阳，462400；2.漯河市建设工程质量监督站，河南，漯河，462000）

随着我国混凝土绿色生产的推广，搅拌站生产时产生的废水应逐步实现资源化利用，减少废水、废渣的排放。搅拌站废水具有自身的特点，在使用过程中只有遵循其规律，方能合理化利用。笔者从生产实际出发，对废水进行大量的试验研究工作，分析其对水泥、减水剂、混凝土性能的影响。依据研究成果，提出废水合理使用掺量，供同行参考。

搅拌站废水；水泥性能；减水率；抗压强度；工作性；抗裂性；经济性

随着我国经济建设和城市化进程的加快，商品混凝土的需求量逐年增长；据有关资料显示，混凝土搅拌站生产时产生的固体废弃物和废水已成为制约企业发展的一个瓶颈问题，废水的排放，对环境造成严重的污染。

一个年产量 20万m3的混凝土企业，清洗运输、搅拌及泵送设备所产生的废水，每天可达 30m3。将废浆利用砂石分离机把砂、石分离出来，利用废水回收设备，将搅拌均匀的废水与饮用水按一定比例混合后作为混凝土拌合用水使用，使搅拌站产生的废水得到有效利用，具有重要的意义。

运输车中残留的混凝土冲洗后，粒径大于 0.15mm 的颗粒经过砂石分离机分离出去，废水中含有的细小固体颗粒主要有水泥、矿物掺合料以及砂、石多带入的粘土或淤泥颗粒及可溶性的无机盐和残留的外加剂。因此，废水是含有Ca2+、Na+、K+、OH-和 SO2-等离子和没有水化的水泥、矿物掺合料、细砂、泥土的混合水溶液。

经我公司技术人员分别对早晨 6 时、上午 11 时、下午16 时，一天检测三次。连续一个月的检测发现，洗车高峰期上午 11 时废水固含量达 10%～12%，早晨仅为 1%～3%。废水的密度为 1.04g/cm3，平均固含量为 5.4%，

1　试验所用原材料

1.1水泥

P·O42.5 水泥，密度为 3.0×103kg/m3，其他物理力学性能如表 1。

表1　水泥的物理与力学性能

1.2矿物掺合料

粉煤灰：Ⅱ 级粉煤灰，密度为 2.2×103kg/m3，其他性能如表 2。

1.3粗集料

5～25mm 矿山碎石，其性能指标如表 3、4。

表2　粉煤灰性能

表3　碎石性能指标

表4　碎石筛分情况

1.4细集料

河砂，细度模数 2.7，含泥量 3%，II 区中砂，筛分指标见表 5。

表5　河砂颗粒级配

1.5减水剂

脂肪族复合高效减水剂，其性能指标见表 6。

表6　减水剂性能指标

1.6混凝土拌合用水

（1）符合国家标准的饮用水，pH 值为 7.1。

（2）搅拌站废水的固含量为 5.3%，pH 值为 11.5。主要成分：水、水泥、粉煤灰、矿物掺合料、小于 0.15mm 的细砂粉及少许的含泥量（亚甲蓝试验合格）。废水固体成分分析见表 7。

表7　废水固体成分分析

2　搅拌站废水对水泥性能的影响

2.1搅拌站废水对水泥标准稠度用水量、凝结时间的影响

搅拌站废水中含有少量水泥水化产物 Ca(OH)2及残留的外加剂，pH 值为 11.5。将其按一定比例与饮用水混合作为混凝土拌合用水使用时，可能会影响到水泥的标准稠度用水量、凝结时间、安定性及水泥胶砂强度等。按照GB/T 1346－2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检测方法》，对废水掺量分别为 0%、20%、40%、60%、80%、100% 时，测试水泥的标准稠度用水量、凝结时间及安定性，其试验结果见表 8。

表8　搅拌站废水掺量对水泥性能的影响

由表 8 试验结果可知：搅拌站废水在不同的掺量下，水泥的安定性均合格，说明搅拌站废水没有对水泥的安定性产生不良影响。

废水对水泥的标准稠度用水量产生一定的影响，随着掺量的增加，水泥标准稠度用水量逐渐增大，废水掺量为 100%时水泥标准稠度用水量较掺量为 0% 增加了 2.3%，基本接近掺量每增加 20%，标准稠度用水量增加 0.5% 左右。

水泥的标准稠度用水量在一定程度上反应了水泥的需水量，水泥标准稠度用水量与混凝土用水量有一定的关系。在其他因素不发生变化时，水泥的标准稠度用水量增加，要达到相同的坍落度，混凝土用水量也要相应的增加。匡楚胜[1]以水泥标准稠度用水量 25% 作为标准值，得出混凝土用水量与水泥标准稠度用水量变化的经验公式：

式中：

△W——每立方米混凝土用水量变化值，kg/m3；

C——每立方米混凝土水泥用量，kg/m3；

N——水泥标准稠度用水量，%。

从公式（1）可以看出，当水泥用量为 300kg/m3时，水泥标准稠度用水量变化 0.1%，保持混凝土坍落度不变，混凝土用水量要增加 2.4kg/m3。

废水对凝结时间产生一定的影响，随着掺量的增加，初、终凝时间逐渐延长，掺量为 100% 时，初凝时间延长17min，终凝时间延长 20min。初凝与终凝时间对水泥凝结时间的影响小于 JGJ 63—2006《混凝土用水》标准规定的差值在 30min 以内，可以用作混凝土拌合水。水泥凝结时间的测定是在水灰比 0.25 左右情况下测得的，而 C30 混凝土的水胶比为 0.5 左右，大约是测定水泥凝结时间的水灰比的 2 倍，如果考虑矿物掺合料替代的水泥减少的量，再加上外加剂对混凝土凝结时间的影响，水泥凝结时间波动 30min，混凝土凝结时间将波动到 90～120min。

2.2废水对水泥胶砂强度的影响

依据 GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法 ISO法》，对废水掺量为 0%、20%、40%、60%、80%、100%时，对 3d 和 28d 水泥胶砂抗折和抗压强度进行试验，水泥胶砂配合比见表 9。

表9　不同掺量废水的水泥胶砂配合比

废水不同掺量的情况下，对 3d 和 28d 的水泥胶砂抗折强度和抗强的影响，其试验见表 10。

表10　废水对水泥胶砂强度的影响

由表 10 试验结果可知：不同掺量废水对水泥胶砂 3d、28d 抗压强度和抗折强度影响不大，各掺量下的强度值与饮用水水泥胶砂强度的比值均大于 90%，符合 JGJ 63—2006《混凝土用水》的要求指标，可以作为混凝土用水使用。

根据 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》的计算公式，碎石混凝土强度 ƒcu,0与胶凝材料 28d 胶砂强度 ƒb（可以按照水泥 28d 胶砂强度值乘以矿物掺合料的影响系数求得）存在如下关系：

从式（2）可知，当水胶比一定时，混凝土抗压强度随胶凝材料 28d 强度变化而变化，而胶凝材料 28d 胶砂强度与水泥的 28d 强度有很大的关系。若胶凝材料中粉煤灰掺量为 20%，粉煤灰的影响系数取 0.8，水泥 28d 胶砂强度变化 1MPa，则胶凝材料 28d 强度变化 0.8MPa。假设 C30 混凝土水胶比为 0.47，代入式（2），混凝土强度将变化约0.7MPa。假如水胶比为 0.3，则水泥强度波动 1MPa，混凝土强度波动约 1.2MPa。从以上分析来看废水对水泥胶砂强度影响较小，不会引起混凝土抗压强度的较大波动。

3　废水对减水剂减水率的影响

废水的 pH 值较高，并含有砂、石留下的泥粉等有害杂质，这些物质将会对减水剂带来一定的影响。根据GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》及GB 8076—2008《混凝土外加剂》，废水与饮用水对不同种类减水剂的减水率、水泥净浆流动度和 1h 经时损失、凝结时间的差别。将所使用减水剂的减水率调整到 20% 左右，进行试验，其结果见表 11。

表11　废水对外加剂性能的影响

从表 11 试验数据可以看出，废水对不同种类的减水剂的净浆流动度和 1h 经时损失的性能指标差别很大。从减水率来看：萘系减水剂、脂肪族减水剂的减水率饮用水与废水差别相差在 2% 左右；氨基磺酸盐减水剂的减水率差别在 1.5%左右；聚羧酸减水剂的减水率降低最多，减低了 4%。从净浆流动度来看：萘系、脂肪族、氨基磺酸盐高效减水剂的初始流动度，饮用水与废水相差 20～30mm，1h 经时损失小于30mm；聚羧酸减水剂两者的初始净浆流动度差值在 70mm 左右，1h 经时损失两者差值更大，达 100mm，废水的 1h 经时损失也达 45mm，超过 30mm/h。从凝结时间来看，废水对萘系、脂肪族、氨基磺酸盐减水剂的凝结时间影响不大，对聚羧酸减水剂的凝结时间缩短 30min 左右。

有研究表明，水泥中的硫酸根含量对于萘系减水剂和脂肪族减水剂存在最佳掺量，水泥净浆流动度及经时损失取决于最佳硫酸根含量，搅拌站废水中含有的硫酸根离子对萘系和脂肪族的影响较小。废水中的硫酸根离子影响聚羧酸减水剂在水泥上的吸附量，再加上废水中的砂石骨料剩余的泥粉吸附一定量的聚羧酸，降低聚羧酸的浓度，使净浆流动性变差。

废水可以使减水剂减水率降低，使用废水拌制混凝土时，应尽量避免使用聚羧酸减水剂，使用传统高效减水剂可以通过提高减水剂掺量来获得满意的混凝土工作性。例如，减水剂掺量为 2.0% 时，减水剂的减水率为 20%，那么掺量改变 0.1%，减水剂相应变化 1% 左右。如前面所述，完全使用废水传统减水剂减水率降低 2% 左右，可以通过提高外加剂掺量 0.2%来解决。

4　废水对混凝土性能的影响

4.1废水对混凝土工作性、抗压强度的影响

搅拌站废水含有水泥水化产物 Ca(OH)2、矿物掺合料和残留的外加剂，pH 值较高。国内外有许多专家学者对搅拌站废水对混凝土性能的影响做大量的研究，并得出很多有价值的结论，搅拌站废水的掺入对混凝土性能并没有明显不良影响。结合我公司废水的特点，用废水与饮用水混合使用配制 C20、C30、C40 三种强度的混凝土，废水分别掺入 0%、20%、40%、60%、80%、100% 进行试验，其配合比见表12。

表12　混凝土配合比

依据 GBT 50082—2009《普通混凝土拌合物性能试验方法》，测定 C20、C30、C40 混凝土坍落度和扩展度，比较不同掺量的废水对混凝土拌合物的影响。

C20 混凝土的初始坍落度、扩展度和 1h 后坍落度、扩展度及抗压强度见表 13；C30 混凝土的初始坍落度、扩展度和1h 后坍落度、扩展度及抗压强度见表 14；C40 混凝土的初始坍落度、扩展度和 1h 后坍落度、扩展度及抗压强度见表 15。

从表 13 可以看出，废水掺量不超过 60% 时，混凝土的初始坍落度在 180mm 左右，对混凝土的工作性影响不大。超过 60%，随着废水掺量的增加，坍落度逐渐减低，混凝土流动性降低更快，坍落度 1h 经时损失更大。

从 C20 混凝土的力学性能来看，强度等级 C20 的混凝土，废水掺量不宜超过 60%，即混凝土拌合用水的固体废物含量不超过 3%，混凝土强度等级低于 C20 的混凝土可以适当增加废水的掺量。

表13　C20 混凝土抗压强度

表14　C30 混凝土抗压强度

从表 14 可以看出，废水掺量不超过 40%，混凝土的坍落度在 200mm 左右，混凝土的坍落度、扩展度及 1h 的坍落度和扩展度经时损失均能满足要求。废水的掺量对混凝土的抗压强度影响不大，均满足 C30 强度等级的要求。当废水掺量超过 40% 以后，坍落度与扩展度损失较快，不能满足混凝土工作性的要求。因此，C30 混凝土的废水最大掺量为 40%，即混凝土拌合用水的固体废物含量不超过 2%，强度等级降低可以适当增加废水的掺量。

表15　C40 混凝土抗压强度

从表 15 可以看出，废水在各掺量下，抗压强度均能满足 C40 混凝土要求，说明废水配制的混凝土在力学性能上差别不大。对于 C40 的混凝土，废水掺量不超过 20% 时，对混凝土的工作性影响不大。废水的掺量在 20% 时，初始坍落度为 215mm，扩展度为 500×500mm，经时损失小于 30mm/h，工作性能较好。随着废水掺量的增加，混凝土工作性逐渐下降，掺量越多，降低的幅度越大。因此，对于 C40 混凝土的废水掺量不宜超过 20%，即混凝土拌合用水的固体废物含量不超过 1%，强度等级降低时，废水的掺量可以适当增加。

4.2废水对混凝土抗裂性的影响

混凝土塑性开裂是指混凝土处于塑性阶段时产生的塑性变形产生裂缝，这种裂缝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。

本试验参考 ACI 的试验方法，采用混凝土平板法抗裂试验，选用 C20、C30、C40 三个强度等级，分别对废水不同掺量的混凝土拌合物塑性裂缝出现的时间、发展速度和 5h 裂缝宽度测量，混凝土配合比和试验结果见表 16。