混凝土搅拌站废水对C60混凝土抗冻性能的影响

席君毅, 李勋, 姚贤华,3, 管俊峰, 上官林建, 柳利君, 徐昭文

(1.华北水利水电大学 土木与交通学院, 河南 郑州 450045; 2.中国中建设计研究院有限公司, 北京 100037; 3.西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室, 陕西 西安 710048; 4.华北水利水电大学 科技处,河南 郑州 450046; 5.郑州三和水工机械有限公司, 河南 郑州 450000)

随着混凝土需求量的逐渐增大以及绿色环保节能减排理念的不断深入,混凝土废弃料的回收利用逐渐成为国内外关注的焦点,众多学者[1-2]进行了再生骨料混凝土相关方面的研究。在混凝土的生产过程中会产生许多废弃物,这些废弃物因具有较高的pH值和重金属含量,被视为腐蚀性污染物质,随意排放会对周围的环境和生态系统造成不利影响[3]。因此,为解决废弃物的排放问题,许多预拌混凝土工厂建立了废水废浆循环利用系统,将混凝土洗涤水和沸石副产物重复利用,投入到混凝土的生产中[4]。陈军亮等[5]和曲睿祚[6]在保证水胶比不变的情况下,将废水中的固体颗粒等质量替代粉煤灰。较多学者[7-9]直接将废水等质量替代混凝土拌合用水使用。用废水替代适量的拌合用水,不仅可以降低混凝土搅拌站的生产成本,还能节约水资源,提高环保效益。

水中的总溶解固体是影响混凝土最终性能的主要因素之一[10]。当拌合用水中的固体含量不大于5%时,制备的混凝土与饮用水制备的混凝土相比,其流动性和抗压强度变化均较小,其抗压强度与对照组混凝土抗压强度的比值为88%～110%[11]。研究[12]表明,预拌混凝土厂废水中的固体含量一般为5%～15%。因此,进行关于高浓度废水用作混凝土拌合用水的研究至关重要。混凝土的耐久性是衡量混凝土性能的重要内容。文献[6,12-16]研究发现,废水的掺入提高了中低强度等级混凝土的抗氯离子渗透能力、抗碳化能力和抗冻性。当前对废水混凝土抗冻性能变化的研究主要集中于中低强度等级的混凝土,对高强混凝土抗冻性能的研究较少。因此,对掺入废水的高强混凝土进行冻融循环影响下的性能变化研究非常重要。

综上所述,本文使用混凝土搅拌站废水以不同的取代率替代饮用水,研究废水对C60混凝土抗冻性能的影响。根据混凝土相对动弹性模量的变化规律,建立了废水混凝土冻融损伤模型,并将该模型用于表征寒冷地区废水拌制的混凝土冻融破坏程度,为寒冷地区混凝土搅拌站废水用于制备混凝土提供参考。

1 材料及其性能

水泥:三门峡腾跃同力水泥有限公司生产的P·O 42.5水泥,7 d抗压强度为35.2 MPa,28 d抗压强度为49.4 MPa。水泥的主要成分见表1。

表1 水泥的化学成分 %

粗骨料:粒径为(5,10] mm的碎石,级配满足《水工混凝土试验规程》(SL/T 352—2020)[17]的要求。

砂子:细度模数为2.6的河砂。

粉煤灰:河南龙泉金亨电力有限公司生产的Ⅰ级粉煤灰,需水量为95%,掺量为20%,采用等质量替代水泥 。

减水剂:减水率为26%的高效减水剂。其他指标满足《混凝土外加剂应用技术规范》(GB 50119—2013)[18]的要求。

拌合用水:饮用水和废水的混合水,废水来自郑州市河南六建预拌混凝土厂,具体混合方法见表2。经测试,废水中Cl-和SO42-的含量分别为78 mg/L和34 mg/L,满足《混凝土用水标准》(JGJ 63—2006)[19]的要求。废水的pH值为12,固体含量为12%,不含重金属元素。

表2 C60混凝土配合比 kg/m3

2 试验方法及配合比

根据《水工混凝土试验规程》(SL/T 352—2020)[17]进行混凝土冻融循环试验。冻融循环过程中,降温终了温度为-15 ℃±2 ℃,升温终了温度为8 ℃±2 ℃,每冻融循环25次时,测其质量和抗压强度,参考宿晓萍和王清[20]的试验方法,以40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体试件,采用超声波探测仪(超声波探测可根据不同的波速预估混凝土内部损伤程度[21])测其传播时间,根据式(1)计算混凝土的相对动弹性模量:

(1)

式中:Er为混凝土试件的相对动弹性模量;En、Vn和tn分别为经过n次冻融循环后混凝土试件的动弹性模量、超声波波速和传播时间;E0、V0和t0分别为初始时刻混凝土试件的动弹性模量、超声波波速和传播时间。

根据式(2)计算混凝土的抗压强度损失率Ln:

(2)

式中:Sn为试件经过n次冻融循环后的抗压强度;S0为混凝土冻融前抗压强度。

根据式(3)和式(4)分别计算混凝土的质量损失率Wn和吸水率An:

(3)

(4)

式中:mn为混凝土试件经过n次冻融循环后的质量;m0为混凝土试件冻融前的质量;mx为试件经过n次冻融循环后干燥时的质量。

3 试验结果与分析

3.1 试件外观

冻融循环前后,试件的外观形貌见表3:冻融循环50次后,基准组(C60-0)和C60-50混凝土试件的表面未发生明显变化,C60-75和C60-100混凝土试件的表面出现了麻面情况,试件表面的浆体从试件边角处开始逐渐脱落;冻融循环100次后,试件表面麻面情况较为严重,表面浆体脱落逐渐延伸至整个侧面,其中C60-75混凝土出现了粗骨料脱落,结构变疏松的情况。

表3 试件外观形貌

3.2 抗压强度损失率

图1为不同废水替代率下C60混凝土的抗压强度损失率。在相同废水替代率下,随着冻融循环次数的增加,混凝土抗压强度损失率逐渐增加。在相同冻融循环次数下,混凝土的抗压强度损失率大小顺序为:C60-0

图1 不同废水替代率C60混凝土的抗压强度损失率

废水掺入后,C60混凝土抗压强度损失率增加,这可能是由于废水的强碱性破坏了混凝土的界面过渡区,导致混凝土中渗水通道增多。当混凝土受到冻融循环作用时,毛细孔内静水压力增加,内部结构的损伤程度随着冻融循环次数的增加逐渐积累。所以,废水混凝土的抗压强度损失率逐渐增加。

3.3 质量损失率

图2为不同废水替代率下C60混凝土的质量损失率。由图2可知,在相同废水替代率下,混凝土试样的质量损失率随着冻融循环次数的增加而增加。与C60-0混凝土相比,冻融循环75次后,C60-25、C60-50、C60-75、C60-100混凝土的质量损失率分别增加了266.7%、166.7%、400.0%、333.3%;冻融循环100次后,C60-25、C60-50、C60-75、C60-100混凝土的质量损失率分别增加了275.0%、225.0%、400.0%、375.0%。因此,废水的掺入对混凝土的质量损失率影响较大。

图2 不同废水替代率C60混凝土的质量损失率

与C60-0混凝土相比,冻融循环25次后,混凝土的质量损失率变化相对较小,这可能是在冻融循环前期,混凝土吸收的水分抵消了试件表面脱落部分的混凝土质量导致的。随着冻融循环次数的进一步增加,混凝土的质量损失率增长速率加快。随着冻融循环次数的不断增加,损伤程度加剧,混凝土的表面开裂,表皮脱落,砂浆包裹骨料不严密,导致混凝土的质量损失率不断增加[22]。

3.4 相对动弹性模量

随着冻融循环次数的增加,混凝土经历反复冻胀,内部孔隙逐渐增大,并逐渐连通,损伤程度逐渐加大,导致相对动弹性模量逐渐降低[23]。图3为不同废水替代率下C60混凝土的相对动弹性模量。

图3 不同废水替代率C60混凝土的相对动弹性模量

由图3可知:相同冻融循环次数下,与C60-0混凝土相比,C60-50混凝土的相对动弹性模量变化较小,C60-75混凝土的相对动弹性模量降低幅度较大;与C60-0混凝土相比,冻融循环25、50、75、100次后,C60-75混凝土相对动弹性模量分别降低了5.81%、6.76%、3.03%、1.64%。表明,废水的掺入对混凝土相对动弹性模量的影响较小。

3.5 吸水率

混凝土毛细孔内的水分在冻融结冰时发生膨胀,当冻胀应力超过混凝土的抗拉强度时,将会发生混凝土破坏。因此,混凝土中的水分含量直接影响了试件发生冻融破坏的速度和程度[24]。图4为不同废水替代率下C60混凝土的吸水率。在相同废水替代率下,混凝土试样的吸水率随着冻融循环次数的增加而增加。与C60-0混凝土相比,在相同冻融循环次数下,随着废水替代率的增加,混凝土试样的吸水率呈现先增加后降低、再增加、再降低的变化趋势。C60-50混凝土的吸水率在冻融循环0、25、50、75、100次后,吸水率分别较C60-0混凝土的增加36.4%、23.1%、37.5%、13.0%、20.8%。C60-75混凝土的吸水在冻融循环0、25、50、75、100次后,吸水率较C60-0混凝土的分别增加145.5%、115.4%、81.3%、26.1%、37.5%。因此,废水的掺入增大了混凝土在冻融循环环境下的吸水率,吸水率随废水替代率的增加而逐渐增大,但在相同冻融循环次数作用下,混凝土吸水率增加幅度呈减缓趋势,这与抗压强度损失率变化趋势一致。

图4 不同废水替代率C60混凝土的吸水率

综上所述,废水的掺入降低了C60混凝土的抗冻性能,但当废水替代率小于50%时,废水的掺入对C60混凝土抗冻性影响较小。当废水掺入(掺量为10%、20%、30%)C20、C30、C40和C50混凝土时,其质量损失率和强度损失率降低,抗冻性呈提高的趋势[6]。废水掺入(掺量为20%、40%、60%、80%和100%)C30和C50混凝土后,质量损失率降低,并且废水掺量越大,质量损失率越低,表明废水的掺入可以有效增强混凝土的抗冻性[15]。与基准混凝土相比,废水的掺入对C60混凝土抗冻性能降低作用更明显,原因可能有两个方面:一方面,由于废水颗粒与混凝土基体黏结不紧密,破坏了C60混凝土原本的内部结构;另一方面,废水的掺入降低了C60混凝土的水胶比,造成水泥水化不充分,C60混凝土的密实度降低,加速了混凝土冻融破坏。

4 微观分析

为了从微细观角度分析废水对混凝土抗冻性能的影响,试验采用扫描电镜对冻融前后的混凝土试件进行取样检测。图5为C60-0、C60-50和C60-100混凝土冻融前和冻融循环100次后的扫描电镜(SEM)图。

冻融前,C60-50和C60-100混凝土孔隙较C60-0的增大,结构密实度降低(图5 (a)(b)(c))。冻融循环100次后,C60-0、C60-50和C60-100混凝土中游离水结冰,体积膨胀,混凝土内毛细孔及裂纹不断扩展,进一步导致孔隙增大,内部结构更加松散,结构呈蜂窝状(图5 (d)(e)(f))。

5 冻融损伤模型分析

冻融循环作用下,混凝土动弹性模量变化可衡量混凝土内部结构损伤状况。为比较不同废水替代率下C60混凝土的损伤程度,根据相对动弹性模量的变化规律,建立了C60混凝土冻融损伤二次函数衰减模型。分析了C60混凝土在冻融循环作用下的损伤演化规律,为冻融循环环境下混凝土的寿命预测提供参考。

混凝土的损伤度D[25]可以用式(5)表示:

(5)

混凝土试件经过不同冻融循环次数后,D随冻融循环次数的变化曲线和拟合关系式如图6所示。二次函数衰减模型方程可以用式(6)表示:

图6 混凝土损伤度与冻融循环次数的关系

D=aN2+bN+c。

(6)

式中:D为试件经受冻融循环后的损伤度;N为试件经受冻融循环的次数;a、b、c为系数。

图6为损伤度与冻融循环次数的关系。由图6可知,不同废水替代率下,混凝土的损伤度和冻融循环次数的二次函数模型拟合方程的拟合优度R2大于0.93。因此,二次函数衰减模型具有较高的精度,可以较好地反映冻融循环作用下不同废水掺入量的混凝土损伤度变化规律。

6 结语

通过分析冻融循环作用下混凝土的外观变化、抗压强度损失率、质量损失率、相对动弹性模量变化、吸水率变化和微观结构变化,评估了不同废水替代率下C60混凝土的抗冻性能。建立了混凝土冻融损伤度的二次函数衰减模型,为掺有废水的混凝土冻融损伤程度的预测提供依据。

1)当废水替代率低于50%时,C60混凝土的抗压强度损失率、质量损失率、相对动弹性模量和吸水率变化较小,废水的掺入对C60混凝土的抗冻性影响较小。

2)冻融循环作用下,废水的掺入加速了C60混凝土孔隙结构的破坏,使其密实度降低,对混凝土的抗冻性造成不利影响。

3)建立的C60混凝土损伤度与冻融循环次数的二次函数模型能较好地反映掺入废水的混凝土在冻融循环作用下的损伤劣化规律。