预拌混凝土废水废浆利用研究进展

戴前天，郭伟，李剑澎，费洗非

（珠海春禾新材料研究院，广州 珠海 519000）

0 引言

随着我国经济高速发展，重大工程和基础设施建设的推进，混凝土材料的需求量持续增长，原材料供应和混凝土制备对于资源、能源和环境的影响也日益凸显。混凝土在生产过程不仅中需要大量的拌合水，而且在处置废弃混凝土、清洗生产和运输设备、清洁场地过程中都会产生大量废水废浆，从而对周边水环境和土壤构成潜在的威胁。

住建部于 14 年 10 月 1 日，发布了建筑标准 JG/T 328—2014《预拌混凝土绿色生产及管理技术规程》。标准中对混凝土成型过程中产生的废水废浆提出绿色生产要求。预拌混凝土绿色生产应配备完善的生产废水处置系统，包括排水沟系统、多级沉淀池系统和管道系统等。标准还规定，当采用压滤机对废浆进行处理时，压滤后的废水应通过专用管道进入生产废水回收利用装置，压滤后的固定应做无害化处理，且过滤后的废水废浆应达到现行行业标准。

珠海市每年预拌混凝土用量超过 1000 万立方米，所产生的废水废浆高达 30 万吨以上。废水废浆中含有大量的有害成分，如果未经处理直接排放，势必会造成周边土壤和地下水的严重污染。准确处理废水废浆不仅能够节约资源、保护环境而且还能在废水废浆和预拌混凝土之间产生自给自足的良性循环[1-3]。在我国大力倡导“绿色、环保、节能、减排”的大背景下，实现预拌混凝土的绿色生产，实现废水废浆的零排放和完全循环利用是预拌混凝土行业急需解决的重要问题。研究废水废浆高效综合利用，对于加强环境保护、提高预拌混凝土行业水资源的利用率，实现行业的可持续发展都具有重要意义。

1 废水废浆研究现状

预拌混凝土生产产生的废水废浆的过程主要包括：清洗搅拌锅和运输车。主要是废水、废浆和砂石混合物。固化物主要包括（C-S-H 凝胶、Ca(OH)2、AFt、外加剂、细骨料、未完全水化的水泥和未参加反应的矿物掺合料等）[4-5]。预拌混凝土企业在处置废弃混凝土、清洗设备和场地所产生的废水废浆，经砂石分离机处理后，仍含有大量固体细颗粒，要通过沉淀池或者压滤机将废浆渣水分离后再分别利用或外排。废水废浆回收工艺见图1。

图1 废水废浆回收工艺流程图

1.1 用作混凝土拌合水的废水废浆研究现状

周其家[6]等研究证明回收、沉淀处理后的废水澄清液符合混凝土用水各项指标，可以直接作为混凝土的拌合用水；废水泥浆中固体颗粒可以作为混凝土的细集料，混凝土的工作性与抗压强度均随着废水废浆用量的增加，呈现出先增加后降低的现象，每立方米最佳废水废浆用量为 80kg/m3。李小玲[7]研究表明，废水经过分离处理后的澄清液再作为混凝土拌合水制备混凝土时，对混凝土工作性能和力学性能的影响不大，误差在国家所规定的范围之内；对于强度等级较低的混凝土，运用自来水和废水所制备的混凝土抗压强度差别不大，但像C80 这种高强度等级混凝土的抗压强度，不仅与废水掺量有关还与矿物掺合料的掺量有关。

陈俭伟[8]研究表明，废水可以用作混凝土拌合用水且对混凝土力学强度影响不大；当废水浓度＜12% 时，同比例混合废水和自来水用作混凝土拌合用水，当废水浓度＞15% 时，混凝土坍落度损失较大，不适合用作混凝土用水，混凝土的工作性能随着废水浓度的变化而变化，浓度增加时应适当调整外加剂掺量。杨欣华[9]分别在北京、上海、武汉、重庆、浙江台州和浙江舟山选择了 6 家混凝土搅拌站的废水废浆搅拌池中取样进行检测，试验结果表明各家的废水废浆含固量差异较大，含固量大约在 0.3%～3.0% 区间范围内，废水废浆显碱性，pH 值＞12，废水废浆中离子含量的最高阴阳离子分别为 Ca2+和 OH-；对于中等强度等级的混凝土，例如C30、C45 和 C60 混凝土而言，废水废浆使用量在 45%之内时基本不影响混凝土抗压性能。

张凯峰[10]研究了不同浓度废水在不同掺量下对水泥工作性能和凝结时间的影响，研究结果表明：水泥胶砂流动度随着废水掺量的增加而小幅度降低，凝结时间随着掺量的增加而延长；废水浓度影响胶砂强度但无明显规律，胶砂强度和废水浓度之间存在最佳废水掺量；当废水浓度为 1% 时，废水的掺量不影响 C60 混凝土的抗压强度，废水掺量为 80% 时，混凝土抗压强度最高。

1.2 废水废浆制备混凝土的研究现状

欧阳孟学[11]采用浓度为 3.5% 的废水制备 C20～C40 混凝土，研究发现该浓度下 C40 废水最佳掺量为20%，C35 废水最佳掺量为 40%，C30 废水最佳掺量为60%，C25 废水最佳掺量为 40%，C20 废水最佳掺量为60%；高松林[12]利用回收废水废浆制备 C60 混凝土，研究表明利用回收废水和砂石骨料配制的 C60 混凝土强度及耐久性能指标均能满足工程要求，且与常规拌合用水配制的 C60 混凝土无明显差别，但是废水的掺入量对混凝土的工作性能及坍落度经时损失影响较大，工程使用时浓度应控制在 7% 以下，掺量控制在 40% 以下；何延树[13]研究了废水对是否掺加硅灰混合材的 C80高强混凝土的力学性能的影响，结果表明掺入废水能够有效提高掺加硅灰高强混凝土早期性能，但会降低无硅灰混凝土早期强度，且废水对 C80 高强混凝土后期强度影响不大，能略微提高混凝土后期性能。

李辉[14]通过对 C30 混凝土的试验研究，结果表明搅拌站回收废水浆的浓度控制在 20% 以内、掺量在每方混凝土代替清水 50～80kg 时，通过控制外加剂的掺量，对混凝土拌合物的工作性能无不良影响，完全可以达到不加废水浆混凝土的效果，并且可以保证较好的坍落度损失控制；对硬化混凝土的力学性能和长期耐久性能无不良影响，特别是在抗压强度方面，加入了废水浆代替部分清水混凝土的抗压强度还偏高 10%。废水浆浓度在 5%～20% 范围内，废水浆的浓度对混凝 28 天龄期的抗压强度值影响较大，其影响关系可用回归经验公式来表示：

其中：Y——混凝土强度值，MPa；

X1——废水浆浓度，mg/L；

X2——废水浆掺量，%。

废水浆的用量对混凝土力学性能和流动性影响不大，实际生产中可忽略。

1.3 废水废浆对混凝土耐久性能的影响

陈展华[15]研究发现将废水废浆干粉球磨 10min后，在 10% 掺合比下作为混凝土掺合料使用几乎具有和矿粉一致的效果，所制备成型的混凝土拌合物的坍落度、扩展度略小但抗压强度几乎一致；张良超和李永飞[16-17]将经过砂石分离机分离出的废水废浆和增效剂混合制备出具有良好的工作性能、能满足力学性能和施工要求的混凝土。

赵志轩[18]研究了废水废浆干粉取代水泥的掺量对C30 和 C50 混凝土抗冻性、抗氯离子渗透、抗硫酸盐侵蚀与抗碳化等耐久性能的影响，研究结果表明废水废浆干粉在 0～6% 的掺量范围内能降低混凝土的抗冻性、抗氯离子渗透与抗硫酸盐侵蚀性能，且随着掺量的增加，耐久性能随之降低，且对强度等级为 C50 的混凝土耐久性能影响大于 C30 混凝土。

侯旭林[19]研究了废水废浆干粉取代水泥的掺量对C30 和 C50 混凝土干缩性能和塑性变形方面的影响，研究结果表明，相同掺量下，C30 混凝土的干燥收缩小于 C50 混凝土且两种强度等级下的混凝土干缩性能都随着废浆的掺量增大而降低；掺量＜6% 时，废水废浆加剧了混凝土裂缝的发展速度，造成 6h 时的最大裂缝增加。曲睿祚[20]采用含固量为 10% 的废弃浆料等质量取代自来水配制混凝土，并与采用自来水配制的混凝土相比较，探究了废浆掺量对混凝土耐久性能的影响，研究结果表明，废浆对混凝土的抗渗性和抗碳化能力具有增加作用，当混凝土强度等级≤C30 时，随着废浆掺量的增加混凝土的抗氯离子渗透性显著提高，废浆掺量＞60% 时，随着废浆掺量的增加混凝土抗氯离子渗透性反而显著降低；与自来水拌制的混凝土相同龄期相比，掺加 10% 废弃浆料拌制的混凝土的孔隙率略有降低。

向佳瑜[21]用废水制备了 C20～C60 混凝土，并研究了废水对混凝土耐久性能的影响，试验结果表明废水的掺入可有效降低 C20～C60 混凝土的电通量，C60 混凝土全部使用废水时，6h 电通量可降低至 300C 左右；废水能够降低碳化深度，且碳化深度随着废水掺量的增加而降低。姚志玉[22]研究表明强度等级≤C35 混凝土，废水的掺入，能改善混凝土拌和物的性能，提高混凝土强度，参考掺量为 20%～40%；废水的掺入对混凝土的凝结时间、抗渗性能影响甚微，一定程度上能提高混凝土的抗冻性能。

废水中含有未完全水化的水泥、粉煤灰和矿粉等活性组分，这些活性组分能够与 Ca(OH)2等发生化学反应，生成水化产物和胶凝物质，从而提高混凝土强度。同时像矿粉和粉煤灰等能够有效填充空隙，密实混凝土结构，从而提升混凝土耐久性能。

2 结论

综上所述，废水废浆经过静止沉淀等一系列过程后，所得上层澄清水能够直接用作混凝土拌合水；废浆中的固体颗粒可以用作细骨料，且在球磨 10min 后在 10% 掺量下，几乎能够等效取代矿粉；废水浓度和掺量对混凝土工作性能和力学性能存在一定影响，工程应用时应保证废浆浓度在＜7%、掺量＜40%；经过静置处理后的澄清废水能够在一定范围内取代拌合水制备 C20～C80 混凝土，且所制备的混凝土工作性能、力学性能和耐久性能均能满足指标；废水废浆经过静置、沉淀、压滤后干燥而成的干粉取代水泥制备的 C30 和C50 混凝土耐久性能较差；中等强度等级的混凝土，像 C20～C60 混凝土，掺入废水能够有效提高混凝土的密实性、抗氯离子渗透能力和碳化能力，而高强度等级的混凝土，像 C80 高强混凝土，混凝土抗氯离子渗透能力和碳化能力的主要影响因素是矿物掺合料而不是废水。

3 展望

目前国内对于废水废浆的重复利用方式，主要通过沉淀池和压滤机将废水废浆分离出来再分别利用或外排。不论是采用沉淀池分离还是压滤机分离，都需要占用很大的场地。分离后的清水因碱性较高且含有多种化学外加剂，直接作为拌合水使用时容易造成混凝土的质量波动，大部分企业只能部分用于拌合混凝土，而分离出的固体料渣则作为固废外运处理。采用这样的处理方式，不但水资源没有得到充分利用，而且处理固废时还容易造成二次污染，所能获得的废水废浆并没有达到完全循环利用效果。

在上述废水废浆研究基础上考虑一种完全回收利用废水废浆的新技术。该技术的特点是，通过再生过程中工艺和参数的调控，实现废水废浆形态的充分稳定，从而避免当前一些企业废水废浆回收再利用导致原材料和混凝土质量大幅波动的问题；同时，将上述预处理过程与混凝土基本原材料和配合比的优化相结合，使不同粒径的颗粒得到更加充分和紧密的堆积，从而开发出早期和长期性能更加优越的混凝土材料新体系。具体而言，项目拟开发预拌混凝土废水废浆再生利用技术，是将沉淀池中沉淀的固体料渣通过湿法粉磨工艺制成再生料浆，在制浆过程中通过化学和矿物添加剂，调节其浓度、碱度和细度，达到设计的质量标准后进入储浆罐，使用时再由料浆泵输送到搅拌楼配料，用于混凝土生产，使废水废浆得到全部再生利用。