搅拌站回收浆液理化特性动态分析

廖国胜，胡思达，刘品红，廖宜顺，梅军鹏，舒德辉

（1.武汉科技大学 城市建设学院，湖北 武汉 430065；2.武汉科技大学 高性能工程结构研究院，湖北 武汉 430065；3.湖南晟鉴建筑材料有限公司，湖南 汨罗 414499）

0 引 言

搅拌站回收浆液是商品混凝土搅拌站在清洗生产泵送设备、清洗罐车、分离废弃混凝土以及冲洗生产场地，而形成的废水、废浆，因其具有成分复杂、腐蚀性强、量大等特点，若不加处理而随意排放，就会对环境、资源、经济等造成负面影响，严重制约建筑行业可持续发展[1-3]。为此，国内外众多学者对回收浆液理化特性进行了研究。姚源等[1]、余和友和徐亮[4]、杨欣华等[5]对搅拌站回收浆液的含固量和pH 值进行分析，结果表明，回收浆液的含固量一直处于不稳定状态，在1%~10%变化，pH 值基本都大于11。黎春海[6]分析了搅拌站回收浆液含固量与密度之间的关系，结果表明，含固量与密度存在很强的线性关系，可以通过密度来推算含固量。黑金龙[7]分析了回收浆液中的固体颗粒（滤渣）的粒度分布，结果表明，滤渣的粒径较水泥、石粉、粉煤灰小。胡立志等[8]、Keppert 等[9]对回收浆液的滤渣进行了XRD 分析，结果表明，回收浆液中存在大量未水化的物质。

综上所述，国内外学者已对新鲜回收浆液的含固量、密度、pH 值、粒度分布及矿物组成进行了研究，并取得了阶段性成果，但想要结合实际需求达到对回收浆液更有效的利用，还需对回收浆液在放置过程中理化特性的变化规律进行系统分析。同时，回收浆液的过滤时间与滤液含量及滤渣层的微观结构特性密切相关，研究回收浆液过滤时间随放置时间变化规律对深入理解其理化特性变化机理及有效利用浆液具有重要意义，但目前暂无相关研究。故本文通过对比不同放置时间回收浆液的含固量、密度、pH 值、过滤时间、粒度分布及矿物组成的差异，探究了回收浆液的动态理化特性变化规律，以期对回收浆液再利用提供一定的参考。

1 试 验

1.1 原材料

回收浆液：取自湖南晟鉴建筑材料有限公司在清洗运输C30 混凝土罐车并经砂石分离机处理而形成的废水、废浆，为确保试验的准确性及稳定性，后续试验采用同一批次回收浆液，即仅取一种样；水泥：P·O42.5 水泥，比表面积353 m2/kg，烧失量4.14%，氯离子含量为0.025%，安定性合格；粉煤灰：Ⅱ级，细度20.3%，密度1.99 g/cm3，烧失量3.71%；矿粉：S95级，密度2.91 g/cm3，比表面积417.2 m2/kg，烧失量0.09%。

1.2 试验方法

含固量：采用烘干法进行测试。回收浆液的固体颗粒需用无水乙醇终止水化，并经40 ℃恒温干燥之后进行称量。

密度：采用实验室自制密度检测装置进行测试，该系统包括：玻璃瓶（容积为30 mL）、量管（量程为1 mL），电子天平，高清摄像机。具体试验步骤为：（1）按照ASTM C1608—17《Standard Test Method for Che-mical Shrinkage of Hydraulic Cement Paste》方法对图1 装置进行组装，并确保其气密性良好；（2）将图1 装置置于电子天平上，并对电子天平进行归零处理；（3）取搅拌均匀的回收浆液30 mL，迅速转移到图1 装置中，并再次将其置于电子天平上；（4）打开高清摄像机，记录回收浆液在放置过程中（0、4、8、12、24、36、48、60、72 h）量管刻度值及电子天平称量数值的变化。

图1 密度测试装置示意

pH 值：采用Seven Compact 型pH 仪进行测试。

过滤时间：采用实验室自制真空过滤装置进行测试，该系统包括：高清摄像机、布氏漏斗、抽滤瓶、真空泵和慢速定性滤纸。过滤装置示意如图2 所示，具体试验步骤为：（1）打开真空泵，设置初始真空度为0.05 MPa；（2）将滤纸置于布氏漏斗上，用去离子水将其润湿；（3）取不同放置时间（0、4、8、12、24、36、48、60、72 h）的回收浆液25 g（搅拌均匀），迅速转移到布氏漏斗上，并打开真空泵；（4）打开高清摄像机开始记录回收浆液过滤时间，直到30 s 后没有滤液滴出时停止抽滤。

图2 过滤装置示意

粒度分布：将不同放置时间的回收浆液进行过滤，取其滤渣，并用无水乙醇终止水化，40 ℃恒温干燥后进行激光粒度分析。

矿物组成：取放置0、4、8、12、24 h 回收浆液中的固体颗粒（滤渣）F-0h、F-4h、F-8h、F-12h、F-24h 试样及水泥净浆J-12h 试样，用无水乙醇终止水化，40 ℃恒温干燥后分别进行XRD 测试。J-12h 试样成型后直接带模标准养护12 h，脱模后进行XRD 测试，其配合比（g）为：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（矿粉）∶m（自来水）=216∶42∶42∶87。

2 结果与讨论

2.1 不同放置时间回收浆液的含固量变化（见表1）

表1 不同放置时间回收浆液的含固量

由表1 可知，回收浆液的含固量随放置时间的延长而增大，且放置0~24 h 为含固量增大主要阶段，而放置24 h 后，含固量增大不再显著。当回收浆液放置4、8、12、24 h 时，含固量较新鲜浆液分别增大了2.15%、3.07%、4.91%、6.60%；当回收浆液放置36、48、60、72 h 时，含固量较新鲜浆液分别增大了7.21%、7.67%、7.98%、8.16%。这是因为新鲜回收浆液中存在较多未水化的水泥及未反应的矿物掺合料，当回收浆液放置0~24 h 时，随着放置时间的延长，这些未水化或水化程度较低的胶凝材料会不断发生水化反应或火山灰反应（二次水化反应），消耗回收浆液中的水，并生成不溶于水的C-S-H 和难溶于水AFt 等固体物质，导致回收浆液中的水减少，固体成分增多，含固量增大。另外，在放置过程中，回收浆液中的水可能会向空气中扩散，也将导致回收浆液的水含量减少，含固量增大。当回收浆液放置24 h 后，回收浆液中大多数未水化或水化程度较低的胶凝材料已经水化完全，使得此时回收浆液成分处于相对稳定状态，含固量不再显著增大。

2.2 不同放置时间回收浆液的密度变化（见表2）

表2 不同放置时间回收浆液的密度

由表2 可知，回收浆液的密度随放置时间的延长而增大，且放置0~24 h 为密度增大的主要阶段，而放置24 h 后，密度增大不再显著。当回收浆液放置4、8、12、24 h 时，密度较新鲜浆液分别增大了0.10%、0.16%、0.23%、0.35%；当回收浆液放置36、48、60、72 h 时，密度较新鲜浆液分别增大了0.39%、0.42%、0.44%、0.45%。这是因为新鲜回收浆液中存在一定量未水化或水化程度较低的胶凝材料（粉煤灰-矿粉-水泥），当回收浆液放置0~24 h 时，随着放置时间的延长，这些胶凝材料会不断发生水化，产生化学收缩[10]，使得回收浆液的体积减小（质量不变），密度增大。另外，由于回收浆液中固体成分的密度远远大于水的密度[6，11-12]，故当回收浆液的水向空气扩散时，也将导致回收浆液中水减少，固体成分增多，密度增大。当回收浆液放置24 h 后，回收浆液中大部分胶凝材料已水化完全，使得此时回收浆液成分处于相对稳定的状态，密度不再显著增大，这与含固量随放置时间变化的规律一致。

2.3 不同放置时间回收浆液的pH 值变化（见表3）

表3 不同放置时间回收浆液的pH 值

回收浆液的碱性[13-14]主要来源于Ca（OH）2，故其pH 值的改变主要受2 个因素的影响：正因素为回收浆液中未水化或水化程度较低的水泥，能不断发生水化反应，生成Ca（OH）2，使得回收浆液的pH 值变大；负因素为回收浆液中未反应或反应程度较低的矿物掺合料，不断发生火山灰反应（二次水化反应），消耗Ca（OH）2，使得回收浆液的pH 值变小。由表3 可知，回收浆液的pH值随放置时间的延长而增大，且放置0~24 h为pH 值增大的主要阶段，而放置24 h 后pH 值增大不再显著，并逐渐趋于稳定。当回收浆液放置4、8、12、24 h 时，pH 值较新鲜浆液分别增大了1.70%、2.72%、3.65%、3.99%；当回收浆液放置36、48、60、72 h 时，pH 值较新鲜浆液分别增大了4.16%、4.33%、4.50%、4.58%。这表明新鲜回收浆液溶液并非Ca（OH）2的饱和溶液，当回收浆液放置0~24 h 时，随着回收浆液放置时间的延长，回收浆液中的未水化或水化程度较低的水泥起主导作用，回收浆液中Ca（OH）2的生成量大于消耗量，使得pH 值增大。另外，回收浆液中的水分可能会不断向空气扩散，溶液中Ca（OH）2的浓度不断增大，也将导致回收浆液pH 值增大。当回收浆液放置24 h 后，回收浆液中大部分胶凝材料已水化完全，使得此时回收浆液成分处于相对稳定的状态，pH 值增大不再显著并逐渐趋于稳定，这与含固量及密度随放置时间变化的规律一致。

2.4 不同放置时间回收浆液的过滤时间变化（见表4）

表4 不同放置时间回收浆液的过滤时间

由表4 可知，回收浆液的过滤时间随放置时间的延长而缩短。当回收浆液放置4、8、12、24 h 时，过滤时间较新鲜浆液分别缩短了7.89%、18.42%、26.32%、38.16%；当回收浆液放置36、48、60、72 h 时，过滤时间较新鲜浆液分别缩短了43.42%、47.63%、50.79%、51.32%。即放置0~24 h 为过滤时间缩短的主要阶段，而放置24 h 后，过滤时间缩短不再显著，这与含固量、密度及pH 值随放置时间变化的规律一致。一般来说，回收浆液的过滤时间与滤液含量及滤渣层的微观结构特性密切相关。

2.5 不同放置时间回收浆液固体颗粒的粒度分布（见图3）

图3 不同放置时间回收浆液固体颗粒的粒度分布曲线

由图3 可知，新鲜回收浆液固体颗粒粒度分布很广，最小粒径为0.5 μm，最大粒径为400 μm；随着放置时间的延长，粒径分布曲线向右移动，且粒径分布范围变广，小粒径颗粒占比降低，大粒径颗粒占比升高。这表明回收浆液中固体颗粒尺寸随放置时间的延长而变粗，其原因是，新鲜回收浆液中存在较多未水化或水化程度较低的水泥及矿物掺合料，随着放置时间的延长，这些胶凝材料会不断发生水化反应或火山灰反应，在大小粒径固体颗粒的表面及间隙中生成网状结构C-S-H及针状AFt 等物质，导致回收浆液中原本分散的固体颗粒相互黏结团聚，进而使得固体颗粒的尺寸变粗。

综上所述，回收浆液的过滤时间随放置时间的延长而缩短的原因为：当回收浆液放置0~24 h 时，随着放置时间的延长，滤渣粒径变粗，滤渣层孔隙连通性和迂曲度得到改善[15]，使得滤液运迁的路径显著增多以及滤液通过滤渣层孔道的阻力减少，从而缩短了过滤时间。另外，回收浆液中滤液含量随放置时间的延长而降低，也会导致过滤时间缩短。而当回收浆液放置24 h 后，回收浆液中大部分胶凝材料已水化完全，使得此时回收浆液成分处于相对稳定状态，滤液含量及滤渣层微观结构特性变化较小，过滤时间缩短不再显著，这与回收浆液含固量、密度及pH 值随放置时间变化的规律相一致。

2.6 不同放置时间回收浆液固体颗粒的矿物组成（见图4）

图4 不同放置时间回收浆液固体颗粒及J-12h 试样的XRD 图谱

由图4 中F-0h 至F-24h 的图谱对比可知，新鲜回收浆液固体颗粒中含有未水化的C3S 及C2S，随着放置时间的延长，C3S 及C2S 的衍射峰强度不断减少，而AFt 及C-S-H 的衍射峰强度不断增大。这表明新鲜回收浆液具备一定的活性，且随着放置时间的延长，其活性将逐渐降低。另外，当回收浆液放置24 h 时，C3S 及C2S 的衍射峰强度不再明显，说明此时回收浆液中大多数水泥已水化完全，此后因水泥水化导致回收浆液理化特性的变化不再显著。

J-12h 试样中出现了氢氧化钙（CH），但F-0h、F-4h、F-8h、F-12h 及F-24h 试样中均未出现氢氧化钙，结合回收浆液的pH 值随放置时间的延长而增大的现象，表明新鲜回收浆液试样中的Ca2+与OH-的浓度未超过氢氧化钙的溶解度并达到一定的过饱和度，氢氧化钙并未沉淀析出[16-18]。其原因是，回收浆液试样中水含量远远大于净浆试样，使得氢氧化钙浓度达到过饱和度时所需的Ca2+与OH-含量显著增多，而回收浆液中胶凝材料溶解提供的离子数量有限，导致回收浆液试样中氢氧化钙浓度很难达到氢氧化钙沉淀结晶时所需的过饱和度，氢氧化钙难以结晶沉淀。

3 结 论

（1）放置0~24 h 是回收浆液理化特性变化的主要阶段，放置24 h 后其理化特性变化不再显著并逐渐趋于稳定。

（2）回收浆液的含固量、密度及pH 值随着放置时间的延长而增大，过滤时间及活性则随着放置时间的延长而减小。

（3）随着放置时间的延长，回收浆液固体颗粒粒径分布范围变广，小粒径颗粒占比降低，大粒径颗粒占比升高。

（4）新鲜回收浆液中Ca2+与OH-的浓度未超过氢氧化钙的溶解度并达到一定的过饱和度，氢氧化钙并未沉淀析出。