用废水处理渣制作混凝土.pdf

2 0 1 5年第 1 1期 (总 第 3 1 3 期) N u mb ~ 1 1 i n 2 0 1 5( T o t a l No ． 3 1 3) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 P RACT I CAL TECHNOLoGY d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ． 2 0 1 5 ． 1 1 ． 0 3 4 用废水处理渣制作混凝土 陈怡 。谷晋 川 ， 樊 志金 ( 西华大学 a ． 建筑与土木工程学院． b ． 食品与生物工程学院，四川 成都 6 1 0 0 3 9 ) 摘要：以某冶炼厂废水处理渣 、 水泥 、 粗骨料和细骨料为原料 ， 进行混凝土制备试验研究。 结果表明， 在水胶比为 4 0 ％、 砂率为 2 9 ％、 废水处理渣为 1 5 ％的条件下 ， 可得到 2 8 d 抗压强度大于 C 1 5的混凝土。 在满足普通混凝土强度要求 的前提下 ， 所制备的混 凝土浸出液中， 重金属含量均达到 G B 5 0 8 5 --1 9 9 6 ( 危险废物鉴别标准》 的要求 ， 无二次污染 。 关键词 ： 废水处理渣 ； 普通混凝土； 抗压强度 ； 浸出液 中图分类号 ： T U 5 2 8 ． 0 4 1 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 1 1 — 0 1 2 6 — 0 3 Pr e p a r a t i o n o f c o n c r ~e wi t h s e wa g e t r e a t me n t r e s i du e s C HE N Y i ， GU J i n c h u a n ， F AN Z h ij i n ( a ． A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e ri n g ； b ． F o o d a n d B i o l o g i c a l E n g i n e e ri n g ， X i h u a U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 9 ， C h i n a ) Abs t r a ct ： Th e p r e p a r a t i o n o f c o n c r e t e wi t h the r a w ma t e ria l s of s e wa g e t r e a t me n t r e s i d u e s f r o m a s me l t i n g pl a n t ， c e me n t ， c o a r s e a g g r e — g a t e a n d fin e a g g r e g a t e wa s e x p e rim e n t e d． Th e r e s u l t s s h o w th a t th e c o n c r e t e wi t h t h e 2 8d c o m p r e s s i v e s t r e n g th g r e a t e r th a n C1 5 c a n be o b t a i n e d， wh e n the wa t e r—b i n d e r r a ti o i s 4 0 ％ ， t h e s a nd r a t i o i s 2 9 ％ ， a n d t he s e wa g e t r e a t me n t r e s i d u e s i s 1 5 ％． On the p r o mi s e of s a ris — f y i n g the r e q u i r e me n t s of o r d i na r y c o n c r e t e s t r e ng t h， the c o n t e n t s o f h e a v y me t a l s i n the l e a c h i n g s o l ut i o n o f t h e p r e pa r e d c on c r e t e c a n me e t the r e q u i r e me n t s i n the“ I d e n t i fi c a t i o n S t a n d ard f o r Ha z ard o u s W a s t e s ”( GB 5 0 8 5 -- 1 9 9 6) ， a n d wi l l n o t c a u s e s e c o n d a r y p o i l u — t i o n． Ke y wor ds： s e wa g e tre a t me n t r e s i d u e s ； o r d i n a ry c o n c r e t e； c o mp r e s s i o n s tre n g th ； l e a c h i ng s o l u t i o n 0 引言 随着我国现代工业的迅猛发展 ， 工业废渣 的排放量也 与 日 俱增 ， 废渣 处理不 当 ， 将造成更 大 的环 境污染 。目 前 ， 我国工业废渣的主要去向为 ： 一 、 在工厂附近堆放 ； 二 、 用于制煤渣 、 建筑材料 ； 三 、 与垃圾一道运 出市 区。 工业废 渣的固体废弃物长期堆存不仅 占用大量土地 ， 而且会造成 对水系和大气 的严重污 染和危 害 。 废渣 与垃圾 混合处 理 ， 忽略了工业废渣的特殊性 ， 在处理过程 中可能造成更 大污染。 废渣中含有许多有用物质 ， 通过各种加工处理可以把 废渣变为有用的物质或 能量 ， 不但具有 经济意义 ， 而且还 有社会意义 。 废渣综合利用主要包括两个方 面： 一是尽 可能多地回收渣中的有价金属 ； 二是利用废渣制造各 种有 用 的材料 。 废渣制造材料主要有生产矿渣水泥 、 炼铁 、 生 产铸石及微型玻璃制 品、 生产隔热材料 、 生产砖瓦 、 生产农 肥 、 用作筑路材料 、 用 作除锈 剂等 。 其 中， 用废渣制 作普 通混凝土 ， 通过在建筑材料 中添加废渣 ， 既能节约其 他材 料 ， 又能处理废渣 。 但是这些研究未对产 品浸 出液是否会 污染环境的问题进行深入研究 。 本试验通过混凝土配合 比 收稿日期 ： 2 0 1 5 — 0 2 — 1 2 基 金项 目： 国家高技术研究发展计 划( 8 6 3计划 ) 项 目( 2 0 1 2 A A 0 6 2 5 0 4 ) 1 26 设计试验 ， 不仅用废渣制作混凝 土， 同时使 产品浸 出液达 到了国家标准 。 1 试验原料 1 ． 1 原料 ( 1 ) 废水处理渣。 试验所采用 的废水处理渣 由某冶炼 厂提供 ， 废水处 理渣成粉末状 ， 粒 度均匀 。 其粉晶 x 衍射 分析结构如图 1 ， 通过对该 图的分析所得废水处理渣成分 见表 1 ， 其主要重金属含 量见表 2 。 由表 1可知 ， 废水处理 渣 中石膏含量最高 ， 石膏是混凝土 的重要组 成成分之一 ， 在混凝土凝结过程 中起着缓凝剂 的作用。 由表 2可知 ， 废 水处理渣 中重金属含量最高 的为 Z n ， P b 含量 次之 ， H g含 量相对最低 。 ( 2 ) 水泥 采 用都江堰拉法基水泥有限公司生产的拉 表 1 废水处理渣成分分析 3 0 0 0 2 5OO 2 0 0 0 1 500 1 0 0 0 500 O Z nS ： 5 ％ S i O2 ： 5 ％ Ca CO3 ： 1 O ％ C a S O ( H 0 ) ： 5 5 ％C a S O 0 ． 6 7 H2 O： 2 5 ％ 鼹 鬻 黎 臻 ． J l ， I } ， ． ～ l ⋯ { I 1． { !1 ⋯ ’ ． I ： ． ． i ． ． ． ． 1 0 2 0 3 0 4 0 5 O 图 1 废水处理渣 X R D图谱 法基 P O 4 2 ． 5级水泥 ， 初凝时 间为 1 1 8 m i n ， 终凝时 问为 1 8 3 m i n 。 其物理性质如表 3 。 ( 3 ) 细骨料。 试 验细骨料属 于 自然砂石 ， 由成 都郫县 红光砂石厂提供 ， 其 物理性质见表 4 。 ( 4 ) 粗骨料 。 由碎石组成 ， 来 自成都郫县红光砂石厂 ， 其粒径在 1 0 ～ 2 0 mm 占9 0 ％， 密度为 2 8 3 0 k g ／ m 。 2试 验 方 法 2 ． 1 重金属 离子溶 出试验 方法 固体材料 中重金属离子溶出的室内试验方法可分为两 类 ： 一类 为平衡试验 ， 包括p H值控制 下 的各 种“ b a t c h ” 表3水泥的物理性质 表4 细骨料物理性质 抽 出试验 ； 另一类 为非平衡试验 ， 包括各种水 流动速率下 的“ c o l u m n ” 渗流试验 和“ m o n o l i t h i c ” 表面溶 出试验 。 本 次试验主要采取“ b a t c h ” 抽 出试验方 法中的最 大溶 出试验方法 ( N E N 7 3 4 1 ) ， 见表 5 。 表5最大溶出试验方法( N E N 7 3 4 1 ) “ b a t c h ” 抽 出试验 的过程 通常是 ， 首 先将小 尺寸 固体 材料与溶媒混合， 然后搅动拌合物至规定时间， 提取沥出 液并 分析其 中的重金属离子含量 。 2 ． 2混凝土配合 比设计 2 ． 2 ． 1 混凝土配合 比的基本参数 根据 J G J 5 5 —2 0 1 1 《 普通混凝土配合比设计规程》 ， 当混 凝土的设计强度等级小于C 5 0时， 配制强度计算式如式( 1 ) ： ．。 = ．k +1 ． 6 4 5 g ( 1 ) 式中 ： 。 ——混凝土的配制强度 ， MP a ； ． —— 混凝土设计龄期的抗压强度 ， MP a ； 盯 ——混凝土抗压强度标准差 ， MP a 。 根据规程该值取 4 。 根据规程设计混凝土配合 比， 至少采用三个不 同的配 合比 ， 试拌后进行 混凝 土强度试验 ， 确 定出 以下 4组 基 本参数 ， 见表 6 。 表 6混凝土配合比设计的基本参数 2 ． 2 ． 2 混凝土的制备 ( 1 ) 按照配合 比称取适 量 的水 泥 ， 废水 处理 渣 ， 细骨 料 ， 粗骨料和水 ， 人工搅拌均匀 。 ( 2 ) 将搅拌好 的料浆迅速装入 1 5 c m 1 5 c m x 1 5 c m 的模具 中， 隔 2 4 h拆模。 ( 3 ) 放人标准养护室养护并保持潮湿， 养护时间为 2 8 d 。 3 试验 结果与讨论 3 ． 1 混 凝 土 抗 压 强度 的 测试 试 验 混凝土制品的抗压强度测试结果见表 7 。 表 7混凝 土制 品测试 结 果 根据国家标准规定 ， C 1 5 混凝土的 2 8 d 抗压强度应在 1 5 MP a以上。 从表 7可以看出， 按照 J G J 5 5 —2 叭1 《 普通 混凝土配合比设计规程》 设计 的四组混凝土均满足 国家标 准要求 。 其 中， 第 1 组 达到 的效 果最好 。 所 以推荐 的配合 比如下表 8 。 表 8 较优混凝土配合比的设计参数 3 ． 2 推荐 配合 比混凝 土的浸 出液试验 采用( N E N一 7 3 4 1 ) 在两种不同溶媒 中分别测试最 大 可能溶出试验。 溶媒 1 ： 为 p H= 7值 的离子交换水 ； 溶媒 2 ： 用氢氧化钠溶液将 p H调至 4 。 针对 C u 、 H g、 P b、 C d、 As 、 Z n等重金属进行测试 。 浸出液检测结果见表 9 。 1 27 表 9 推荐配合比混凝土浸出液检测结果 ix g ／ L 根据 G B 5 0 8 5 _ 3 —2 0 0 7 《 危险固废鉴别标准 浸出毒性 鉴别》 可知 ， 浸出液 中任何一种危 害成分的浓度超过标准 浓度值 ， 则该废物是具有浸 出毒性 的危 险废物 。由表 9 数据对 比标准浓度值分析可知 ， 各组 混凝土 的重金属最大 浸出液浓度均达标。 按照推荐配合 比所配制的废水处理渣 混凝土满足要求 。 3 ． 3水 泥 固化 分析 废水处理渣混凝土原料拌和水后 ， 水泥固化过程发生 的水合反应主要是 ： 四种水泥熟料 ( 主要为硅酸三钙 、 硅酸二钙 、 铝酸三钙 以及铁铝酸钙 ) 与水发生反应 ， 生成水化硅酸钙 、 水化硫铝 酸钙 以及水化铁酸钙 和氢氧化钙 。 发生 的化学反应 如 下 ： ( 1 ) 硅酸三钙的水合反应 硅酸三钙水化反应快 ， 放热量大。 在 常温下的水化反 应生成水化硅酸钙( C — S ． H凝胶 ) 和氢氧化钙 ， 如式( 1 ) 。 3 Ca O S i O2+n H2 O = x C a O S i O2 y H2 O+( 3一X ) Ca ( O H) 2 ( 1 ) ( 2 ) 硅酸二钙的水合反应 c ， s的水化与 c s相似 ， 其抗水性好 ， 只不过水化速 度慢 ， 水化热小 。 ( 3 ) 铝酸三钙的水合反应 铝酸三钙 的水化迅速 ， 放 热快 且多。 由于废水处 理渣 中含有石膏 ， 在有石膏存 在时 ， 铝酸三钙开始水化 生成高 硫型水化硫酸钙 ( A F t ) ， 如式 ( 2 ) 。 3 C a O A1 2 O3 + 3( C a S O4 2 H2 0)+2 6 H2 O= 3 Ca O A1 2 O3 3 C a S O4 3 2 H2 O ( 2 ) 当石膏耗尽时， 铝酸三钙还会与钙矾石反应生产单硫 型水化硫铝酸钙( A F m) ， 如式 ( 3 ) 。 3 C a O A L l 2 O3 3 C a S O4 3 2 H2 O+2 ( 3 Ca O‘ Al 2 O3 )+ 4 H2 O=3 ( 3 C a O A1 2 O3 C a S O4 1 2 H2 O) ( 3 ) 水化硫酸铝钙会导致 固化体膨胀和破裂 。 但 是 ， 由试 验结果可知 ， 废水处理渣 中含有 的石膏并 不足以引起混凝 土表面剥落。 同时， 还起到了缓凝剂的作用 ， 有利于实际工 程 中高温条件下连续灌筑混凝 土、 大体 积混凝 土 、 预拌? 昆 凝土和泵送混凝 土等。 ( 4 ) 铁铝酸四钙的水合反应 C A F的水化速率 比c A略慢， 水化热较低， 即使单 独水化也不会 引起快凝 。 其水化 反应及其 产物与 C A很 相似 。 4 结论 ( 1 ) 研究表明， 采用废水处理 渣 、 水泥 、 细骨料和粗骨 - 1 28 料作为原材料， 按照推荐组的最佳配合比所制备的混凝土 满足设计 和施工要求 。 所 获得 的混凝土 2 8 d抗 压强度大 于 C 1 5 ， 满足普通混凝土强度要求 ， 可以进行综合利用。 最 佳配合 比的基本参数为 ： 水胶 比0 ． 4 0 ， 砂率 2 9 ％， 废水处理 渣 1 5 ％。 ( 2 ) 向混凝土中加入适量 的废水处理渣 ， 不会 引起 混 凝土表面剥落 ， 可起 到缓凝 剂 的作用 ， 有利于实 际工程 中 高温条件下所需时间较长的} 昆 凝土灌筑。 ( 3 ) 通过模拟实际工程中的操作 方式 ， 按照推荐配合 比制得的混凝土 ， 浸 出液各项指标均达到国家标准 。 参考 文献 ： [ 1 3黄弘， 唐明亮， 沈晓冬， 等． 工业废渣资源化及其可持续发展与 水泥混凝土工业相 结合走可 持续发展之 路[ J ] ． 材料导 报， 2 0 0 6 ， 2 o ( s ) ： 4 5 5 — 4 5 8 ． [ 2 ]童定文， 曹智国． 工业废渣加固土强度特性[ J ] ． 岩土力学， 2 0 1 3 ( 8 ) ： 5 4— 5 4 ． I- 3 ]牛晨亮， 黄新， 李战国， 等． 利用工业废渣固化软土的试验研究[ J ] ． 环境工程学报 ， 2 0 0 9 ( 1 O ) ： 1 8 7 1 — 1 8 7 1 ． [ 4 ]王明玉 ， 刘晓华， 隋智通． 冶金废渣的综合利用技术[ J ] ． 矿产综 合利用 ， 2 0 0 6 ( 6 ) ： 2 8— 3 1 ． [ 5 ]中国科学院地质研究所． 几种工业废渣的综合利用E J ] ． 环境保 护 ， 1 9 8 1 ( 1 ) ： 2 8 — 3 5 ． [ 6 ]周宏敏 ， 柴俊 ， 郭迪． 绿色生态混凝土技术及其研究现状E J ] ． 混 凝土， 2 0 0 8 ( 5 ) ： 9 0— 9 7 ． [ 7 ]周世华 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