白卫峰 亢勇 吕亚军 杨龙宾 郭晓宁 朱晨辉

摘 要：为探讨混凝土搅拌站废渣的再生利用问题，对搅拌站清洗废渣进行处理，得到粒径为75 μm以下的废渣粉末（WSP），将WSP按照不同比例对胶凝材料中的水泥进行部分替换，制备成WSP混凝土。测试了其坍落度、抗压强度及孔隙结构，进行了热重、生态和经济性分析，并根据性价比给出了替换率的建议值。结果表明：1）采用WSP替换水泥不会增加混凝土孔隙结构中有害孔和多害孔的比例;2）WSP替换率为3%～20%时，所制备的混凝土具有较好的流动性，7，28 d抗压强度的平均值分别为45，54 MPa;替换率超过12%时，抗压强度呈现出一定的减小趋势;3）当替换率为8%，12%，16%，20%时，WSP混凝土的成本及生态指标数据均较普通混凝土有所下降;建议WSP最佳替换率为12%左右。研究结果为搅拌站清洗废渣的再生处理和资源化利用提供了试验依据。

关键词：非金属建筑材料;废渣粉末;水泥基材料;资源化利用;D-最优设计

中图分类号：TU528;X705   文献标识码：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2022yx03010

Experimental study on properties of recycled cement-based materials based on waste slag powder

BAI Weifeng1，KANG Yong1，LYU Yajun2，YANG Longbin2，GUO Xiaoning2，ZHU Chenhui2

（1.College of Water Conservancy，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou，Henan 450046，China;2.College of Architecture，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou，Henan 450046，China）

Abstract：In order to explore the recycling of waste slag in concrete mixing plant，the cleaning waste slag of mixing plant was treated to obtain waste slag powder （WSP） with particle size less than 75 μm.WSP is partially replaced with cement in cementitious materials according to different proportions to prepare WSP concrete.The slump，compressive strength and pore structure were tested，the thermogravimetric，ecological and economic analysis were carried out，and the recommended value of replacement rate was given according to the cost performance.The results show that：1） replacing cement with WSP will not increase the proportion of harmful holes and multi harmful holes in concrete pore structure.2） When the replacement rate of WSP is 3%～20%，the prepared concrete has good fluidity;The average values of 7 d and 28 d compressive strength are 45 MPa and 54 MPa respectively;When the replacement rate exceeds 12%，the compressive strength shows a certain decreasing trend.3） When the replacement rate is 8%，12%，16% and 20%，the cost and ecological index data of WSP concrete are lower than that of ordinary concrete.It is suggested that the best replacement rate of WSP is about 12%.The research results provide an experimental basis for the regeneration treatment and resource utilization of cleaning waste slag in mixing plant.

Keywords：

non-metallic building materials;waste slag powder;cement-based materials;resource utilization;D-optimal design

随着中国城市化进程的加速和建筑业的蓬勃发展[1-2]，建筑垃圾空前增加，搅拌站和混凝土罐车在清洗过程中同样会产生大量建筑废渣。混凝土运输车在完成输送任务后，为了避免残留混凝土硬化结块，造成清洁困难[3]，用清水冲洗运输车罐体，形成了一定的沉淀物，即为清洗废渣（以下简称废渣）。据不完全统计，每生产1 m3混凝土平均产生废渣0.02 t，以年产16亿m3混凝土计算，每年至少产生废渣3 200万t[4]。建筑垃圾巨大的废渣量给外运造成不小的负担，并且它的乱堆乱放不仅侵占土地资源，污染土壤、水体、大气，也给固体废弃物处理增加了压力。目前，中国资源利用率偏低[5]，若能够对清洗废渣进行有效的资源化再生利用[6]，将对中国建筑业发展和生态环境保护起到重要的推動作用。

相关研究中，曾维等[4]分析了普通等级混凝土、建筑砂浆及免烧砖掺废渣的可行性，对搅拌站废渣在混凝土和水泥制品中的应用进行了初步探索。汪金文等[7]研究了搅拌站固废复合掺合料的特性及其对混凝土性能的影响，结果表明，在混凝土中掺入搅拌站固废复合掺合料后能够显著改善混凝土拌合物的和易性，可以实现搅拌站固废的减量化、资源化、无害化，达到资源综合利用、保护环境的目的。胡立志[8]设计了含搅拌站废渣的复合掺合料的生产工艺，开发了以搅拌站废渣为主要组成的多元工业废渣复合掺合料，取得了良好的经济及社会效益。陈曦等[9]研究了实验室破碎废弃混凝土过程中产生的再生微粉的性能，并将再生微粉以不同比例掺入水泥净浆、砂浆及混凝土中，研究其影响规律。目前，建筑废弃物处理的主要方式包括回填，以及将废弃混凝土块经过破碎、除杂、分级等处理后生成再生骨料制备再生混凝土[10-11]。IBRAHIM等[12]利用再生细骨料（RCA）制备了绿色透水混凝土。ALMESHAL等[13]讨论了不同类型塑料废料作为再生细骨料对水泥基复合材料性能的影响。ZHANG等[14]利用城市固体废物焚烧残留物制备了生态掺合料，将其作为混凝土中水泥的替代品。综上所述，建筑废弃物的资源化再生利用已成为建筑领域当前的一个研究热点，目前的相关研究主要集中于以再生骨料的形式将这些废弃物进行回收利用[8]，全部或部分替换天然骨料以制备再生骨料混凝土，而将搅拌站清洗废渣作为制备混凝土的原料进行资源化再生利用的研究相对较少。在国家“双碳”战略目标背景下，开展废渣性能及性价比等研究，探索废渣资源化再生利用的有效途径，具有重要的现实意义和研究价值。

本研究将混凝土搅拌站清洗产生的废渣经过处理后，得到粒径小于75 μm的废渣粉末（waste slag powder，WSP），分析其化学成分、微观结构及粒径分布;进行试验配合比优化设计，将WSP按照不同比例对胶凝材料中的水泥进行部分替换，制备成WSP再生混凝土;对制备的再生混凝土开展了坍落度、力学性能、热重及孔隙分布测试;根据标准EN ISO 14040—2006[15]和EN ISO 14044—2006[16]进行全寿命周期的生态评价;利用归一化成本指数（NCI）进行经济效益評价。

1 试验材料

1.1 试验原材料

采用普通硅酸盐水泥（P·O42.5，博爱金隅水泥有限公司提供）、硅粉（洛阳裕民微硅粉有限公司提供）和WSP（当地预拌混凝土搅拌站清洗废渣处理后小于75 μm的废渣粉末）作为胶凝材料，粗骨料采用5～10 mm和10～20 mm的碎石，细骨料采用机制砂（4.75 mm以下）和河砂（0.6～1.18 mm），聚羧酸高效减水剂[17]，减水率为30%（质量分数），固含量为30%（质量分数）。

1.2 废渣处理及微观结构

搅拌站废渣经收集后，先后进行烘干、破碎、球磨及筛分处理，最后得到WSP（75 μm以下），具体处理流程如图1所示。采用扫描电镜对WSP进行微观结构分析，SEM照片如图2所示。由图可以看出，WSP颗粒多为不规则形状，表面附着有很多细小颗粒，比较粗糙，具有解理面，这是因为机械破碎使WSP产生了大量的微裂纹和孔隙[9]。

1.3 混合物配合比设计

采用激光粒度仪（Mastersizer 2000，英国马尔文仪器有限公司提供）对WSP，P·O 42.5水泥（cement，C）和硅粉（silica fume，SF）进行粒径分析，如图3所示。从图中可以看出硅粉粒径最小，处理后的WSP与C粒径相近。

为分析WSP的掺入对混凝土的影响，以当地搅拌站提供的C30混凝土配合比为基础，保持粗骨料（1 015 kg/m3）、细骨料（835 kg/m3）的用量不变，将胶凝材料（水泥、硅粉和WSP）、水和减水剂的质量分数作为变化因子进行配合比设计。POWERS和BROWNYARD提出的水泥水化理论[18]认为，当水灰比（一般简化为W/C）小于0.42时水泥不能完全水化。水灰比较小时，水泥颗粒间距离小，水泥水化生产的胶体容易填充颗粒间的空隙，混凝土强度高。但是，过低的水灰比，造成水的数量过少，水泥水化困难，部分水泥得不到充分水化，也不利于强度的提高。封孝信等[19]、吴泽弘等[20]和陈旭升等[21]研究了低水灰比（W/C≤0.38）硅酸盐水泥的水化程度，结果显示28 d龄期时混凝土中至少有20%未水化的水泥。曾维等[4]、陈曦等[9]的研究表明，再生废弃混凝土微粉具有潜在活性，可以替代部分水泥胶凝材料，但替代率不宜超过水泥质量的20%。在一定的水灰比下，硅粉的掺入会降低混凝土的坍落度，提高混凝土的强度[22]。一方面，掺入的硅粉在水泥颗粒之间的空隙当中起到类似细集料的填充作用[23]，从微观上可减少混凝土的空隙率，增加混凝土的质密性;另一方面，硅粉能够与氢氧化钙发生火山灰反应[24]，从而生成水化硅酸钙凝胶，合理的硅粉掺量能提高混凝土的强度，显著改善塑性混凝土的黏附性和凝聚性，硅粉的最佳掺量（质量分数）范围为5%～10%[25-27]。根据上述研究及试验实测情况，对变化因子的用量范围进行约束，如表1所示。

采用Design Expert 8.0.6设计软件，基于D-最优方法[28]进行配合比设计，通过调整变化因子以实现改进混合料流动性能的目标。首先，初步设计了25组配合比工况，分别测量其所对应的混合料的坍落度，然后根据坍落度的实测值对初始配合比进行校正，最终得到每组工况的最佳配合比，如表2所示。其中WSP替换率R（定义为WSP与胶凝材料总质量的比值）范围为0%～20%。结果与讨论中的数据，均为替换率R相同试验工况的数据取平均值获得。

2 试验测试及评价方法

2.1 WSP混凝土性能测试

按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[29]进行抗压强度测试，制备100 mm×100 mm×100 mm试块，每组3块，固化24 h后进行脱模养护，试块在温度（20±1）℃、湿度95%的条件下进行养护，养护7 d和28 d后测试强度，每批测试3个样品，取平均值。坍落度的测试按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法》[30]进行。

2.2 热重及孔隙结构测试

在设计的25组配合比中，将表2中12，1，2，5，20工况（分别对应替换率R为0%，8%，12%，16%，20%）标记为M0，M8，M12，M16，M20。固化28 d后，将试块进行破碎及筛分。利用NETZSCH STA系列同步热分析仪（耐驰公司提供）对筛分好的粉末（75 μm以下，10 mg）进行热重测试。利用AutoPore IV-9500微型压汞仪（MIP，美国麦克仪器公司提供）对尺寸在1 cm以内、高度不超过2.5 cm的试块进行孔隙结构测试，测试前，将样品浸泡在丙酮中，然后在（60±2）℃的真空环境中干燥4 h。

2.3 WSP混凝土经济评价

采用单位立方米混凝土作为原材料成本（以归一化成本指数（normalized cost index，NCI）表示），来估算WSP混凝土经济效益。每种原材料的单价[31]见表3。归一化成本指数计算如下：

NCI=XXRef，（1）

X=∑ni=1MiPi，（2）

式中：X为WSP混凝土的单价，元/kg;XRef為普通C30混凝土的单价，元/kg;Mi为每种原料的用量，kg;Pi为每种原料的单价，元/kg。

2.4 WSP混凝土生态评价

根据标准EN ISO 14040—2006和EN ISO 14044—2006，采用一次能源消耗量（primary energy consumption，PEC）、可再生能源消耗量（renewable energy consumption，REC）、CO2排放量、SO2排放量和PO4排放量5项基本指标，对WSP混凝土进行了全寿命周期的生态评价[28]，制备生态型混凝土原料的相关生态数据[32]见表4。

3 结果与讨论

3.1 WSP混凝土性能研究

WSP混凝土的坍落度和抗压强度（7 d和28 d）测试结果如图4所示，不掺WSP（替换率R=0%）混凝土的坍落度为191 mm，7 d和28 d的抗压强度分别为43 MPa和54 MPa;掺入WSP混凝土的坍落度平均值为176 mm，7 d和28 d的抗压强度平均值分别为45 MPa和54 MPa。可以看出，与不掺WSP混凝土相比，当替换率为0%～12%时，抗压强度存在一定波动;当替换率超过12%时，随着替换率的增加，抗压强度有一定的减小。

3.2 WSP混凝土热重分析

固化28 d后，WSP混凝土样品的质量损失率（TG）和质量损失速率（DTG）如图5所示。由图5 a）可以发现，混凝土质量损失过程分为2个阶段，700 ℃之前，质量损失率维持在一个较小的程度，这一阶段造成质量损失的主要原因是自由水和水化产物的分解。掺入WSP后，会导致混凝土中自由水和水化产物相对减少，使得WSP混凝土质量损失有所减小。在700 ℃时，M0，M8，M12，M16，M20的质量损失率分别为9.53%，8.37%，8.06%，8.01%，8.64%。700 ℃之后，质量损失速率有所增大，与M0相比，M8，M12，M16，M20质量损失分别减少6.3%，5.2%，11.4%，18.9%，这一阶段造成质量损失的主要原因是碳酸钙的分解，利用WSP部分替换水泥后，会导致混凝土中生成的碳酸钙含量相对减少，使得WSP混凝土质量损失有所减小。

由图5 b）可以发现，所有样品的质量损失速率峰位置主要有3个，60～150 ℃是一个质量损失的阶段，是由自由水的蒸发、水化硅酸钙和钙矾石的分解造成的[33];380～500 ℃的质量损失是由氢氧化钙的分解造成的;700～850 ℃是另外一个质量损失的阶段，相较于前2个阶段，第3个阶段的损失最为明显。

为了进一步分析WSP的化学成分，对WSP进行250，450，650，1 050 ℃高温处理，然后进行XRD测试，测试结果如图6所示。由图可见，当加热温度为250 ℃时，WSP基本化学成分有Ca（OH）2，SiO2及CaCO3;当加热到450 ℃时，Ca（OH）2峰消失;当加热到1 050 ℃时，只含有SiO2、硅酸二钙（C2S）和硅酸三钙（C3S），其主要化学成分与水泥相似。

3.3 WSP混凝土孔隙结构分析

固化28 d后，WSP混凝土样品的总孔隙率以及孔径分布如表5所示，累积孔隙体积和各孔隙占比如图7所示。吴中伟等[34]将孔隙按孔径大小分为4级：孔径小于20 nm的孔为无害孔，20～50 nm的为少害孔，50～200 nm的为有害孔，大于200 nm的则为多害孔。

由表5和图7可知，M0，M8，M12，M16，M20总孔隙率分别为11%，12%，16%，13%，14%;其中无害孔加少害孔所占比例分别为56%，66%，69%，67%，64%，有害孔加多害孔的比例分别为44%，34%，31%，33%，36%。掺入WSP后虽然总孔隙率有所增大，但有害孔加多害孔在总孔隙率中所占比例明显减小。M0，M8，M12，M16，M20总孔隙率中有害孔加多害孔所占比例分别为4.80%，4.09%，4.99%，4.28%，4.98%，未出现明显增大趋势。从微观孔隙结构角度来分析，对混凝土力学性能也不会产生过多的负面影响。

3.4 WSP混凝土性价比分析

WSP混凝土的性价比从抗压强度（28 d）、经济性和生态影响3个方面进行评价，其中经济性利用NCI进行表征，如图8所示。由图可看出，当替换率R分别为0%，8%，12%，16%，20%时，混凝土28 d抗压强度分别为54.3，53.5，53.0，50.0，48.0 MPa;归一化成本指数分别为0.96，0.89，0.88，0.84，0.86。与替换率R为0%相比，替换率R为8%，12%，16%，20%的混凝土抗压强度分别降低1.5%，2.4%，7.9%，11.6%;成本分别可降低约7.18%，8.33%，12.44%，10.73%。

不同替换率下WSP混凝土各项生态指标见表6和图9。可以看出，随着掺入量的增加，WSP混凝土对环境的影响显著降低，各项生态指标均有所下降。例如，与替换率R为0%相比，替换率R为8%，12%，16%，20%混凝土的CO2排放量分别减少约7.14%，12.03%，15.41%，19.17%。当替换率R在0%～12%时，抗压强度没有明显改变，同时结合成本和生态指标综合考虑，建议WSP合理替换率R为12%左右。

4 结 语

基于D-最优方法设计了25组配合比工况，利用WSP对胶凝材料中的水泥进行部分替换，制备出再生WSP混凝土，分别对再生WSP混凝土的坍落度和力学性能进行了测试，对固化28 d后的混凝土样品进行了热重分析和孔隙结构测试，并进一步做了XRD分析，从抗压强度（28 d）、经济性及生态影响3个方面对混凝土进行了评价。结论如下。

1）与不掺入WSP（替换率R=0%）相比，掺入WSP后混凝土坍落度的平均值为176 mm，表现出较好的流动性，7 d和28 d抗压强度的平均值分别为45 MPa和54 MPa。

2）掺入WSP后，混凝土的质量损失有所减少，700 ℃之前的质量损失主要是由于自由水和水化产物分解造成，700 ℃之后的质量损失主要原因是碳酸钙分解，WSP主要化学成分与水泥相似。

3）掺入WSP后虽然混凝土的总孔隙率有所增大，但有害孔加多害孔在总孔隙率中所占比例明显减小;从微观孔隙结构来看，掺入WSP对混凝土力学性能不会产生过多的负面影响。

4）与不掺入WSP（替换率R=0%）相比，替换率R为8%，12%，16%，20%的混凝土，抗压强度分别降低1.5%，2.4%，7.9%，11.6%，节约成本约7.18%，8.33%，12.44%，10.73%，CO2排放量分别减少约7.14%，12.03%，15.41%，19.17%。

5）在生产混凝土过程中，适当地利用WSP替换胶凝材料中的部分水泥是合理可行的，根据性价比建议WSP合理替换率R为12%左右。

本文对WSP再生混凝土的基本性能进行了测试及分析，为搅拌站清洗废渣的资源化利用提供了试验依据。但仍有不足之处，尽管配合比中掺入了硅粉，但试验结果并不能反映硅粉对WSP混凝土各性能的具体影响，后续将进一步开展相关研究，分析硅粉掺量对WSP混凝土性能的影响规律。

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