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水化稳定剂外加剂在预拌混凝土厂的应用
路易斯·德布里托·普拉多·维埃拉，安东尼奥·多明格斯·菲格雷多
摘要
混凝土生产过程中产生的废物约占预拌混凝土厂混凝土总产量的3%，这种废物的经济和环境成本很高，这意味着需要更多的解决方案来消除这个问题。本文介绍了在预拌混凝土（RMC）厂采用水化稳定剂外加剂（HSA）对粘结混凝土和剩余混凝土进行再利用的工程实例，并介绍了工程实施过程和取得的效果。所采用的方法是基于初步的实验室研究和实际规模的试验，以评估在实际RMC条件下实施该过程的技术和经济可行性，重点研究了HSA对混凝土凝结时间和抗压强度的影响。随后，对1500个使用HSA外加剂的剩余混凝土和粘结混凝土的再利用试验结果进行了观察和分析，结果表明：参考混凝土的特征抗压强度与稳定混凝土相似。
这项研究有助于提高对RMC混凝土废料再利用领域的认识，因为它证明了只要在先前的实验室试验中考虑温度和凝结时间对混凝土稳定的影响，HSA的使用是可行的。研究还得出结论，使用HSA并不意味着对混凝土抗压强度有负面影响。最后，在所研究的案例中，使用HSA对混凝土进行再利用的方法对RMC是经济上有利的，因为再利用原材料产生的收入高于用于稳定混凝土残余物和粘附混凝土的HSA的成本。
关键字：预拌混凝土废物管理，废物再利用，水合稳定剂混合物.
- 介绍
根据维埃拉等人的说法（1），巴西预拌混凝土（RMC）工厂产生的混凝土残渣量约占混凝土总产量的3%。虽然这个比例很小，考虑到全世界每年大约生产250亿吨混凝土，混凝土废料产生大约有7.5亿吨。其中相当一部分是在RMC工厂生产的。因此，这个问题不容忽视。
RMC的混凝土生产总是产生一定数量的混凝土废料[2]，从回收的混凝土生产RMC时，可能产生两种不同类型的混凝土废物：粘附混凝土和残余混凝土。粘附混凝土是指混凝土搅拌车在完全卸载后，在其滚筒内浸渍的材料，剩余混凝土为施工现场未卸出的剩余混凝土，虽然偶尔会产生剩余混凝土，但粘附混凝土是一种恒定的残留物，因为它总是在每次预拌混凝土卡车返回工厂时出现[1]。RMC公司为防止返回的混凝土变成混凝土废物从而减少垃圾填埋场废物处理量而采用的策略之一是使用外加剂，如水泥水化稳定剂[3]。水化稳定剂外加（HSAs）的使用，为剩余混凝土、粘结混凝土等各种混凝土的再生利用创造了有利条件。这个策略为了彻底消除混凝土废物提供了条件，将返回的混凝土作为一个整体使用，并避免产生泥浆和高耗水，这是混凝土回收设备用于用于单独回收骨料[4]。值得注意的是，一些研究使用重新利用来命名使用HSA的技术，以避免混凝土废料的产生[5,6]，但其他使用回收利用表示[7–9]。
根据格布雷米沙尔等观点[10]，HSA允许剩余的混凝土在长达72小时的时间内保持新鲜状态，从而可以重复使用。该研究还表明，在某些情况下，将稳定的混凝土与HSA用作新混凝土的原材料可提高最终产品的抗压强度。
张等[11]指出，使用HSA是提高RMC生产可持续性的好策略，因为这些掺混物可避免由于运输过程中出现的问题而导致整个卡车损失。哈达德等人的研究[12]在实验室研究中证实了混凝土整体抗压强度降低的趋势。尽管对最终抗压强度有影响，但使用HSA会导致早期抗压强度降低[13]。
HSA就像一个高范围阻滞剂，它与传统的缓凝剂不同，因为它可以防止铝酸三钙（C3A）的水合。另外，稳定混凝土的物理性能与未处理的对照混凝土一样好。HSA以某种方式影响水泥水合反应的诱导期，一旦其作用减弱，水合反应就会恢复到正常速率[14,15]。因此，HSA的添加量越高，初始凝固时间越长，在初始和最终混凝土凝固时间之间会有微小的变化。但是，超过一定量的HSA，增加HSA的剂量没有效果[7,6]。
根据保利尼·库拉纳[8]的说法，HSA是一种活性表面剂，当在混凝土搅拌开始时添加时，它会抑制CSH和CH的成核，从而降低了钙和硫酸盐的溶解速度以及水合化合物的沉淀。结果。稍后添加HSA时（当水合水泥产品的成核已经开始时），这种混合物会阻碍水合物晶体的生长。
稳定期根据水泥的类型和所用矿物掺合料的类型而变化。自然，结果变化带来的不确定性会在工业运行条件下难以实施该技术。因此，重要的是要确保对返回的混凝土与HSA之间相互作用的行为进行适当的映射，以使其能够在RMC工厂中实施。水泥中熟料的含量越高，在给定的时期内稳定混凝土所需的掺合料含量就越高[9]。
当添加新混凝土以完成卡车载重量时，减少了稳定混凝土的稳定时间[8]。贝尼尼[16]的先前研究表明，通过以1：1的比例添加增量水泥，可以用水泥重量中1％的HSA活化稳定的混凝土。以前的实验室研究已经强调了这种外加剂应用的积极前景[5,7]。然而，对于有效实施该技术的实际生产行为变化的风险产生了疑问。
当前有关使用HSA的许多文献都集中在小型实验室研究上，而使用现场研究结果进行的实验研究则很少见[10,12,9,14]。而且，即使是最后一种方法，也都与在特定情况下或在单个工厂中的使用有关，而不是与同时在多个单元中同时使用HSA残留物再利用的植入程序有关，如此处相关研究的情况。
为了便于在RMC生产过程中引入HSA，必须定义可以重复使用的混凝土。这种选择对于更好地了解不同量的HSA对返还混凝土凝结时间的影响尤为重要，这对于在交通繁忙的城市中心（例如圣保罗）的RMC操作而言是至关重要的方面。此外，有必要了解是否有可能将在实验室研究中获得的结果应用于RMC工厂的日常运行中，从而确保减少长期的混凝土废物产生。本文的目的是介绍在巴西最大的RMC公司之一中，使用HSA退还的混凝土进行再利用过程的实施过程中获得的操作程序和结果。从这个意义上讲，该研究强调了基于HSA的混凝土废物再利用技术的工业实施方法，根据现有资料分析了该外加剂对混凝土凝结时间和抗压强度的影响。
强调本文的创新性很重要，因为除了全面介绍成功的案例研究之外，本文还详细描述了用于实施由HSA返回的具体重用过程的过程，其中包括剩余的重用和重用。自初期研究阶段以来，一直坚持使用混凝土。这允许在其他RMC中复制过程，而不受地理区域，商业产品组合或本地惯例的影响。
- 方法论
进行了不同的测试，以验证将回收的混凝土用于HSA的可行性。试验中使用的HSA被ASTM C494分为B型和D型（缓凝剂以及减水和缓凝剂）。的技术可行性评估仅考虑分析凝结时间和混凝土的抗压强度。尚未评估对通常与抗压强度相关的其他特性（例如孔隙率，渗透率等）的影响。
根据凝固时间和抗压强度分析了用HSA（稳定混凝土）稳定的剩余混凝土。进行测试以评估HSA对稳定混凝土抗压强度的影响以及评估稳定混凝土在新混凝土配方（新混凝土）中的使用。通过ASTM C403标准测试测量混凝土凝固时间，并根据ACI 318测量抗压强度。所有试样均使用RMC工厂常规生产中使用的原材料生产。
作为一项初步措施，进行了实验室测试，以确定HSA含量与混凝土凝结时间之间的相关性，并验证可能对混凝土抗压强度的影响。还评估了温度效应。初步测试的结果可以确定相对于水泥含量（质量）的HSA百分比，以达到要求的混凝土凝固时间。之后，使用实际的剩余混凝土进行了实验室测试，以分析使用稳定混凝土对新混凝土抗压强度的影响。这些测试是作为工业规模应用测试的立即准备而进行的。这些实验室测试用于正确验证稳定的混凝土是否可用作新混凝土的原材料。经过这些实验室测试之后，对剩余的混凝土进行了规模测试，以确认生产条件下的结果。
在其他全面测试中，以工业规模评估了用于再利用粘结混凝土的HSA。评估了HSA制造商为粘附混凝土指定的程序的可行性以及优化剂量的可能性。然后评估了使用HSA消除了对混凝土搅拌筒中存在的粘附混凝土进行洗涤的需要。
2.1初步测试
初步测试是在通常需要S100坍落度等级的工地上使用的混凝土混合物上进行的。根据生产库存。这种类型的混凝土约占巴西RMC工厂生产的混凝土总量的20％。表1列出了S100坍落度等级（抗压强度等级C20，C25，C30和C35）的混合设计，以及在巴西圣保罗美洲豹RMC工厂获得的原材料成本。
所用的原始原料为：巴西波特兰CPIIE40型水泥（在水泥工业中与高炉矿渣，石英细骨料和石灰石粗骨料中的34％混合使用），减水剂，缓凝剂和天然水。根据贝尼尼[16]，掺合料对混凝土凝固时间的影响始于0.2％（水泥质量）的用量。因此，这是实验室测试中所用混合物的最低含量。超过1％的用量可能会使混凝土的凝固时间延迟48小时以上。总体上，在测试程序中使用了五种不同剂量的HSA（0.20％，0.4％，0.6％，0.8％和1.0％），以便将该剂量与混凝土的凝固时间以及对混凝土的可能影响相关联。混凝土强度。试验中使用的HSA符合巴西混凝土外加剂标准所要求的所有一般和特定要求[17]。
根据贝尼尼 [16]的说法，在混合开始后的4小时内向混凝土中添加HSA不会损害其稳定效果，但是在此之后，存在外加剂无法稳定混凝土的风险。因此，在本实验中，恰好在混合开始后4小时将HSA添加到所有混凝土混合料中。同样重要的是要提到，返回RMC工厂的混凝土只有1％在4小时后到达[1]。
还评估了温度对混凝土凝固时间的影响。三种不同的温度（15°C，25°C，和35°C）结合HSA来测量温度对凝固时间的影响。考虑到巴西的平均最低和最高每月温度在15°C和35°C之间变化，因此该范围是固定的[18].据认为，该温度范围将涵盖该地点的大多数典型工作温度RMC工厂位于巴西的地方。初步实验室测试的结果允许定义HSA的剂量与剩余混凝土温度的函数关系，以实现所需的混凝土凝固时间。
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原材料 混凝土配合比设计（千克/msup3;） 材料成本（美元/吨） |
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C20 C25 C30 C35 |
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水泥 236 371 298 317 93.16 |
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细骨料 1000 974 938 931 10.11 |
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粗骨料 993 994 996 997 7.87 |
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混合物 1.17 1.14 1.5 1.54 297.06 |
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水 170 170 170 170 0.13 |
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Sa - - - - 540.34 |
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混凝土原料成本 40.28 43.33 45.55 47.27 - （美元/msup3;） |
为了在整个实验室测试中使环境温度保持恒定，所有混凝土均在室内进行了准备，空调已设置为测试所需的温度。在开始测试之前，将所有使用的原材料和设备在此室中存放至少24小时。因此，材料有一个温度非常类似于室温。所有设置时间测试均在此房间中进行。将直径为100毫米，高度为200毫米的圆柱形试样浇铸以进行抗压强度测试，并将其在模具中的此室内放置24小时。在这段时间之后，按照巴西标准的建议，将标本进行鉴定并送至温度为23plusmn;2°C的固化室。
2.2实际混凝土剩菜的实验室测试
测试中使用的剩余混凝土以“超额定额”退还，也就是说，由于要求的混凝土量与浇筑所需的体积之间的差异，用户退还了混凝土。这是RMC公司退回混凝土的主要原因[1]。分析不包括使用非常规添加剂（纤维，颜料等）生产的混凝土的再利用。
根据外加剂生产商的建议，新混凝土中最多50％的水泥含量来自稳定的混凝土。因此，所需的新水泥的量等于再生混凝土中水泥的量。该测试仅限于混凝土坍落度等级S100和抗压强度等级C20，C25，C30和C35。此外，只有温度在15°C和35°C之间的混凝土剩余物才能稳定。
当混凝土在卡车桶内时，用红外温度计测量温度。仅当混凝土满足抗压强度等级，坍落度等级和温度的要求时，才抽取约70升混凝土的样本进行测试。
从混合物开始算起4小时后，将样品分为两部分：第一部分为10升，第二部分为60升。
用10升样品铸造一对样品以进行抗压强度测试。从该样品中获得的值被认为是稳定混凝土的参考，可以与新混凝土的结果进行比较。使用第二个样品生产了这种新混凝土。
称取60升样品的重量，并使用混凝土的密度确定样品中水泥的量。然后将该混凝土样品稳定24小时。考虑到所需的稳定时间（24小时），水泥含量和混凝土温度，根据在初步测试中获得的结果确定添加到混凝土中的HSA含量。
在实验室混合器中将60升混凝土样品与HSA均质化10分钟。之后，将具有稳定混凝土的样品从混凝土搅拌机中取出，放入塑料容器中放置24小时。在此期间，用湿布盖住塑料容器。
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