鋼渣透水混凝土力學性能與透水性能研究

王寧，張凱峰，趙世冉，姚源，鄧天明

（中建西部建設北方有限公司，陜西　西安　710116）

鋼渣透水混凝土力學性能與透水性能研究

王寧，張凱峰，趙世冉，姚源，鄧天明

（中建西部建設北方有限公司，陜西西安710116）

研究固定 W/C（水灰比）為0.28時，(S+G)/C（集料與水泥比）對鋼渣透水混凝土強度和透水系數的影響；固定(S+G)/C 為4.0時骨料粒徑和水灰比對鋼渣透水混凝土強度和透水系數的影響。研究結果表明：隨著 (S+G)/C 的減小，鋼渣透水混凝土透水系數減小，抗壓強度增大；而隨著水灰比增加，鋼渣透水混凝土透水系數降低。

鋼渣；透水混凝土；水灰比；力學性能

0　引言

鋼渣是冶煉鋼鐵工業的固體廢渣，其化學成分主要由鈣、鐵、鎂和鋁等多種氧化物組成。隨著我國工業化和城市化的進程不斷持續的加快，對鋼渣廢棄物的再生利用的意義顯得尤為重要，不僅有利于減少大氣污染，而且對改善城市生態環境也有重要作用[1]。鋼渣透水混凝土作為一種新型的環保型和生態型建筑材料，具有透水性和透氣性，能夠緩解“熱島效應”，在技術上是可行的。本研究以鋼渣作為粗骨料，研究鋼渣透水混凝土的力學性能和透水系數。

1　原材料及試驗方法

1.1原材料

水泥采用堯柏 P·O42.5R 普通硅酸鹽水泥，符合 GB175－2007《通用硅酸鹽水泥》的要求。

粗骨料采用某鋼鐵企業鋼渣，粉化率1.99%，經過烘干、破碎和篩分等工藝，生產出不同粒級的鋼渣，粒徑分別為2.36～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～13.2mm、13.2～16mm、16～19mm，屬單一級配，通過單一級配實現透水混凝土的透水功能。鋼渣化學組成如表1所示，物理性能如表2所示。

表1　鋼渣化學組成成分表　%

表2　鋼渣物理力學性能

1.2試驗方法

1.2.1制備流程

鋼渣透水混凝土制備流程見圖1。

圖1　鋼渣透水混凝土制備流程

1.2.2成型方法

試驗采用100mm×100mm×100mm 的抗壓試模，混凝土試件的成型方法與現場混凝土結構和構件實際采用的方法相同，過程中進行振搗，振搗時間為10s。成型后，在表面覆蓋一層塑料薄膜，置于標準養護室養護至規定齡期。

1.2.3透水系數測試方法

透水系數試驗參照日本混凝土工學協會制定的透水混凝土透水性試驗方法進行。可通過試驗數據、公式計算出透水混凝土的透水系數 Kt，試驗裝置見圖2。

式中：

Kt——水溫 T℃時的透水系數，cm/s；

Q——從時間 t1到 t2透過混凝土的水量，cm3；

D——混凝土試件的厚度，cm；

A——混凝土試件的面積，cm2；

H——水頭，cm；

t2－t1——測定時間，s。

圖2　透水系數試驗裝置

2　混凝土配合比設計

固定 (S+G)/C=4.0，鋼渣骨料采用單一粒徑研究水灰比和骨料粒徑對混凝土抗壓強度和透水系數的影響，混凝土配合比見表3。

固定水灰比0.28，研究 (S+G)/C、骨料粒徑對混凝土抗壓強度和透水系數的影響，混凝土配合比見表4。鋼渣粒徑為2.36～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～13.2mm、13.2～16mm、16～19mm 的編號分別為 A、B、C、D、E。

表3　混凝土配合比設計[(S+G)/C=4.0]

表4　混凝土配合比設計[水灰比0.28]

3　結果與討論

3.1水灰比對鋼渣透水混凝土力學性能的影響

3.1.1水灰比對抗壓強度的影響

當 (S+G)/C 固定為4.0時，水灰比、鋼渣粒徑與混凝土28d 抗壓強度的變化關系見圖3、表5。

表5　水灰比和鋼渣粒徑對鋼渣透水混凝土28d 強度的影響

圖3　水灰比和鋼渣粒徑對鋼渣透水混凝土28d 強度的影響

由圖3中可以看出，隨著水灰比的增大，鋼渣透水混凝土的28d 抗壓強度呈增大趨勢，但繼續增大水灰比，抗壓強度降低。這是因為鋼渣透水混凝土與普通混凝土不一樣，其本身就是一種干硬性的混凝土，水泥與水混合形成的水泥漿體對骨料的均勻包裹程度決定了鋼渣透水混凝土的抗壓強度。所以當降低水灰比時，用水量減少，水泥漿體表現的比較粘稠，較為粘稠的水泥漿體不能均勻地包裹骨料，引起骨料和水泥漿體之間粘結力下降，不能使抗壓強度增高。當水灰比適當增大時，水泥水化程度也增大，能夠較為均勻的包裹骨料形成水泥石，水化形成的產物增多，水泥石的強度增大，使抗壓強度也增大。當繼續增大水灰比時，水泥漿體粘稠程度下降，與骨料間的粘結力下降，抗壓強度下降。水灰比的最佳范圍為0.28～0.30。

3.1.2水灰比對透水系數的影響

水灰比對鋼渣透水混凝土透水系數的影響見圖4、表6。

表6　水灰比對鋼渣透水混凝土透水系數影響

圖4　水灰比對鋼渣透水混凝土透水系數的影響

由圖4中可以看出，透水系數隨著水灰比的增大而減小。當 (S+G)/C 固定為4.0時，隨著水灰比的增大，水泥漿體增多，骨料之間的空隙被水泥漿體填充，導致透水性能下降。

3.2(S+G)/C 對鋼渣透水混凝土力學性能的影響

3.2.1(S+G)/C 對抗壓強度的影響

水灰比固定為0.28，(S+G)/C 和鋼渣粒徑對鋼渣混凝土28d 對抗壓強度的影響見圖5、表7。

表7　(S+G)/C 對鋼渣透水混凝土28d 強度的影響

圖5　(S+G)/C 對鋼渣透水混凝土28d 抗壓強度的影響

通過試驗結果分析，發現水灰比固定為0.28時，其抗壓強度隨著 (S+G)/C 的增大呈減小趨勢。隨著 (S+G)/C 的增大，水泥漿體的數量減少，骨料與漿體的粘結程度降低，顆粒之間的有效粘結面積減小，導致鋼渣透水混凝土抗壓強度降低。

3.2.2(S+G)/C 對透水系數的影響

水灰比固定為0.28，(S+G)/C 對鋼渣透水混凝土透水系數的影響見圖6、表8。

表8　(S+G)/C 對鋼渣透水混凝土透水系數的影響

圖6　(S+G)/C 對鋼渣透水混凝土透水系數的影響

如圖6所示，隨著 (S+G)/C 增大，透水系數在不斷上升。(S+G)/C 增大，水泥漿體減少，骨料與水泥漿體間的包裹程度低，骨料之間形成較大的空隙結構，混凝土內部的孔隙率增加，透水性能也隨之增強。

3.3骨料粒徑對鋼渣透水混凝土的影響

骨料的粒徑大小對透水混凝土內部骨架結構有一定的影響，也影響到水泥漿體與骨料之間的粘結面積大小和水泥漿體對骨料的包裹程度，因而對混凝土的強度和透水系數產生影響。增大骨料粒徑，骨料之間就能夠形成良好的骨架空隙結構，強度從而增大，于此同時，水泥漿體數量的減少，骨料與漿體間的包裹能力降低，粒徑大小達到一定程度時強度逐漸降低。水灰比一定，當 (S+G)/C 增大時，透水混凝土內部連通孔隙率增加，透水系數增大，強度相應降低。從試驗結果看，當粒徑適當增大時對強度和透水性也是有利的。

4　結論

（1）隨著水灰比的增加，鋼渣透水混凝土透水系數減小，強度增加；隨著 (S+G)/C 的增加，透水混凝土透水系數減小，強度增大。

（2）隨著骨料粒徑的增加，透水混凝土的透水系數增大，強度先增高后降低。

（3）制備的路用鋼渣透水混凝土，其 (S+G)/C 為4.0、鋼渣粒徑為13.2～16mm 之間時，綜合性能最佳；制備的鋼渣透水混凝土抗壓強度可達25MPa 以上，因此可以作為人行道、輕型車行道道路路面材料使用。

[1] 於林鋒，徐兵．王瓊，等．鋼渣混凝土性能的試驗研究及應用前景分析[J]．混凝土，2014,01：79-81.

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[3]信玉良．摻鋼渣混凝土強度及抗沖磨性能的試驗研究[D]．新疆農業大學[A]，2014．

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[8] 鄭木蓮．多孔混凝土的滲透系數及測試方法[J]．交通運輸工程學報，2006(04)：41-46．

［通訊地址］陜西省西安市長安區王寺西街中建商品混凝土西安有限公司研發中心（710116）

Study on mechanical performance and permeable performance of steel slag permeable concrete

Wang Ning, Zhang Kaifeng, Zhao Shiran, Yao Yuan, Deng Tianming
(China West Construction Group Co., Ltd., ShanxiXi'an710116)

The purpose of paper is to explore the influence of aggregate-cement ratio [(S+G)/C] when the confirmed water-cement ratio is0.28, and the influence of aggregate size and water-cement ratio (W/C)when the confirmed aggregate-cement ratio is4.0to the strength and permeation coefficient of concrete. The results show that, with the decreasing of(S+G)/C, the strength of steel slag permeable concrete increased but the permeation coefficient it decreased; with the increment of aggregate size, the permeation coefficient decreased, and the strength increased firstly and then decreased; while with the increasing of W/C, the permeation coefficient it decreased.

steel slag; permeable concrete; water-cement ratio; mechanical performance

王寧（1988－），男，碩士，研發員。