淺析水灰比對高鈦型高爐渣無砂混凝土滲透性的影響

衛 佳, 鐘 菘,2,3, 王 偉, 羅 強, 楚 洹, 胡 芯, 劉 洋

(1.攀枝花學院土木與建筑工程學院，四川攀枝花 617000； 2.中材建設有限公司，北京 100176；3. 西華大學建筑與土木工程學院，四川成都 610039)

淺析水灰比對高鈦型高爐渣無砂混凝土滲透性的影響

衛 佳1, 鐘 菘1,2,3, 王 偉1, 羅 強1, 楚 洹1, 胡 芯1, 劉 洋1

(1.攀枝花學院土木與建筑工程學院，四川攀枝花 617000； 2.中材建設有限公司，北京 100176；3. 西華大學建筑與土木工程學院，四川成都 610039)

文章為研究水灰比對高鈦型高爐渣無砂混凝土滲透性的影響，分別采用水灰比為0.40、0.45、0.50、0.55和0.60進行研究，通過試驗測高鈦型高爐渣無砂混凝土的28 d抗壓強度，孔隙率和滲透系數。試驗結果表明：當高鈦型高爐渣無砂混凝土的水灰比在0.50左右時，其28 d抗壓強度達到8.48 MPa，有效孔隙率為23.14 %，滲透系數為4.36 cm/s，在滿足一定抗壓強度和排水性要求的條件下，水灰比在0.50左右時高鈦型高爐渣無砂混凝土的功能效果達到最優。

高鈦型高爐渣； 無砂混凝土； 滲透系數

攀西地區高鈦型高爐渣堆積量累計已達數千萬噸，大量的高鈦型高爐渣堆積不僅造成環境污染，也是對資源的極大浪費。用高鈦型高爐渣作混凝土骨料被認為是資源綜合利用的有效途徑之一。這不僅解決了高鈦型高爐渣占用大量土地、污染環境等問題，還節約大量的建筑材料，減少砂、石的大量開采[1]。目前，對高鈦型高爐渣的研究已取得一系列科研成果，主要運用于道路、橋梁、房屋建筑等結構中，而國內外對高鈦型高爐渣無砂混凝土的研究基本處于空白階段，如何高效利用高鈦型高爐渣制備高鈦型高爐渣無砂混凝土是當下需要解決的難題[2]。因此，對高鈦型高爐渣無砂混凝土進行試驗研究具有重要意義。

1 試驗原材料

高鈦型高爐渣無砂混凝土稱為大孔混凝土，又稱多孔混凝土，是由水泥漿包裹高鈦型高爐渣碎石而形成骨架孔隙結構的混凝土材料。由于高鈦型高爐渣無砂混凝土中孔隙大，所以傳熱性低，透水性好。在水利工程中，無砂混凝土主要用來制造排水體的排水溝及排水管。高鈦型高爐渣無砂混凝土與普通混凝土的主要不同之處在于高鈦型高爐渣無砂混凝土沒有細骨料，只摻高鈦型高爐渣粗骨料，水泥漿覆蓋粗骨料的表面，并起膠結作用，而不是填充空隙，因此水泥用量要比普通混凝土少，一般為200～350 kg/m3。粗骨料選用粒徑在4.75～19 mm之間的高鈦型高爐渣碎石，且宜使用顆粒均勻的高鈦型高爐渣碎石。

1.1 水泥

水泥是高鈦型高爐渣無砂混凝土的重要組成材料，本試驗采用攀枝花市瑞豐建材公司生產的P.O.42.5R級普通硅酸鹽水泥，其物理力學性能如表1所示。

1.2 高鈦型高爐渣碎石

高鈦型高爐渣無砂混凝土對骨料顆粒的形狀、表觀情況、吸水率和顆粒級配等有一定的要求，本試驗碎石采用攀枝花環業公司生產的高鈦型高爐渣碎石，其形狀、表觀情況、吸水率和顆粒級配較普通碎石較差，對配制無砂混凝土有一定的影響。本實驗骨料采用粒徑在4.75～19 mm的高鈦型高爐渣碎石，其基本性能如表2、表3、圖1。

1.3 水

試驗所用水采用自來水。

2 試驗方法

2.1 攪拌工藝

高鈦型高爐渣無砂混凝土不摻細骨料，在高鈦型高爐渣無砂混凝土的攪拌過程中，需要特別注意材料間的添加順序，先將攪拌工具用水潤濕，按固定的配合比設計，計算出每次試驗所需原材料用量[3]。先將高鈦型高爐渣粗骨料放在混凝土攪拌機中，將20 %的水灑在粗骨料表面，開動攪拌機，讓粗骨料潤濕。攪拌30 s后，停止攪拌機，摻入水泥及所需的粉煤灰。攪拌30 s后，倒入剩余的水，邊加水邊攪拌，攪拌時間為90 s后，停止攪拌。最后將拌合好的混合料裝入150 mm×150 mm×150 mm的標準試模中。

2.2 成型工藝

高鈦型高爐渣無砂混凝土在成型制作過程中采用靜壓成型，靜壓成型的方法能更好的實現高鈦型高爐渣無砂混凝土集料間的嵌合密實，同時水泥漿也不會下沉堵塞下部孔隙[4]。本試驗的具體方法是將拌合好的高鈦型高爐渣無砂混凝土分兩層裝入標準試模中，拌合料高出試模沿10 mm左右。然后在拌合料上方放置一塊150 mm×150 mm×30 mm的壓板，尺寸與試模尺寸對應，用試驗壓力機以0.5 kN/s的速度施壓至30 kN，穩定該壓力值1 min，然后卸壓，標準試塊成型制作完成[5]。

2.3 試塊養護方法

高鈦型高爐渣無砂混凝土試塊在成型24 h后脫模，按照標準養護方法，在相對濕度95 %、溫度20±2 ℃的環境中進行養護。

2.4 滲透系數測定方法

高鈦型高爐渣無砂混凝土的滲透系數是指單位水力梯度下水在高鈦型高爐渣無砂混凝土孔隙中的滲流速度，滲透系數是表征高鈦型高爐渣無砂混凝土排水性能的重要指標。根據國內外對無砂混凝土的設計經驗，要求無砂混凝土的滲透系數應大于1.8 cm/s。

滲透系數的測定采用常水頭的試驗方法，通過控制試塊兩頭的水頭差，根據達西定律原理自制滲透儀進行試驗。本試驗采用150 mm×150 mm×150 mm的標準立方體試塊，試驗過程中試塊用透明塑料薄膜進行四面包裹，使試塊與玻璃罩內側接觸密實，防止水從試塊表面與玻璃罩內側之間的空隙流過。高鈦型高爐渣無砂混凝土滲透系數測定裝置如圖2所示。

試驗原理采用達西定律：

v=kI

式中：v為水的滲流系數(cm/s)；k為滲透系數(cm/s)；I為水力梯度(兩點之間水頭差與兩點間距之比)。

試驗開始時，水由1號進水桶注入，水流經試塊時受阻，水只能從試塊中流過。此時，安裝在試塊兩端的測壓管產生水頭差，水由3號出水桶流出。當進、出水桶內的水位保持穩定，同時試塊兩端測壓管的水位保持穩定時開始試驗，記錄試塊兩端測壓管內的水位高度，同時記錄t時間內水流量的質量。根據試塊的實際測量尺寸代入公式即可算出試塊的滲透系數。計算公式如下：

由此得出試塊的滲透系數為：

式中：Q為單位時間內流過試塊的水量(g)；l為試件的寬度(cm)；ΔH為試塊兩端測壓管的水頭差(cm)；A為試塊的橫截面面積(cm2)；t為滲流時間(s)。

3 試驗結果及分析

高鈦型高爐渣無砂混凝土的滲透系數與其有效孔隙率的大小有關，有效孔隙率越大，其滲透系數越大，有效孔隙率越小，其滲透系數越小。影響高鈦型高爐渣無砂混凝土的有效孔隙率主要與水泥漿漿膜包裹碎石表面的厚度有關，而水泥漿包裹碎石表面的厚度主要與水灰比有關。水灰比越大，水泥漿的流動性越大，水泥漿包裹粗骨料的漿層越薄，形成無砂混凝土的孔隙率越大；水灰比越小，水泥漿的流動性越小，部分水泥得不到完全水化，水泥漿包裹粗骨料的漿層越薄，影響無砂混凝土的孔隙率。本試驗配合比分別采用水灰比為0.40、0.45、0.50、0.55和0.60，灰集比為1∶5，水泥采用P.0.42.5R級普通硅酸鹽水泥，粗骨料采用粒徑在4.75～19 mm之間的高鈦型高爐渣碎石，研究不同水灰比對高鈦型高爐渣無砂混凝土滲透系數的影響。試驗結果如表4、圖3、圖4。

由表4可知，高鈦型高爐渣無砂混凝土的孔隙率受水灰比的影響，而其滲透系數受有效孔隙率大小的影響。當高鈦型高爐渣無砂混凝土的水灰比為0.40時，其有效孔隙率為29.01 %，滲透系數為5.34 cm/s；當高鈦型高爐渣無砂混凝土的水灰比為0.45時，其有效孔隙率為27.65 %，滲透系數為5.01 cm/s；當高鈦型高爐渣無砂混凝土的水灰比為0.50時，其有效孔隙率為23.14 %，滲透系數為4.36 cm/s；當高鈦型高爐渣無砂混凝土的水灰比為0.55時，其有效孔隙率為26.20 %，滲透系數為4.93 cm/s；當高鈦型高爐渣無砂混凝土的水灰比為0.60時，其有效孔隙率為28.53 %，滲透系數為5.27 cm/s。由圖3和圖4可知，高鈦型高爐渣無砂混凝土的孔隙率和滲透系數隨著水灰比的增加呈現先減小后增加的趨勢。試驗結果表明：高鈦型高爐渣無砂混凝土的滲透系數受有效孔隙率大小的影響，有效孔隙率越小，其滲透系數越小；有效孔隙率越大，其滲透系數越大。

4 結論

(1)高鈦型高爐渣無砂混凝土的孔隙率和滲透系數隨著水灰比的增加呈現先減小后增加的趨勢。

(2)高鈦型高爐渣無砂混凝土的滲透系數受水灰比大小的影響，當高鈦型高爐渣無砂混凝土的水灰比為0.40時，其有效孔隙率為29.01 %，滲透系數為5.34 cm/s；當高鈦型高爐渣無砂混凝土的水灰比為0.50時，其有效孔隙率為23.14 %，滲透系數為4.36 cm/s；當高鈦型高爐渣無砂混凝土的水灰比為0.60時，其有效孔隙率為28.53 %，滲透系數為5.27 cm/s。因此，當高鈦型高爐渣無砂混凝土的水灰比在0.50左右時，其28 d抗壓強度達到8.48 MPa，在滿足一定抗壓強度和排水性要求的條件下，水灰比在0.50左右時高鈦型高爐渣無砂混凝土的功能效果最優。

[1] 汪慧群.固體廢物處理及資源化[M].北京:化學工業出版社,2004.

[2] 徐鵬壽.資源綜合利用現狀和展望[J].水泥技術,2002(1):19-22.

[3] 吳成偉.無砂混凝土排水基層試驗研究[D].長沙:長沙理工大學,2013.

[4] 刑振賢,張艷鴿.無砂大孔混凝土的生態性能[J].低溫建筑技術,2010(12).

[5] 徐飛,肖黨旗.無砂多孔混凝土配合比的研究[J].水利與建筑工程學報,2005(4):26-28.

獲得2016年攀枝花學院省級大學生創新創業訓練計劃項目資助(項目編號：201611360078)

衛佳(1995～)，女，專科，建筑工程技術專業。

鐘菘(1987～)，男，碩士研究生，研究方向為巖土工程。

TU502+.4

A

[定稿日期]2017-04-20