鉻鐵渣透水混凝土制備及性能優化

王琪，程海麗，唐蔚妤，董瑞龍，蘇小軍，周澤權

（北方工業大學土木工程學院，北京100144）

鉻鐵渣是火法冶煉鉻鐵合金時所產生的一種含鉻廢渣。目前我國每年產生的鉻鐵渣約有400萬t，但是利用率僅為30%[1]，大部分的鉻鐵渣被露天堆放，垃圾處理問題急需解決。

透水混凝土是采用大粒徑或統一粒徑的骨料，通過水泥等膠凝材料混合而成的一種具有大孔隙率的透氣、透水的混凝土。我國一些地方和城市由于早期城市規劃不好，排水系統不完善，在面對夏季暴雨、強降雨的時候，會造成嚴重的城市內澇問題，嚴重威脅到了市民的人身安全和財產安全。

如果采用透水混凝土來代替部分瀝青混凝土鋪設路面，就能有效地解決這些問題。其良好的透水性可以解決積水問題，還能灌溉路邊植物，大孔隙率可以吸收噪音，起到降噪的作用。

目前以鉻鐵渣為粗骨料的透水混凝土的研究較少，本次試驗在前期研究基礎上進行進一步研究，找出影響鉻鐵渣透水混凝土性能的具體因素，并優化其性能。

1 原材料及性能

水泥采用強度等級為42.5 R級的普通硅酸鹽水泥，3 d抗折抗壓強度為6.3 MPa和37.40 MPa；28 d抗折和抗壓強度為7.2 MPa和67.2 MPa。鉻鐵渣來自內蒙古豐鎮市新太新材料科技有限公司，經各項檢查，材料的毒浸出性符合要求，粒徑4.75～9.5 mm，堆積密度為1 497 kg/m3；粒徑 2.36～4.75 mm，堆積密度為1 475 kg/m3。

2 試驗方法

試驗采用正交試驗設計軟件設計正交表，為三水平四因素正交表，具體設計、配比及分析見表1、表2、表3，其中在制作試件時采用裹漿法，即先加入一部分水泥和水與骨料進行拌制，然后再加入剩下的水泥和水，如3∶5是指在拌和時先加入3/10的水泥和5/10水攪拌，再加入剩余的水泥和水攪拌。強度測定參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法》進行，連通孔隙率測試參照CJJT 253—2016《再生骨料透水混凝土應用技術規程》[2]進行，性能結果見表2，透水系數采用中國建筑材料科學研究總院研制的TS-100FII型透水混凝土測試儀測試，水位差固定15 cm。

3 試驗數據及分析

3.1 正交試驗數據分析

根據程海麗[3]的研究表明，鉻鐵渣是可以作為骨料應用于透水混凝土的，其各項指標都滿足GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》中的要求。對其進行排毒性檢測，也符合國家要求。

表1 試驗因素與水平表

表2 正交試驗設計方案、抗壓強度及連通孔隙率

本試驗的K值和R值見表3，其中的K1，K2，K3分別表示各因素在水平1，2，3下的14 d抗壓強度和連通孔隙率的平均值，反應各因素對抗壓強度和連通孔隙率的影響程度。由此可以知道，對于各因素對鉻鐵渣透水混凝土的抗壓強度的影響程度來說，水膠比＞膠骨比＞級配＞裹漿比例，對連通孔隙率的影響程度來說，水膠比＞級配＞膠骨比＞裹漿比例。

表3 試驗K值和R值計算

綜合抗壓強度和連通孔隙率兩個方面來說，此次試驗的最優因素組合為第9組，即水灰比為0.35，膠骨比為 0.31，裹漿比例為 3∶5，全部為 4.75～9.5 mm 粒徑的粗骨料，制備出來的鉻鐵渣透水混凝土14 d抗壓強度為18.8 MPa，連通孔隙率為20.5%。

只考慮抗壓強度來說，原則是越大越好，因此選取每個因素中使K值最大的水平為最優水平,即得到較高抗壓強度的因素水平組合是水灰比0.35，膠骨比0.31，裹漿比例為3∶5，全部采用粗骨料。

效應曲線圖是對正交試驗直觀分析表的形象描繪,將表2中各因素的每個水平結果的均值用效應曲線圖表示,如圖1、圖2所示。

圖1 各因素下連通孔隙率平均值趨勢圖

圖2 各因素下14 d抗壓強度平均值趨勢圖

由表3可知，水灰比作為影響鉻鐵渣透水混凝土抗壓強度和連通孔隙率的主要因素，透水混凝土的連通孔隙率隨著水灰比的增大先增加后減小，這是因為在相同骨膠比下，水灰比小，水的用量就少，拌制的水泥漿干硬，流動性差，所以得到的透水混凝土連通孔隙率較小。而當水灰比過大時，在膠骨比一定的情況下，水的用量就多，得到的水泥漿體過稀，包裹骨料的同時還填充了骨料之間的空隙，造成連通孔隙率下降。而抗壓強度則隨著水灰比的增加而增大，因為水灰比越大，水泥漿體攪拌的越充分，和易性越好，得到的透水混凝土抗壓強度越高。

由圖2還可以看出透水混凝土的抗壓強度隨膠骨比的增大而增大，但同時會降低連通孔隙率，因為膠骨比增大，膠結漿體增多了，能更好地包裹骨料，提高抗壓強度，而骨料間的空隙也被多余的水泥漿填充，降低了連通孔隙率。

裹漿比例和級配相對于水膠比和膠骨比來說，對鉻鐵渣透水混凝土的抗壓強度和連通孔隙率影響較小。

3.2 試驗方案的優化

通過上述的分析可知，水灰比對鉻鐵渣透水混凝土的抗壓強度和連通孔隙率的影響相對于其他3種因素來說更顯著，實驗結果顯示，第9組試驗為最優方案，所以在第9組試驗的配比基礎上，通過改變水灰比的大小來研究其對于鉻鐵渣透水混凝土抗壓強度和連通孔隙率的影響變化規律。在得到一個較好的試驗配合比后，通過改變減水劑、可再分散乳膠粉的加入量和成型方式，來研究其對鉻鐵渣透水混凝土性能的影響，最后得到一個完整的制備方案，試驗優化方案及結果見表4。

3.2.1 水灰比對透水混凝土的影響

通過比較Y1，Y2，Y3，Y4組試驗數據可以發現，提高水膠比可以有效地增加混凝土的抗壓強度，而連通孔隙率先增加后降低，這與前面正交試驗的結果一致。

比較Y1，Y5，Y6組試驗可以看出，減水劑的加入對提高透水混凝土的抗壓強度有顯著影響，同時連通孔隙率也在逐漸減小。減水劑可以改善混凝土拌合物的和易性，適量地加入可以讓水泥砂漿粘稠、不泌水，更好地包裹骨料，但是會填充骨料之間的空隙，提高抗壓強度的同時，降低連通孔隙率。

3.2.2 成型方式對透水混凝土的影響

比較Y5，Y7，Y8，Y9組試驗可以發現，使用振動臺短時間振動成型可以使混凝土拌合物更加密實，提高了抗壓強度，也降低了連通孔隙率。但是不宜振動太長時間，因為這樣會破壞透水混凝土內部應有的孔隙結構，達不到透水的效果；而且如果水泥漿體過稀，長時間震動還會使水泥漿體脫離骨料表面向試塊底面聚集，造成封底的現象，同樣對試件的透水性能造成不利的影響。

表4 優化試驗方案及結果

3.2.3 可再分散乳膠粉對透水混凝土的影響

比較 Y5，Y10，Y11，Y12 組試驗數據可以發現，加入可再分散乳膠粉對鉻鐵渣透水混泥土的抗壓強度和連通孔隙率有一定的影響。可再分散乳膠粉在接觸水后，可以很好地重新分散成乳液，填充到空隙中，等到脫水后形成聚合物薄膜，有效提高試件的綜合性能。通過對比試驗數據可以看出，加入可再分散乳膠粉后，試件的抗壓強度增加，連通孔隙率降低，并且隨著可再分散乳膠粉用量的增多，呈現出試件抗壓強度下降，連通孔隙率增加的趨勢，但是都比不加入乳膠粉要好。這是因為可再分散乳膠粉需要水才能形成層乳液，如果摻入量過大，就會引起水泥反應不充分、漿體的流動性降低、骨料包裹不完全的現象，從而使得得到的鉻鐵渣透水混凝土試件抗壓強度降低，連通孔隙率下降。

通過比較各方面因素，選出 Y3，Y4，Y7，Y10 為最優方案組（Y6，Y8，Y9組由于在研究成型方式影響的實驗中出現封底現象，故不采用），并測試其透水系數，結果顯示，透水系數都大于0.5 mm/s，滿足CJJT 135—2009《透水水泥混凝土路面技術規程》要求，結果見表4。

4 結論

（1）正交試驗表明，對鉻鐵渣透水混凝土性能影響最大的為水膠比，其次為膠骨比，裹漿比例和顆粒級配有一定的影響，但效果不顯著。

（2）在膠骨比為0.31，水灰比在0.30～0.40時，適量加入減水劑和可再分散乳膠粉，可以較好地提升鉻鐵渣透水混凝土的抗壓強度，最好的減水劑加入量為0.2%，28 d抗壓強度為21.5 MPa，連通孔隙率為15.8%；最好的可再分散乳膠粉加入量為1%，28 d抗壓強度為24.5 MPa，連通孔隙率為19.8%；振動成型時間不宜過長，否則會影響透水性能，最好為5 s振搗加5 s插搗。