基于正交試驗的鋼渣透水混凝土透水性能試驗研究

鮑澤勇 謝咸頌 樓蕓汐 鄭澤愷 梁 好 萬深澳

（衢州學院 建筑工程學院）

隨著城市化進度的不斷加快，城市內澇等問題不斷出現，透水混凝土成為城市建材的重要組成部分。我們研究混凝土的透水性能的同時，需要考慮透水混凝土生產成本和環保節能等方面的要求。

鋼鐵生產企業在煉鋼過程中排放的鋼渣，經研究具有較強的耐磨性能和較高的硬度，同時其抗凍融、抗沖擊性能較為優良等特點[1]。在混凝土生產過程中使用鋼渣代替部分骨料，不僅節能環保，還可以改善混凝土的耐久性，增加結構的使用年限[2]。

目前，專家學者對鋼渣混凝土的力學性能進行了大量試驗研究，但是對于鋼渣透水混凝土的透水性研究較少。本研究通過試驗，分析研究鋼渣骨料粒徑、水灰比、集灰比和鋼渣種類等因素對鋼渣透水混凝土透水性的影響規律，并提出最佳配合比。

1 原材料

鋼渣：采用熱燜法、壓熱燜法、滾筒法三種不同處理工藝的鋼渣[3]，經加工篩分處理后規格尺寸分別為5～10mm，10～16mm，16～20mm。其主要化學成分表1 所示。

表1 鋼渣主要化學成分

水泥：選用P.O42.5 水泥，浙江衢州龍游水泥廠生產。其主要物理性能如表2 所示。

表2 水泥主要物理性能

粉煤灰：選用浙江金華蘭溪電廠生產的Ⅱ級灰，表觀密度為2310kg/m3。其主要物理性能如表3 所示。

表3 粉煤灰主要物理性能

外加劑：采用聚羧酸減水劑，其含固量為40%，在保證混凝土工作性的前提下，減水率可達20%。

2 試件制作和試驗方法

2.1 試件制作

2.1.1 投料拌制

采用凈漿裹石法，按照預先設計的配合比，稱取鋼渣、水泥、粉煤灰、外加劑等各成分。用二次投料法進行攪拌，使得水泥漿把骨料完全均勻包裹，從而盡量排除試件的制備誤差，讓結果更加準確可靠。

2.1.2 試件成型

試件采用搗棒人工插搗法成型。通過插搗排除混凝土中的氣泡、提高密實度和均勻性，保證試件內部均勻一致，達到最佳透水性能。試件采用邊長為10cm的立方體鋼制試模，其成型過程如下：

⑴將充分攪拌均勻的混凝土拌制物分兩次裝入鋼制試模內，每次填裝的厚度為試模高度的1/2。

⑵用φ16mm 鐵棒進行插搗，在每一層的拌制物中插搗12 次以上，插搗時搗棒始終保持垂直，以避免出現由于傾斜插搗產生的拌制物分布不均的情況。同時為了氣泡均勻地排出，按螺旋方向從邊緣向中心均勻插搗。插搗第一層混凝土時，應將搗棒插至底部；插搗第二層時，應插入至第一層混凝土內2～3cm，最后用抹刀沿試模內壁插拔多次[4]。

⑶用橡皮錘敲擊鋼制試模四周，以排除插搗產生的空洞。

⑷用刮刀除去多余的混凝土，待初凝后，抹平表面。

2.1.3 試模養護

在成型試件表面覆蓋塑料薄膜，連帶鋼制模具一起放入溫度（20±2）℃、相對濕度95%以上的標養室，2 天后拆除試模，然后繼續養護。

2.1.4 試件封邊

在規定齡期前2～3d，采用水泥漿對試件四周封邊處理[5]。

2.2 透水系數裝置

采用水位變動法測出混凝土的透水系數。試驗采用專利號為201820587652.3 的透水試驗裝置。

⑴準備工作：與玻璃方筒接觸的試件端面用生料帶進行充分纏繞，安裝試驗裝置，反復檢查透水裝置與玻璃方筒之間的縫隙；

⑵開始測量時，水注入玻璃方筒，并滴入少量紅墨水以便觀察液面變化。當液面高度下降到刻度為300mm時開始計時，其開始計時的時間記為T1，當其液面下降到試件上面100mm 刻度處時停止計時，其停止計時的時間記為T2[5]；

⑶通過試件水量為2L，用時為T1-T2，計算出透水系數，即V（mm/s）=200/（T1-T2）。

⑷每個試件測3 次，取平均值。

2.3 試驗設計

設計正交試驗考察水灰比、骨料粒徑、集灰比和鋼渣種類4 個因素對鋼渣混凝土透水性的影響，每個因素選取3 個水平。以試件28d 的透水系數作為研究對象，分析4 個因素對鋼渣透水混凝土透水性的影響規律，以確定最佳試驗方案。采用L9（34）正交表，因子水平排列見表4，正交試驗方案及結果見表5。

表4 因素水平表

表5 L9（34）正交試驗方案與結果

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

表6 為正交試驗極差分析結果，表7 為正交試驗方差分析結果。圖1 為四幅正交效應曲線圖。從表6 可以看出，對于鋼渣透水混凝土來說，因素大小影響順序為：骨料粒徑B＞集灰比C＞水灰比A＞鋼渣種類D。從表7可以看出，對于鋼渣透水混凝土來說，骨料粒徑B 因素較顯著，集灰比C、水灰比A 和鋼渣種類D 不顯著，但有影響。

表6 極差分析結果

表7 方差分析結果

3.2 結果分析

由表6 的極差分析可知，骨料粒徑是影響鋼渣透水混凝土透水性的關鍵因素。隨骨料粒徑的增加，鋼渣透水混凝土試件中骨料與骨料之間的間隙也隨之增大，透水系數增大。其次是集灰比的大小，在微觀上集灰比決定了鋼渣透水混凝土的透水性。當骨料摻量遠遠大于水泥摻量時，會大大降低水泥的填充空隙度，導致混凝土透水性大大降低。

為了排除試驗偶然性因素影響，進行了方差分析。其結果如表7 所示。由表7 可以得出，骨料粒徑B 對透水混凝土的透水系數較顯著影響，而水灰比A、集灰比和C 鋼渣D 對透水混凝土的透水系數影響不明顯，但有一定影響。

3.2.1 水灰比對鋼渣透水混凝土透水系數的影響

由圖1a 和方差分析可知，水灰比對水透水系數影響不顯著，水透水系數在24.2mm/s 到26.3mm/s 之間變化。當水灰比為0.20～0.25 時，混凝土的透水系數隨著水灰比的增大而增大，當水灰比為0.25 時，透水系數最大。在一定范圍內，水灰比（W/C）越大，透水系數（K）越小。如果水灰比（W/C）過大，水泥漿從骨料表面滑動，導致其積聚在混凝土底部，從而降低透水性。在最佳用水量條件下，調節水泥用量可以改善水泥漿的稠度和厚度，有效提高透水混凝土的強度。但當水泥漿過多時，孔隙率和透水性會降低，其積聚現象會愈發明顯。

3.2.2 骨料粒徑對鋼渣透水混凝土透水系數的影響

根據圖1b 和方差分析，骨料粒徑對透水系數影響較顯著。隨著骨料粒徑的增加，鋼渣透水混凝土的透水性顯著增加，但其強度也相應降低，因為骨料之間的咬合點降低。結果表明，一定范圍中小粒徑骨料鋼渣透水混凝土的透水系數較小，大骨料粒徑則反之。

3.2.3 集灰比對鋼渣透水混凝土透水系數的影響

由圖1C 和方差分析可知，集灰比對透水系數的影響不明顯。一定范圍內，集灰比越大，透水系數也越大，已知集灰比為9 時達到最大值。集灰比決定了鋼渣透水混凝土的透水性。當骨料摻量遠遠大于水泥摻量時，會大大降低水泥的填充空隙度，但也會大大降低混凝土的強度。相反，過多的水泥會填補骨料的縫隙，使混凝土的透水性大大降低，失去透水混凝土的本質。因此，在一個合理的范圍內，可以認為集灰比稍大一點有更好。

3.2.4 鋼渣種類對鋼渣透水混凝土透水系數的影響

由圖1d 及方差分析可知，鋼渣種類對透水混凝土的透水系數影響不大，幾乎可忽略不計。不同種類的鋼渣由于生產工藝的不同，會產生不同的物理化學性質，最終影響鋼渣骨料的強度和活性。對于鋼渣透水混凝土的透水性，鋼渣的活性更為重要，它影響混凝土的凝結時間和安定性。在配置鋼渣透水混凝土時可以忽略鋼渣種類對混凝土透水性的影響。

3.3 小結

綜合以上分析，可知鋼渣透水混凝土的透水系數在很大程度上取決于骨料粒徑，集灰比有影響但不明顯，而與水灰比和鋼渣類型則關系不大。由圖1 和3.2 節綜合討論可知，鋼渣透水混凝土最優配合比參數值為：A2B3C3D3。

圖1 正交效應曲線圖

4 結論

⑴通過四因素三水平L9（34）的正交試驗得出，對于鋼渣透水混凝土的透水性，其影響因素的順序為骨料粒徑B＞集灰比C＞水灰比A＞鋼渣種類D。

⑵骨料粒徑對混凝土透水性的影響較顯著，控制透水性混凝土透水性的關鍵是合理選擇鋼渣骨料粒徑的大小。

⑶鋼渣透水混凝土的最佳配合比參數值為A2B3C3D3。