多元固廢材料對混凝土材料性能的協同效應

趙婉辰

（山西水利職業技術學院，山西 運城 044004）

1 引言

隨著信息化時代的到來，城市環境問題日趨嚴重。許多城市路面出現了不透水現象，城市排水困難、地下水位下降。因此，透水混凝土應運而生。透水混凝土作為海綿城市概念的市政工程材料，具有蜂窩狀結構，屬于輕質多孔混凝土，與傳統混凝土有很大差異，它具有良好的降噪、透水性和改善生態環境的作用，是一種綠色環?；炷?。礦產摻合料能夠替代水泥，提高混凝土質量，但不同礦物摻合料對透水混凝土的影響不同。本文以混凝土理論作為基礎，充分利用硅灰、粉煤灰等固廢材料，設計出具有良好透水性的生態透水混凝土，達到改善城市生態環境、提高經濟效益的目的。透水混凝土中含有大量的開孔結構，具有良好的透水性和力學性能。本文對透水混凝土的透水性和強度進行了合理設計，并通過不同石子粒直徑的實驗探究了其中包含的關系。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

（1）水泥：某水泥公司出廠的P·042.5水泥，其物理性能見表1。

表1 水泥的物理力學性能

（2）粗骨科：某地碎石廠生產，顆粒直徑5～20mm，表面密度2 712kg/m3，堆積密度約1 448kg/m3。

（3）粉煤灰：堆積密度為578kg/m3，II級。

（4）硅灰：顆粒平均直徑在0.1～0.3之間，堆積密度為302kg/m3。

（5）鐵尾礦砂：堆積密度為2 075kg/m3，其粒度分布見表2，固廢材料和水泥的化學成分見表3。

表2 鐵尾礦砂的粒度分布

表3 水泥和固廢材料的化學成分

（6）減水劑：武漢某公司生產的減水劑含量超過40%，經有關部門檢測，減水劑減水率為38%，減水劑最優質摻量為0.8%。

2.2 試驗方法

2.2.1 配合比設計

通過對國內外透水混凝土配合比設計的研究，發現國內通常采用計算公式法、查表法、圖示法等幾種方法。本文推陳出新，采用體積法，以設計目標空隙率為依據，保證各種材料配合比的合理性。在測得粗集料堆積體積后，計算體積差判斷膠凝材料的用量，同時，判斷凝結時間、漿體包裹程度等。

2.2.2 試樣制備工藝

①篩選石子，粒徑分別為15～20mm、10～15mm、5～10mm。

②將選擇好的石子放入機器進行清洗、烘干，確保其含泥量不超過1%。

③按科學比例配置石子、礦物摻合料、減水劑等。

④采用水泥裹石法攪拌，先將石子與一定比例的水放入攪拌機，攪拌時間為20s，然后將水泥與礦物摻合料攪拌1min，再加入適量的減水劑。

⑤將已制好的混凝土拌和料裝入專用模具內，采用分層錘擊法進行密實成型后，按國家規定的標準進行專業養護。

⑥養護24h后，由專業人員脫模，脫模后按標準溫度養護，保持濕度大于95%。

2.3 性能測試

2.3.1 透水系數

①在高50cm、長10cm的長方體中形成一個20cm厚的試件，按照相關標準進行養護。

②用橡皮泥將透水儀與試件進行密封，并放入一試件準備檢測。

③在透水儀中加入一定量的水，打開閥門，記錄水位下降所需時間。

2.3.2 抗壓強度

根據《普通混凝土力學性能測試方法》（GB/T 50081-2002）對透水混凝土進行抗壓強度測試。

3 試驗結果及分析

3.1 骨料粒徑對透水混凝土性能的影響

本次研究主要采用 5～10mm、10～15mm、15～20mm的石子粒徑，測試結果見表4。

表4 骨料粒徑對透水混凝土抗壓強度和透水系數的影響

從表4可以看出，隨著石子直徑的不斷增大，透水混凝土的抗壓強度不斷下降，這是因為在石子粒徑增大的同時，相同體積的透水混凝土中的石子顆粒數量減少，并且其對應的水泥包裹石子黏結點也會減少，使透水混凝土的受力點在不斷降低，從而導致混凝土的抗壓強度不斷下降。

3.2 水膠比對透水混凝土性能的影響

選擇直徑為5～10mm的石子，水膠比透水混凝土性能影響見表5。

表5 水膠比對透水混凝土抗壓強度和透水系數的影響

由表5可知，水膠比一直在0.25～0.50之間發生變化，隨著水膠比的增加，透水混凝土強度先升高后下降。當水膠比為0.25時，達到最高抗壓強度。因此，抗壓強度的變化能準確地反映出透水混凝土的最佳值。水膠比過高，混凝土強度逐漸下降；水膠比過低，混凝土強度的工作性能差、機動性差，最終影響透水混凝土強度。從透水系數變化情況看，相同石子粒徑下的水膠比對透水系數影響不大，這與孔隙率變化不明顯有關。

3.3 單摻不同礦物摻合料對透水混凝土性能的影響

試驗主要選用石子直徑5～10mm，水膠比0.3的單摻不同礦物摻合料對透水混凝土性能的影響試驗結果見表6。

表6 單摻不同礦物摻合料對透水混凝土抗壓強度和透水系數的影響

由表6可知，隨著礦物摻合料數量的增加，透水混凝土抗壓強度將不斷提高。選擇單一礦物摻合料融入透水混凝土后，與未添加任何礦物摻合料的透水混凝土相比，后者出現明顯變化。但不同礦物摻合料的效果和作用有較大差異，相比之下，硅灰摻合料對透水混凝土的效果要比粉煤灰好得多。從透水系數數據中可以看出，隨著礦物摻合料用量的增加，透水混凝土系數呈現直線上升趨勢，硅灰對透水系數的作用要高于粉煤灰，可能是硅灰比粉煤灰流動性好、雜質含量低的原因。

3.4 雙摻礦物摻合物對透水混凝土性能的影響

以5～10mm的石粒為基礎，判斷雙摻礦物摻合料對透水混凝土性能的影響（見表7）。

表7 雙摻礦物摻合料對透水混凝土抗壓強度及透水系數的影響

由表7可知，采用硅灰與粉煤灰兩種礦物摻合料雙摻后的效果比礦物摻合料單摻效果要好。固定礦物摻合料總摻量時，隨著硅灰參量增加，透水混凝土抗壓強度先升高后下降，當粉煤灰質量與硅灰質量達到1∶1時，透水混凝土抗壓強度將達到最高點（34.6MPa）。因此，雙摻礦物摻合料的抗壓強度比單一礦物摻合料抗壓強度高的原因可能是礦物摻合料在水化作用下發生了復合反應，轉化為密度較高的礦物晶體。

3.5 不同比例鐵尾礦砂對透水混凝土性能的影響

試驗選用石子粒徑為 5～10mm，水膠比為0.3，粉煤灰與硅灰的質量比為1∶1，鐵尾礦砂摻量按占膠凝材料總質量計，透水混凝土性能影響的試驗結果見表8。

表8 透水混凝土性能影響的性能測試與配合比結果

由表8可知，當鐵尾礦砂摻量為0kg/m3、8kg/m3、16kg/m3、24kg/m3、32kg/m3、40kg/m3時，隨著鐵尾礦砂摻量的增加，透水混凝土的抗壓強度明顯提高，透水系數下降幅度較大。這說明鐵尾礦摻量的增加與透水混凝土抗壓強度有密切關系，降低透水系數會產生一定的負面影響。為了生產出高透水系數、高強度的綠色透水混凝土，采用2%鐵尾礦砂摻量是最合理的配比，能夠獲得透水混凝土抗壓強度高達10.1MPa，滿足預期標準。制得的透水混凝土28d抗壓強度高達36.5MPa，透水系數為10mm/s，達到預期目標。

4 結語

綜上所述，隨著石子粒徑的不斷增加，透水混凝土的抗壓強度將有一定的差異。同時，隨著礦物摻合料數量的增加，透水混凝土的抗壓強度也會受到影響，由試驗結果可知，硅灰的效果要遠高于粉煤灰，使用兩種礦物摻合料對透水混凝土的強度和透水系數都有很大影響，甚至要遠高于其他礦物摻合料。