鋼渣透水磚的制備與性能研究

徐洪濤,徐培蓁,*,朱亞光,辛志鵬,萬小梅

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,青島 266525;2.華電青島發(fā)電有限公司,青島 266031)

鋼渣是煉鋼過程產(chǎn)生的大宗固體廢棄物,其年產(chǎn)量近2億t,但是其利用率非常低,通常作為固體廢棄物填埋或被就近堆放,不僅占用大面積土地,而且會對生態(tài)環(huán)境安全造成很大的危害[1-3]。在我國,鋼渣的資源化利用率低于30%[4-8],如果能將其替代天然骨料并應(yīng)用于建材領(lǐng)域,則可大大緩解現(xiàn)如今自然資源緊張的情況。

鋼渣具備較好的耐磨性、較高的硬度以及一定的膠凝性等優(yōu)點,用鋼渣分別作為粗、細(xì)骨料制備鋼渣透水磚,能充分發(fā)揮其優(yōu)點。而且透水磚、透水鋪裝面層及基層等都是建設(shè)海綿城市所需的基礎(chǔ)材料,通過鋪設(shè)具備良好透水性能的制品能有效減少城市地面徑流,緩解城市內(nèi)澇,降低熱島效應(yīng)[9-10]。如此不僅能夠提高鋼渣利用率,同時又極大地減少天然砂石的采伐,對生態(tài)保護、節(jié)約資源和可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

筆者提出采用不同粒徑的鋼渣作為粗、細(xì)骨料制備透水磚,分別研究不同目標(biāo)孔隙率、成型壓力以及水膠比對鋼渣透水磚的力學(xué)性能和透水性能的影響,確定制備透水磚的最佳配合比。

1 試驗材料

1.1 原材料

鋼渣選用吉林通化通鋼公司選鐵后新產(chǎn)生的轉(zhuǎn)爐鋼渣,分別作為細(xì)骨料和粗骨料,其中細(xì)骨料粒徑為2.36～4.75 mm,粗骨料粒徑為4.75～9.5 mm,其化學(xué)成分如表1所示,物理性能如表2所示。選用四平市亞泰水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5水泥,化學(xué)成分如表3所示。

表1 鋼渣的主要化學(xué)成分 %

表2 鋼渣物理性能

表3 水泥的主要化學(xué)成分 %

1.2 試驗方法

1.2.1 鋼渣透水磚的制備

試驗前測得鋼渣的飽和吸水量,然后對鋼渣骨料進行晾曬并烘干,采用“集料包裹法”攪拌[11],首先加入附加水在骨料中攪拌,待骨料充分濕潤后,加入膠凝材料和拌和水,充分?jǐn)嚢?具體制備工藝流程如圖1所示。

圖1 鋼渣制備透水磚制磚工藝流程

試件制備均為機械壓制成型,機械靜壓時間為15 s,設(shè)備采用RFP-03型液壓式壓力試驗機(圖2)。

圖2 壓力試驗機

1.2.2 鋼渣透水磚基本性能檢測方法

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《透水路面磚和透水路面板》(GB/T 25993-2010)的規(guī)范要求進行透水磚的抗壓強度及透水性能試驗。

按照試驗方案,進行力學(xué)試驗的試塊尺寸為 200 mm×100 mm×60 mm,進行透水試驗的試塊將從長方體試塊中取芯得到,其尺寸是半徑R=70 mm,高度h=60 mm(圖3)。

圖3 抗壓試塊及透水試塊

1.3 配合比設(shè)計

根據(jù)《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 253-2016)規(guī)定,本試驗采用體積法計算試驗所需各材料具體用量。采用單因素試驗方法,通過預(yù)試驗制作了15種不同目標(biāo)孔隙率、成型壓力、水膠比的鋼渣透水磚試件,具體配合比如表4-6所示。

表4 不同目標(biāo)孔隙率的鋼渣透水磚配合比

表5 不同成型壓力的鋼渣透水磚配合比

表6 不同水膠比的鋼渣透水磚配合比

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 鋼渣透水磚破壞形態(tài)分析

鋼渣透水磚的破壞形態(tài)如圖4所示。在鋼渣透水磚的力學(xué)性能測試中,對應(yīng)抗壓強度測試和劈裂抗拉強度測試分別發(fā)生了壓碎破壞和斷裂破壞。通過抗壓試驗發(fā)現(xiàn),在試驗后透水磚四周均發(fā)生壓碎脫落現(xiàn)象,但中心保持完好。隨著荷載增加至臨近破壞荷載的80%時,側(cè)面出現(xiàn)裂痕并向中間延伸;當(dāng)荷載持續(xù)增加,直至破壞荷載時,裂縫快速發(fā)展,并且貫穿整個試件,導(dǎo)致試件破壞。鋼渣本身強度較高,鋼渣與水泥砂漿的連接處成為薄弱區(qū)域,受壓破壞沿著薄弱區(qū)發(fā)展,大多繞過骨料。骨料顆粒間接觸形式和膠凝材料黏結(jié)強度決定了鋼渣透水磚的抗壓強度。劈裂抗拉試驗中,透水磚發(fā)生快速的脆性斷裂,從加載直到達到極限荷載,沒有明顯的破壞現(xiàn)象。從圖4(b)中可以看出破壞主要發(fā)生在鋼渣與水泥砂漿的連接處,骨料基本上不發(fā)生破壞。

圖4 鋼渣透水磚破壞形態(tài)

2.2 目標(biāo)孔隙率對鋼渣透水磚抗壓強度及透水性能的影響

申明昊[12]對透水混凝土的目標(biāo)孔隙率進行了研究,發(fā)現(xiàn)目標(biāo)孔隙率與透水混凝土的抗壓強度、透水系數(shù)之間具有較好的相關(guān)性,且隨著目標(biāo)孔隙率的改變,對應(yīng)的透水混凝土的破壞形式也有所變化。目標(biāo)孔隙率對鋼渣透水磚強度和透水性能的影響如圖5、圖6所示。

由圖5可知,隨著目標(biāo)孔隙率的增大,水泥用量的減少,鋼渣透水磚的抗壓強度逐漸降低。目標(biāo)孔隙率從12%增加至14%,16%,18%,20%,養(yǎng)護齡期為3 d時,對應(yīng)的鋼渣透水磚抗壓強度分別下降了18.4%,23%,28.4%,42.9%;養(yǎng)護齡期為7 d時,對應(yīng)的鋼渣透水磚抗壓強度分別下降了14%,19.6%,24.4%,36.4%;養(yǎng)護齡期為28 d時,對應(yīng)的鋼渣透水磚抗壓強度分別下降了23.6%,30%,32.6%,37%。從圖6可以看出,透水磚的透水系數(shù)隨著目標(biāo)孔隙率的增加而上升。當(dāng)目標(biāo)孔隙率為12%時,透水磚的透水系數(shù)為0.009 cm/s,隨著目標(biāo)孔隙率增加至14%,16%,18%和20%,透水系數(shù)分別增加了55.6%,77.8%,133%,188%。

目標(biāo)孔隙率主要是通過改變骨膠比來進一步改變透水磚內(nèi)部鋼渣骨料和膠凝材料的接觸形式及鋼渣骨料間膠凝材料的包裹厚度。隨著目標(biāo)孔隙率增大,骨料含量保持不變,骨膠比逐漸增大,水泥用量減少,水泥漿包裹骨料厚度越薄,骨料包裹程度越不充分,導(dǎo)致其抗壓強度降低,而透水性能卻提高。

在滿足抗壓強度和透水性能的要求下,目標(biāo)孔隙率為14%時鋼渣透水磚的綜合性能最優(yōu)。

2.3 成型壓力對鋼渣透水磚抗壓強度及透水性能的影響

由于采用壓力機加壓壓制成型的制備方式,成型壓力的大小會改變骨料間的接觸方式,對透水磚的力學(xué)性能及透水性能產(chǎn)生影響。成型壓力對鋼渣透水磚強度和透水性能的影響如圖7、圖8所示。

由圖7可知,隨著成型壓力的增大,鋼渣透水磚的抗壓強度逐漸提高,通過比較鋼渣透水磚養(yǎng)護齡期3,7,28 d抗壓強度的變化幅度,發(fā)現(xiàn)增幅一致;隨著成型壓力從6 MPa增加至7,8,9,10 MPa,養(yǎng)護齡期為3 d時,對應(yīng)的鋼渣透水磚抗壓強度分別上升了3.7%,14.4%,25.6%,24.7%;養(yǎng)護齡期為7 d時,對應(yīng)的鋼渣透水磚抗壓強度分別上升了9.8%,17.6%,32.2%,18.8%;養(yǎng)護齡期為28 d時,對應(yīng)的鋼渣透水磚抗壓強度分別上升了6.5%,12.2%,18.6%,26.5%。由圖8可知,透水系數(shù)隨著成型壓力的增加而下降,下降幅度較大。成型壓力從6 MPa依次增加至10 MPa,透水系數(shù)從0.018 cm/s降至0.009 cm/s。綜合分析透水磚抗壓強度及透水性能的變化,當(dāng)成型壓力較小時,未接觸顆粒逐漸靠攏形成點接觸,此時內(nèi)部孔隙較多,所以透水系數(shù)較高,抗壓強度較低;隨著成型壓力的增大,骨料之間由點接觸形成面接觸,此階段顆粒之間堆積更加緊密,內(nèi)部孔隙減少,透水磚的抗壓強度提高,透水性能降低。考慮到綜合性能的表現(xiàn),選擇成型壓力9 MPa。

2.4 水膠比對鋼渣透水磚抗壓強度及透水性能的影響

水膠比也是影響透水磚抗壓強度與透水性能的因素之一,適當(dāng)?shù)脑龃笏z比會提高混凝土的坍落度,增強透水磚的力學(xué)性能,但水膠比過大會有較多水泥漿的產(chǎn)生,堵塞混凝土內(nèi)部的孔隙。適當(dāng)?shù)亟档驮嚰z比有利于提高鋼渣透水磚的抗壓強度,但過低的水膠比會導(dǎo)致拌和物過于干硬,不利于試件的成型密實[13]。水膠比對鋼渣透水磚強度的影響如圖9所示。

由圖9可知,隨著水膠比的增大,鋼渣透水磚的抗壓強度先升高后下降。通過比較鋼渣透水磚抗壓強度的變化幅度發(fā)現(xiàn),隨著水膠比從0.22增加至0.24,0.26,0.28,0.30,養(yǎng)護齡期為3 d時,對應(yīng)的鋼渣透水磚抗壓強度分別上升了8.2%,18.8%,29.8%,27.4%;養(yǎng)護齡期為7 d時,對應(yīng)的鋼渣透水磚抗壓強度分別上升了5.7%,16.7%,27.6%,23.2%;養(yǎng)護齡期為28 d時,對應(yīng)的鋼渣透水磚抗壓強度分別上升了2.7%,7.9%,13.4%,11.3%。在一定范圍內(nèi)提高水膠比時,用水量增加,水泥漿流動性增大,骨料被水泥漿包裹完全,增強了骨料間的黏結(jié)力,從而提高抗壓強度。當(dāng)水膠比達到0.30時,抗壓強度較0.28時的抗壓強度低,分析其原因可能為用水量的增大引起水泥漿過稀,骨料間的黏結(jié)力降低,抗壓強度逐漸降低。

水膠比對鋼渣透水磚透水性能的影響如圖10所示。

由圖10可知,透水系數(shù)隨著水膠比的增加而下降,水膠比從0.22依次增加至0.24,0.26,0.28,0.30,透水系數(shù)依次降低了10.5%,15.8%,26.3%,47.4%。原因可能是隨著用水量和水泥漿增多,過稀的水泥漿除了填充骨料間可見孔隙外,較多的漿體在透水磚壓制成型時沉到試件底部,在透水磚底面存在致密的水泥漿層,導(dǎo)致鋼渣透水磚的透水系數(shù)大幅減小[14]。考慮到綜合性能表現(xiàn),選擇水膠比為0.28時透水磚性能最好。

3 結(jié)論

本試驗采用未碳化的通鋼鋼渣作為粗、細(xì)骨料制備鋼渣透水磚,研究了目標(biāo)孔隙率、成型壓力以及水膠比對鋼渣透水磚抗壓強度及透水性能的影響,得出的結(jié)論如下:

1) 目標(biāo)孔隙率影響透水磚的力學(xué)性能及透水性能;隨著成型壓力的提高,鋼渣透水磚的抗壓強度逐漸提高;水膠比在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)可以提高透水磚的抗壓強度,若水膠比過大不僅會降低透水磚的透水性能,同時會導(dǎo)致抗壓強度下降。

2) 考慮到鋼渣透水磚的綜合性能,最佳的鋼渣透水磚配合比為:目標(biāo)孔隙率14%,成型壓力9 MPa,水膠比0.28。