鋼渣透水混凝土制備及其影響因素研究*

李建華，楊錢榮，張方俊

(1.上海寶鋼新型建材科技有限公司，上海201900;2.先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804;3.上海同濟(jì)建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)站，上海200092)

透水混凝土是由特定級(jí)配的骨料、水泥、水、外加劑和摻合料等按特定比例經(jīng)拌制而成的具有連續(xù)孔隙的多孔混凝土。與普通混凝土相比，透水混凝土具有透氣、透水、吸聲降噪、凈化水體、改善地表土壤的生態(tài)環(huán)境、緩解地表徑流和城市熱島效應(yīng)等優(yōu)良的使用性能。在我國，透水混凝土理論和應(yīng)用技術(shù)研究，尚仍處于起步階段。一些高校和科研單位對(duì)透水混凝土的制備方法和性能及其影響因素作了大量研究，為改善透水混凝土的力學(xué)性能和透水性能發(fā)揮了重要作用［1-4］。但目前以鋼渣為集料制備透水混凝土的研究還很少見，開展此方面研究可為鋼渣的大量利用提供一條新途徑。

寶鋼目前年產(chǎn)鋼渣260萬t左右，寶鋼鋼渣資源綜合利用研究實(shí)踐表明，鋼渣具有高耐磨性、較高強(qiáng)度、高抗折能力及潛在的水硬活性等優(yōu)良特性［5］。目前，寶鋼鋼渣主要用于生產(chǎn)水泥原料、磨細(xì)成鋼渣粉用作混凝土摻合料以及鋼渣型砂和骨料用于制備道路混凝土，但由于鋼渣成分波動(dòng)大、穩(wěn)定性差、活性低、難磨等原因，使得鋼渣的應(yīng)用處于較低的水平。根據(jù)現(xiàn)狀，可以利用鋼渣的優(yōu)良特性，將鋼渣替代碎石作為集料制備透水混凝土，這樣既能利用大量的鋼渣資源，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益，又可以治理環(huán)境，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，產(chǎn)生很好的社會(huì)效益。本文主要研究了骨料粒徑、級(jí)配以及成型工藝對(duì)透水混凝土主要性能的影響，為制備高性能鋼渣透水混凝土提供依據(jù)。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

鋼渣采用寶鋼鋼渣為集料，粒徑分別為2.5mm～5.0mm，5.0mm～10.0mm，10.0mm～15.0mm，鋼渣主要化學(xué)成分見表1，鋼渣的物理力學(xué)性能見表2。鋼渣的壓蒸膨脹率為0.05%，壓蒸粉化率為3.4%，根據(jù)YB/T 4228-2010《混凝土多孔磚和路面磚用鋼渣》中對(duì)鋼渣壓蒸膨脹率的要求為≤0.8%，鋼渣的安定性符合要求。水泥采用上海海螺42.5普通水泥;減水劑采用上?；ㄍ踹~地-100萘系高效減水劑。

表1鋼渣主要化學(xué)成分 /%

表2鋼渣物理力學(xué)性能 /%

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 成型方法 采用插搗、振動(dòng)和靜壓3種方法成型，對(duì)透水混凝土的性能進(jìn)行對(duì)比研究，以期通過研究得到適合于現(xiàn)場(chǎng)施工，使得透水性混凝土路面施工中不流漿堵孔、底部不封漿、集料顆粒能嵌擠形成良好的結(jié)構(gòu)?？箟涸嚰叽?00mm×l00mm×l00mm，采用插搗密實(shí)、振動(dòng)5s以及在壓力機(jī)靜壓1MPa和2MPa成型，壓力機(jī)靜壓時(shí)間大于90s。加壓成型方法如下:將鋼套筒對(duì)準(zhǔn)安置在試模上，拌合物裝入試模中，加上鋼壓頭，置于液壓壓力機(jī)下靜壓成型。鋼套筒內(nèi)凈邊長(zhǎng)l00mm，高40mm，筒壁厚1.5mm;壓頭下底板、上面板分別為邊長(zhǎng)98mm和50mm正方形鋼板，板厚5mm，連接桿高度為80mm，見圖1。

圖1 壓頭

養(yǎng)護(hù):試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)?？箟簭?qiáng)度齡期為7d、28d。試件養(yǎng)護(hù)至7d后測(cè)試透水系數(shù)、容重和孔隙率。

1.2.2 測(cè)試方法

(1)抗壓強(qiáng)度 透水混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)進(jìn)行。

(2)透水性 透水性能測(cè)試方法如圖2所示。該裝置為兩端開口的帶刻度有機(jī)玻璃圓筒，圓筒內(nèi)直徑65mm。測(cè)量時(shí)將圓筒置于試件上表面，圓筒與試件之間用石蠟密封。向圓筒中加滿水，水通過試件向下滲漏。測(cè)量水面從h2下降至h1所經(jīng)歷的時(shí)間(本文中h2和 h1取值分別為 200mm、180mm)，Δt=t2-t1，透水系數(shù)K按式(1)計(jì)算得到。

圖2 混凝土透水系數(shù)測(cè)試裝置

(3)孔隙率 首先測(cè)量試件外形尺寸，并計(jì)算出試件的外形體積V，將試件浸泡在水中使其飽水后稱其在水中的重量W1，取出試件空干多余的水并擦干表面，并按一定時(shí)間間隔稱取重量，待穩(wěn)定后確定其為試件在空氣中的重量W2，則透水性混凝土的孔隙率P按式(2)計(jì)算，計(jì)算得到的孔隙率含連通孔和半封閉孔。

(4)容重 將試件放置在空氣中，間隔一定時(shí)間后稱取重量，待穩(wěn)定后確定其重量W，測(cè)量并計(jì)算得到試件外形體積V，按式(3)計(jì)算容重R。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 成型方式及集料粒徑對(duì)透水混凝土性能的影響

研究了以 2.5mm～5.0mm(簡(jiǎn)稱小粒徑)，5.0mm～10.0mm(簡(jiǎn)稱中粒徑)和10.0mm～15.0mm(簡(jiǎn)稱大粒徑)3種單一粒徑鋼渣為集料，在相同的集灰比下采用不同成型方式制作的試件的抗壓強(qiáng)度、透水性能、孔隙率及容重等性能，透水混凝土的坍落度控制在30mm～50mm。我們對(duì)成型方式對(duì)不同粒徑鋼渣集料的透水混凝土性能的影響作了繪圖分析，見圖3～5。

圖3 集料粒徑和成型方式對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖3可看出，集料粒徑對(duì)透水混凝土的抗壓強(qiáng)度有較大影響，采用相同的成型方式時(shí)，采用中粒徑的混凝土強(qiáng)度最高，小粒徑其次，大粒徑最小，其中小粒徑與中粒徑的抗壓強(qiáng)度差別不是很明顯，而采用大粒徑的透水混凝土強(qiáng)度降低很明顯，如采用振動(dòng)成型時(shí)，小粒徑、中粒徑和大粒徑的混凝土強(qiáng)度依次為27.1MPa、30.2MPa和17.9MPa，這是由于集料粒徑較大時(shí)，集料間的咬合點(diǎn)較少，由此產(chǎn)生的咬合摩擦力及其漿體粘結(jié)力減少，導(dǎo)致強(qiáng)度有較大幅度降低。從圖3中還可以看出，隨齡期增長(zhǎng)，采用中小粒徑的透水混凝土強(qiáng)度有較大幅度的增長(zhǎng)，如采用靜壓1MPa成型的小粒徑透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度較7d提高了76%，而采用大粒徑集料的混凝土，隨齡期增長(zhǎng)，無論采用何種成型方式，強(qiáng)度增加均較小，增長(zhǎng)幅度都在26%以下。成型方式對(duì)透水混凝土的強(qiáng)度也有明顯影響，從圖3可看出，對(duì)于不同粒徑的混凝土，采用插搗、振動(dòng)成型的混凝土強(qiáng)度較高，而采用靜壓成型的混凝土強(qiáng)度較低，對(duì)于中小粒徑集料混凝土采用振動(dòng)成型強(qiáng)度較插搗略高一些，而采用大粒徑集料混凝土插搗強(qiáng)度略高于中小集料混凝土;3種粒徑集料透水混凝土采用靜壓1MPa和2MPa成型時(shí)強(qiáng)度均差別不大，后者略高于前者。

圖4 集料粒徑和成型方式對(duì)混凝土透水性能的影響

從圖4可看到，集料粒徑對(duì)混凝土透水系數(shù)影響較明顯，其中大粒徑混凝土透水性能最好，小粒徑混凝土其次，中粒徑混凝土透水系數(shù)較小，如采用靜壓1MPa成型，大、中、小混凝土的透水系數(shù)分別為66.7mm/s，6.7mm/s和 25mm/s。成型方式對(duì)混凝土的透水性能也有較明顯地影響，從圖4中看看出，采用插搗和振動(dòng)成型的混凝土透水系數(shù)明顯較低，而采用靜壓成型的透水混凝土透水性能要好得多，其中以靜壓1MPa成型的混凝土透水性能最好。

圖5 集料粒徑成型方式對(duì)透水混凝土孔隙率的影響

圖5顯示了集料粒徑和成型方式對(duì)透水混凝土孔隙率的影響，從圖5中可看到，采用不同粒徑集料的混凝土孔隙率有明顯地差異，采用大粒徑集料的混凝土孔隙率最大，孔隙率區(qū)間在20.0% ～25.0%，小粒徑其次，孔隙率區(qū)間在12.0% ～22.0%，中粒徑最小，孔隙率區(qū)間在9.0%～15%。采用不同成型方式的混凝土的孔隙率也存在明顯地差異，對(duì)于同粒徑集料混凝土，采用插搗和振動(dòng)成型的混凝土孔隙率較小，而采用靜壓成型的混凝土孔隙率相對(duì)較大。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，采用大粒徑鋼渣作集料，得到的混凝土孔隙率較大，盡管透水性能較好，但強(qiáng)度普遍較低，采用靜壓成型時(shí)強(qiáng)度只有13～14MPa，不能滿足實(shí)際工程的需求，若采用插搗或振動(dòng)成型，盡管強(qiáng)度有所提高，但成型過程中也容易產(chǎn)生離析結(jié)底現(xiàn)象。當(dāng)采用中小粒徑鋼渣作集料時(shí)，采用插搗或振動(dòng)成型的混凝土強(qiáng)度較高可達(dá)25～30MPa，但透水性能較差，采用靜壓成型時(shí)盡管強(qiáng)度降低明顯，但都可達(dá)到18MPa以上，透水性能也相對(duì)較好，其中采用小粒徑集料，透水系數(shù)可達(dá)到20mm/s。因此，綜合以上因素，鋼渣透水混凝土以不超過10.0mm的中小粒徑集料為好，成型采用靜壓為宜。由于靜壓1MPa與2MPa成型的透水混凝土性能差別不大，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，以采用靜壓1MPa成型為宜。

2.2 集料級(jí)配和集膠比對(duì)透水混凝土性能的影響

試驗(yàn)中采用5.0mm～10.0mm單一粒級(jí)和粒徑2.5mm～5.0mm:10.0mm～15.0mm質(zhì)量比為1:1的雙級(jí)配集料，采用的集膠比為3:1和4:1，透水混凝土采用靜壓1MPa成型，水灰比為0.38。試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 集料級(jí)配對(duì)透水混凝土強(qiáng)度的影響

從圖6中可看出，采用雙級(jí)配集料的混凝土強(qiáng)度明顯大于單一級(jí)配集料的透水混凝土，雙級(jí)配集料混凝土的密實(shí)度大于采用單一粒徑集料的混凝土，其孔隙率低于后者，容重大于后者。采用雙級(jí)配集料的混凝土，部分小粒徑集料取代水泥填充大顆?？障吨校谙嗤募z比下，水泥漿體將更趨于采用填充骨料之間空隙的方式來構(gòu)成結(jié)構(gòu)，因此使得多孔透水混凝土的孔隙率及透水系數(shù)顯著下降，因此，就本文條件下，采用單粒徑集料有利于在混凝土中形成連通的孔隙通道，提高混凝土的透水性。

在相同級(jí)配的條件下，集膠比為3:1的透水混凝土強(qiáng)度高于集膠比為4:1的混凝土強(qiáng)度，前者28d的強(qiáng)度比后者高出30% ～40%，這是由于混凝土隨膠凝材料含量增大，有更多漿體填充了骨料之間的孔隙，其與骨料的膠接面增加，混凝土更加密實(shí)。隨著水泥用量的增大，粗骨料之間原來連通的孔隙會(huì)逐漸減小變得不連通，整個(gè)骨架透水的通道減少而使其透水系數(shù)降低，當(dāng)集膠比較小時(shí)，混凝土中連通孔隙率較少，此時(shí)混凝土基本處于不透水狀態(tài)。為此，我們調(diào)整集膠比，開展進(jìn)一步試驗(yàn)，研究不同集膠比對(duì)混凝土性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表3，其中透水混凝土的坍落度控制在30mm～50mm。

表3 集膠比對(duì)透水混凝土性能的影響

從表3的數(shù)據(jù)可看出，在控制坍落度30mm～50mm的條件下(水灰比為0.38～0.42)，采用2.5mm～5.0mm及5.0mm～10.0mm集料粒徑的混凝土，較合適的集膠比范圍為4.5:1～5:1之間，此時(shí)的強(qiáng)度在11～19MPa之間，孔隙率在23% ～29%之間，透水系數(shù)在21mm～35mm/s。

圖7 集膠比對(duì)透水混凝土強(qiáng)度、透水性的影響

圖8 集膠比對(duì)透水混凝土孔隙率、容重的影響

根據(jù)表3的試驗(yàn)結(jié)果，我們對(duì)集膠比與透水混凝土的強(qiáng)度、透水系數(shù)的相關(guān)性，以及集膠比與透水混凝土的孔隙率、容重的相關(guān)性作了分析，見圖7、圖8。從圖7可看到，強(qiáng)度與集膠比存在較好的線性相關(guān)性，透水系數(shù)與集膠比也存在相關(guān)性，隨集膠比提高，透水混凝土的強(qiáng)度直線降低，而透水系數(shù)也幾乎呈線性提高，當(dāng)集膠比為4.5:1時(shí)可得到較合適的強(qiáng)度和透水性能。從圖8也可以看到，混凝土的孔隙率與容重也存在相關(guān)性，隨著集膠比增大，混凝土的孔隙率幾乎呈線性增加而容重呈線性降低，當(dāng)集膠比為4.5:1時(shí)混凝土的孔隙率大致在24%左右。

2.3 水灰比和流動(dòng)性對(duì)透水混凝土性能的影響

研究了水膠比對(duì)透水混凝土性能的影響，集料采用2.5mm～5.0mm粒徑鋼渣，集膠比采用4.5:1，通過增減水灰比或摻加減水劑兩種方式調(diào)節(jié)坍落度，研究水灰比對(duì)鋼渣透水混凝土性能的影響，測(cè)試結(jié)果見圖9和圖10。

圖9 水灰比對(duì)透水混凝土強(qiáng)度的影響

圖9(a)繪出了坍落度不同情況下，水灰比對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響。從圖9(a)中可看到，隨水灰比增大，透水混凝土的強(qiáng)度增大，這與普通混凝土中水灰比決定混凝土的抗壓強(qiáng)度不同，多孔透水混凝土本身就是一種比較干硬的混凝土，水泥漿體對(duì)骨料的均勻包裹與否是決定多孔透水混凝土抗壓強(qiáng)度的重要因素，它比水泥漿體抗壓強(qiáng)度(由水灰比決定)更能影響整體的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)水灰比過小時(shí)，雖然集料表面的水泥漿厚度增加和水泥漿強(qiáng)度提高，但混凝土成型困難造成壓實(shí)度不夠從而使透水混凝土強(qiáng)度降低，適當(dāng)?shù)卦黾佑盟?，可提高水泥漿體的流動(dòng)性，漿體容易填充集料中孔隙，提高混凝土的密實(shí)度，也可增加漿體與集料間的粘結(jié)點(diǎn)。當(dāng)水灰比較低時(shí)增加少量水，混凝土強(qiáng)度有較大幅度的增加，水灰比從0.34增加到0.38和0.42，坍落度從0增加到40mm和60mm，28d強(qiáng)度分別提高62.3%、103.7%。由此可以看出，透水混凝土應(yīng)有良好的和易性，這樣才能保證透水混凝土具有較高的勻質(zhì)性和強(qiáng)度，根據(jù)本文研究的結(jié)果鋼渣透水混凝土的坍落度控制在30mm～50mm較適宜。

圖9(b)顯示了摻加減水劑控制混凝土的坍落度為30mm～50mm，水灰比對(duì)透水混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律。從圖中可看出，隨水灰比增加，強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)，當(dāng)水灰比從0.31增加到0.33和0.38，28d強(qiáng)度分別下降了10%和22%。

圖10 水灰比對(duì)透水混凝土透水系數(shù)的影響

圖11 水灰比對(duì)透水混凝土孔隙率、容重的影響

圖10顯示了坍落度不同和坍落度相同的情況下，水灰比變化對(duì)混凝土透水性能的影響。圖11繪出了水灰比對(duì)混凝土孔隙率和容重的影響規(guī)律。從圖10(a)和圖11(a)可看出，在不摻減水劑情況下，隨水灰比增大，透水混凝土容重提高、孔隙率明顯降低，透水系數(shù)明顯下降。但是在流動(dòng)性相同的條件下，水灰比對(duì)混凝土的透水性以及容重、孔隙率的影響則有所不同，從圖10(b)和圖11(b)可見，隨水灰比增大，混凝土的透水系數(shù)先提高后降低，當(dāng)水灰比為0.33時(shí)，透水系數(shù)出現(xiàn)一高值，達(dá)到40mm/s，而水灰比增大混凝土容重先有所降低后持平，孔隙率則呈現(xiàn)先增大后持平的現(xiàn)象。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，即使強(qiáng)度或孔隙率接近，因流動(dòng)性不同或摻加減水劑與否，混凝土的透水系數(shù)會(huì)出現(xiàn)較大差異，這與混凝土中孔的連通性有關(guān)。

在水泥用量固定的情況下，水灰比增大，水泥漿體粘性減小，流動(dòng)性增加，可以包裹較多的集料顆粒，水泥漿體與集料的界面粘結(jié)力也增加，也較易填充集料間的孔隙，使混凝土的密實(shí)度提高，孔隙率降低。由于漿體的流動(dòng)性較大，在混凝土中較易形成封閉和半封閉的孔隙，成型時(shí)也易結(jié)底，從而影響混凝土的透水性能。當(dāng)采用減水劑減少用水量調(diào)節(jié)坍落度時(shí)，由于用水量較少，漿體粘滯度適宜，在水泥漿體對(duì)集料顆粒形成較好的包裹、漿體與集料間形成較強(qiáng)粘結(jié)力的同時(shí)，混凝土中留下較多的連通孔隙，達(dá)到強(qiáng)度和透水性俱好的效果。

3 結(jié)論

(1)采用大粒徑鋼渣作集料，得到的混凝土孔隙率較大，盡管透水性能較好，但強(qiáng)度普遍較低，不能滿足實(shí)際工程的需求。采用插搗或振動(dòng)成型方式的混凝土強(qiáng)度較高，但透水性能較差，且成型過程中易產(chǎn)生離析結(jié)底現(xiàn)象。綜合考慮，鋼渣透水混凝土以不超過10.0mm的中小粒徑集料為好，成型采用靜壓為宜。

(2)采用雙級(jí)配集料的混凝土強(qiáng)度明顯大于單一級(jí)配集料的透水混凝土，但孔隙率也明顯降低，在保證混凝土強(qiáng)度的前提下，采用單粒徑集料有利于在混凝土中形成連通的孔隙通道，提高混凝土的透水性。

(3)鋼渣透水混凝土強(qiáng)度與集膠比存在較好的線性相關(guān)性，透水系數(shù)與集膠比也存在相關(guān)性，較合適的集膠比范圍為4.0:1～5:1之間。

(4)相對(duì)于水灰比，混凝土的和易性對(duì)其強(qiáng)度和透水性影響更大，降低水灰比導(dǎo)致坍落度過小，反而會(huì)使多孔混凝土強(qiáng)度明顯降低，只有較好的和易性才能保證透水混凝土具有較高的強(qiáng)度和勻質(zhì)性，在本文條件下，鋼渣透水混凝土的坍落度控制在30mm～50mm較適宜。

［1］ YANG Jing，JIANG Guo-liang.Experimental study on properties of pervious concrete pavement materials［J］，Cement and Concrete Research，2003，33(3):381-386.

［2］ 張巨松，張?zhí)砣A，宋東升等.影響透水混凝土強(qiáng)度的因素探討［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，22(5):759-762

［3］ 孫家瑛，鄭德康.透水混凝土力學(xué)性能和耐久性能研究［J］.市政設(shè)施管理，2007，81(4):11-13

［4］ 徐仁崇，桂苗苗，劉君秀等.透水混凝土配合比參數(shù)選擇及設(shè)計(jì)方法研究［J］，2011，262(8):109-112.

［5］ 金強(qiáng)，賀鴻珠，楊剛等.寶鋼鋼渣在混凝土材料中資源化應(yīng)用技術(shù)研究［J］，寶鋼技術(shù)，2010，(3):19-22.