攀枝花尾礦制備透水混凝土的實驗研究

毛雨琴,沈新穎,朱路平,崔 晏

(1.上海第二工業(yè)大學 環(huán)境與材料工程學院,上海201209;2.攀枝花學院材料工程學院,四川攀枝花617000)

0　引言

透水混凝土又稱多孔混凝土,是一種無砂大孔混凝土,一般由水泥、粗骨料、水和外加劑等拌制而成。它以單粒級骨料為骨架,骨料表面包裹一層較薄的膠凝材料,周圍形成具有連續(xù)貫穿孔隙的蜂窩狀結(jié)構(gòu),具有良好的透水、透氣性[1]。美國在1972年出于對城市水資源的保護而出臺了清潔水資源法案,政府規(guī)定了各州需要收集一定量的清潔降雨[2],透水混凝土因其凈化、吸聲、滲透作用而被各州廣泛使用。其中,佛羅里達州處于美國的東南部,周圍臨海,由于其特殊的地理位置經(jīng)常降暴雨而導(dǎo)致城市出現(xiàn)洪澇現(xiàn)象。因此,當?shù)卣e極推進透水路面建設(shè),緩解了較大的地表徑流量。將透水混凝土材料應(yīng)用在公園、廣場、輕便型道路等場所具有良好的生態(tài)效應(yīng)[3]和經(jīng)濟效益。上世紀70年代初期,歐洲許多發(fā)達國家也投入大量財力進行透水混凝土的研究與應(yīng)用。我國在透水混凝土方面的起步較晚,在1993年,我國開始著手研究透水混凝土[4]。本世紀初,我國才逐漸開始在城市園林道路、運動場館等地鋪裝透水混凝土材料[5]。近年來,隨著國家對環(huán)境問題的日益重視以及固體廢棄物資源化處理處置的迫切需求,以廢棄尾礦來進行透水混凝土的制備和應(yīng)用引起了人們的極大關(guān)注。攀枝花釩鈦磁鐵礦是我國較大的金屬礦床之一,攀鋼公司每年生產(chǎn)500萬t左右的鐵精礦,與此同時產(chǎn)生750萬t左右的尾礦[6]。廢棄尾礦的堆積與處理嚴重危害當?shù)氐沫h(huán)境,因此利用攀枝花尾礦進行回收再利用具有較高的社會價值和經(jīng)濟意義。攀枝花尾礦可應(yīng)用于建筑用砂、生產(chǎn)微晶玻璃、混凝土骨料等方面,具有較高的資源回收利用價值[7]。本文以攀枝花尾礦為基本原料制備了透水混凝土,采用填充體積法進行配合比設(shè)計,通過投料法和插搗法進行透水混凝土的攪拌成型,測定了試樣的抗壓強度和透水系數(shù)等性能,探討了影響其性能的主要因素。

1　實驗部分

1.1　儀器與原材料

實驗器材:電子桌秤 (最大稱量 5 kg,分度 0.05 g),攪拌機 (轉(zhuǎn)速 90 r/min),震動臺 (振次2 860次/min),HBY-40B混凝土標準養(yǎng)護箱,FSY-150A水泥細度負壓篩析儀,壓力機(最大負荷2 000 kN),混凝土模具(100 mm×100 mm×100 mm),泥抹子,磚刀,毛刷等。

原材料:P·O42.5R硅酸鹽水泥(P·O表示普通硅酸鹽水泥,42.5表示抗折強度為42.5 MPa,R表示早強型水泥),粒徑為5～10 mm的攀枝花尾礦(典型高鈣高鎂含鈦渣,含量最高的成分是CaO、SiO2、TiO2,三者的含量之和達到70%以上,其次為Al2O3和MgO,尾礦中CaO含量約為21%～29%,TiO2含量約為21%～24%,SiO2約為20%～25%,Al2O3為12%～15%,MgO為7%～10%。其實測表觀密度為2.7 g/cm3,為避免尾礦表面的塵粒對膠凝料對骨料的粘接影響,需要對尾礦進行清洗)[6],聚羧酸高性能減水劑(粉劑)PCA-I,自來水。

1.2　實驗方案

采用填充體積法[8]計算尾礦透水混凝土的配合比。具體設(shè)計方法如下:根據(jù)《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T135-2009)[9]和《混凝上配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ55-2011)[10],確定骨料、膠凝材料的用量,并制定透水混凝土基準配合比設(shè)計參數(shù)為:抗壓強度≥20 MPa,設(shè)計孔隙率P(15%～25%),骨料粒徑(5～10 mm),減水劑(0.5%～1.0%),水灰比W/C(0.28～0.32)。

由上述配合比設(shè)計方法,分別取目標孔隙率為15%,20%,25%,水灰比為0.28,0.29,0.30,0.31,0.32進行配合比設(shè)計,具體配比見表1。

表1　透水混泥土配合比Tab.1 Mix ratio of theperviousconcrete

透水混凝土的攪拌工藝是多次投料法。第1步將粗骨料投入到攪拌機中,同時加入200 mL水,攪拌40 s左右暫停攪拌;第2步向攪拌機中投入水泥和外加劑等膠凝材料,開機攪拌1 min左右;第3步加入剩余的水攪拌3 min左右停止攪拌,待混凝土攪拌均勻后,開機放閘倒料。

透水混凝土試塊成型方法采用插搗法,是將拌合料分5～6次裝填到模具中,每次裝填后需用力使用磚刀對模具中的拌合料進行8～10次插搗,直至搗實為止。

本實驗選用標準養(yǎng)護方式,標準養(yǎng)護箱設(shè)置的溫度參數(shù)為(20±2)?C,相對濕度在95%的恒溫恒濕環(huán)境,養(yǎng)護時間為28 d。試塊的干重、濕重均使用分度為0.05 g的電子桌秤進行測量,且每塊試樣均測量3次取其平均值。

采用氣相排除法[11]對試樣進行孔隙率測試;在測定透水混凝土試塊孔隙率前,需稱量干狀態(tài)下試塊的質(zhì)量,稱量方法與原材料的稱量方法相同,試塊質(zhì)量記為m1。然后將透水混凝土試塊置于盛滿水的2 L的容器中時,水進入試塊內(nèi)部,此時水充滿了多孔混凝土內(nèi)部的孔隙,內(nèi)部的氣相被水排出。待混凝土試塊內(nèi)部被水完全填充時,取出試塊并稱其質(zhì)量m2。此時試塊的質(zhì)量會發(fā)生變化,由原來的試塊質(zhì)量變?yōu)樵噳K和水的質(zhì)量,兩者的質(zhì)量之差便是透水混凝土內(nèi)部水填充氣相的質(zhì)量。測得質(zhì)量m1和m2后,可根據(jù)下式測得透水混凝土試塊的孔隙率:

式中:δ為透水混凝土的孔隙率;ρ為水的密度(g/mL);V為容器的體積(mL)。

采用自制透水儀,如圖1所示,塑料套筒的規(guī)格為100 mm×100 mm×200 mm,表面標有刻度(100 mm)。待混凝土試塊與套筒密封處理后,往塑料套筒中加滿水,待水剛好到100 mm刻度時,開始計時t1,待水位下降到10 mm的刻度時,計時t2。因此,透水混凝土的透水系數(shù)計算方法為[12]:

式中:T為透水混凝土的透水系數(shù)(mm/s);?t為水位下降90 mm所用的時間(s)。

圖1　自制透水儀示意圖Fig.1 Schematic diagram of homemade water permeability tester

采用DYE-2000型混凝土壓力實驗機對試樣進行抗壓強度測試。

2　結(jié)果與討論

2.1　水灰比與實測孔隙率的關(guān)系

在實際實驗中,由設(shè)計孔隙率計算出的理論配合比會受到攪拌方式和成型方式的影響,從而改變透水混凝土的實際孔隙。

從圖2中可看出,實際測得的孔隙率在目標設(shè)計孔隙率附近波動,設(shè)計孔隙率在25%以下時,實測孔隙率基本符合設(shè)計孔隙率,15%的設(shè)計孔隙率與實測孔隙率基本吻合。當設(shè)計孔隙率P=20%、水灰比為0.31時,實測孔隙率的波動范圍較大,存在較大的誤差。這可能是由于對透水混凝土的浸泡時間不夠,使稱得的混凝土試塊浸濕重量較小,因此實際孔隙率較小。當設(shè)計孔隙率P=25%時,隨著水灰比的逐漸增加實測孔隙率也逐漸增大;設(shè)計孔隙率P=20%和P=15%時,水灰比的增加使實測孔隙率無規(guī)律變化,拐點也不同,在水灰比為0.30時,實測孔隙率達到最大值。結(jié)果表明:當設(shè)計孔隙率較大時,水灰比逐漸增大,附著力逐漸下降,不能更好地包裹粗骨料表面,因而在試塊內(nèi)部形成較多的孔隙。當設(shè)計孔隙率下降到一定程度時,水灰比對實際孔隙率的影響較小,實測孔隙率在設(shè)計孔隙率附近波動。

圖2　水灰比與實測孔隙率的關(guān)系Fig.2 Relation between water/cement ratio and the measured porosity

2.2　孔隙率對透水系數(shù)的影響

將透水混凝土試塊在水中完全浸泡1 d后,使用自制透水儀測試塊的透水系數(shù)?？紫堵逝c透水系數(shù)的關(guān)系見圖3。

圖3　孔隙率與透水系數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relation between the measured porosity and permeability coeffi cient

由圖3可看出,透水混凝土試塊的透水系數(shù)與設(shè)計孔隙率的大小有關(guān),孔隙率越大透過水的速度越快,透水系數(shù)越大。圖2與圖3的走勢基本相同,水灰比對透水系數(shù)的影響與水灰比對實測孔隙率的影響相同,說明實測孔隙率是影響透水系數(shù)的決定性因素。

2.3　水灰比對抗壓強度的影響

透水混凝土試塊最主要的力學性能是試塊承受的最大抗壓值,即抗壓強度。根據(jù)前面測量透水混凝土的方法,使用混凝土壓力實驗機測得28 d后尾礦透水混凝土的抗壓強度。由圖4可看出,在水灰比保持不變的情況下,試塊的抗壓強度隨著設(shè)計孔隙率的減小而增大。當設(shè)計孔隙率P=15%,水灰比W/C為0.30時,試塊的抗壓強度達到最大值,抗壓強度能達到29.2 MPa。在水灰比為0.30的兩側(cè)抗壓強度值逐漸減小。在設(shè)計孔隙率增大到25%,水灰比為0.32時抗壓強度值達到最小值,此時試塊的抗壓強度為8.9 MPa。因此,在進行透水混凝土配比設(shè)計時,需根據(jù)實際情況選擇合適的孔隙率。需要較高的抗壓強度時,設(shè)計孔隙率應(yīng)較小,但透水性能較差。水灰比的大小控制在0.29～0.30附近抗壓強度效果最好。

圖4　水灰比與試塊抗壓強度的關(guān)系Fig.4 Relation between water/cement ratio and compressive strength of test block

2.4　試塊表觀密度對抗壓強度的影響

表觀密度是指材料在自然狀態(tài)下(長期在空氣中存放的干燥狀態(tài)),材料的質(zhì)量與表觀體積之比,其中,表觀體積是實體體積加閉口孔隙體積。一般直接測量體積,對于形狀非規(guī)則的材料,可用蠟封法封閉孔隙,然后再用排液法測量體積。因此,表觀密度為M/V,其中M表示實體的質(zhì)量,V表示實體體積+閉口空隙的體積。

本實驗試塊表觀密度與抗壓強度值如表2所示?？煽闯?在同樣的設(shè)計孔隙率條件下,試塊表觀密度與抗壓強度無明顯規(guī)律,且離散性較大。從宏觀角度看,試塊的表觀密度隨設(shè)計孔隙率的增大而減小,抗壓強度隨表觀密度的減小而減小。

2.5　透水系數(shù)對抗壓強度的影響

圖5　水灰比為0.30時試塊透水系數(shù)與抗壓強度的關(guān)系Fig.5 Relationship between permeability coeffi cient and compressive strength of test block when water/cement ratio is0.30

由圖5可知,隨著設(shè)計孔隙率逐漸增大,透水系數(shù)也逐漸增大,平均抗壓強度降低。系數(shù)越大,混凝土的透水性也越好,但是隨著透水系數(shù)的逐漸增大,透水混凝土的抗壓強度逐漸降低。

(2)在水灰比保持不變的情況下,試塊的抗壓強度隨著設(shè)計孔隙率的減小而增大。在設(shè)計孔隙率增大到25%,水灰比為0.32時,抗壓強度值最小,僅為8.9 MPa。當設(shè)計孔隙率為15%,水灰比為0.30時試塊的抗壓強度達到最大值,抗壓強度能達到29.2 MPa,且透水系數(shù)大于2 mm/s,能達到一般輕型抗壓透水施工要求。

參考文獻:

在P=15%時,試塊抗壓強度呈增長趨勢,當透水系數(shù)為5.15 mm/s時,抗壓強度達到最大值29.2 MPa;在P=20%時,抗壓強度有所降低,當P=25%,抗壓強度值減小的幅度較大,當透水系數(shù)在16.34 mm/s時,抗壓強度值為8.9 MPa。因此,設(shè)計孔隙率越大,透水混凝土的透水性越好,但是隨著孔隙率的逐漸增大,透水混凝土的抗壓強度逐漸降低。這可能是由于孔隙率越大,混凝土內(nèi)部的孔隙就越多,在承受壓力時內(nèi)部應(yīng)力就越集中,從而使得透水混凝土透水性好但抗壓強度低。

3　結(jié) 論

選用攀枝花尾礦為原料制備了透水混凝土,探索了影響其性能的主要因素。結(jié)果表明:

(1)當設(shè)計孔隙率較大時,試塊的實測孔隙率隨水灰比的增大而逐漸增大。當設(shè)計孔隙率下降到一定程度時,水灰比對實際孔隙率的影響較小,實測孔隙率在設(shè)計孔隙率附近波動;設(shè)計孔隙率越大,透水

[1] 楊志賓.淺談透水混凝土[J].科技資訊,2011(29):73.

[2] 汪文黔,人與環(huán)境和諧原理[M].北京:科學出版社,2010.

[3] 鄒容,周衛(wèi)軍,李軒宇,等.城市熱島效應(yīng)的產(chǎn)生及研究方法[J].農(nóng)村經(jīng)濟與科技,2007(3):113-114.

[4] 劉新菊,趙字光,任子明.多孔混凝土的研究開發(fā)[J].中國建材科技,1999(4):1-5.

[5] 劉衛(wèi)東,冀駿,金玉石.北京奧林匹克森林公園透水混凝土地坪施工技術(shù)[J].施工技術(shù),2010(12):27-30.

[6] 袁東.攀枝花尾礦資源綜合利用現(xiàn)狀及發(fā)展前景淺析[C]//第十屆中國科協(xié)年會論文集.中國河南:鄭州,2008:158-161.

[7] 周永軍.攀鋼尾礦用作路面瀝青混合料配合比設(shè)計及施工[J].西南公路,2009(2):11-14.

[8] 甘冰清.透水混凝土的配合比設(shè)計及其性能研究[D].淮南:安徽理工大學,2015.

[9] 胡倫堅.《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T135-2009)編制與研究[J].施工技術(shù),2010(4):1-3.

[10]丁威,冷發(fā)光,韋慶東,等.《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ55-2011)簡介[J].混凝土世界,2011(12):76-79.

[11]YANG Z F,SHEN W G.The aggregate gradation for the porous concrete pervious road basematerial[J].Journal of Wuhan University of Technology(Materials Science Edition),2008,23(3):391-394.

[12]霍亮,高建明.透水性混凝土透水系數(shù)的實驗研究[J].混凝土與水泥制品,2004(1):44-46.