不銹鋼渣透水磚密度與透水性和強度的相關性

安曉燕

（河北建材職業(yè)技術學院，河北 秦皇島 066004）

透水磚自20世紀被荷蘭人發(fā)明以來，已在歐美、日本等發(fā)達國家得到廣泛應用[1]，目前在我國的“海綿城市”建設中正發(fā)揮著重要作用[2]。其中，免燒透水磚由于利用了各種工業(yè)廢渣而發(fā)展迅速，電廠固硫灰[3]、煤矸石[4]、尾礦渣[5]、污泥[6]、再生骨料和粉煤灰[7]等都可作為其原材料。不銹鋼生產(chǎn)中產(chǎn)生多種廢渣，其中一種廢渣外觀與砂接近，因其顆粒表面粗糙，所以將其用作混凝土細骨料會影響流動性，但很適合用來制備通過半干料壓縮成型的透水磚。

透水性是透水磚最重要的性能指標，相關研究受到關注，包括“集料的緊密堆積密度”[8]以及“灰色系統(tǒng)”[9]等理論都被用于指導其配合比設計，趙亞兵和晉紅強等[4，10]認為，GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》規(guī)定的透水系數(shù)測試存在缺陷，于是開發(fā)了自己的試驗裝置和計算方法，本研究則設計了一種更加簡便的透水性測試方法。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：P·O42.5，秦皇島淺野水泥有限公司生產(chǎn)；不銹鋼渣：細度模數(shù)為2.56（屬中砂），上海寶鋼產(chǎn)，其主要化學成分見表1，粒度分布見表2，微觀形貌及顆粒表面能譜分析見圖1；石：粒徑5～10 mm，秦皇島青龍縣；水：自來水。

表1 不銹鋼渣的主要化學成分 %

表2 不銹鋼渣的粒徑分布

由圖 1（a）、（b）可見，不銹鋼渣的外觀與普通河砂接近，其顆粒表面較為粗糙，并附著了大量的結晶態(tài)微粒；將其進一步放大，從圖1（c）、（d）可見大量的棒狀或顆粒狀結晶微粒，對這2類特征微粒進行能譜分析可以看出，其成分主要為硅、鈣、鋁、鎂的氧化物，這與表1的主要化學成分相吻合。

1.2 試件制作

采用半干料壓縮成型方法，按配比將稱量好的水泥與水拌合均勻，再將粗細骨料與水泥漿拌合均勻，得到半干料，然后將一定質量的半干料裝入由Φ75 mm的PVC管切割而成、高度為150 mm的成型模具，最后用Ф70 mm的實心圓鐵柱壓縮至規(guī)定的50 mm高度。因PVC管壁厚1.5 mm，得到的試件原始尺寸為Ф72 mm、高度50 mm，在強度和體積測試前應對試件上表面進行打磨。

1.3 試驗配合比

試驗配合比見表3，用水量應根據(jù)其它材料摻量的變化進行調整，以保證獲得剛好不會粘聚成坨的半干料。

表3 試驗配合比 g

1.4 測試儀器與測試方法

（1）抗壓強度：依據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進行測試，采用無錫建材儀器廠TYE-300D水泥強度抗壓/抗折試驗機，加載速率0.5 kN/s，測試前7 d用純水泥漿填平試件上、下表面的孔隙。

（2）絕干密度：依據(jù)GB 11970—1997《加氣混凝土體積密度含水率和吸水率試驗方法》，根據(jù)絕干硬化試件的體積和質量計算。

（3）透水性：參照JC/T 945—2005《透水磚》，分別采用河北滄州獻縣科宇高鐵儀器設備廠型號ST-A透水系數(shù)測試儀（見圖2）和自行設計的簡易實驗裝置（見圖3）進行測試。

圖2 JC/T 945—2005透水系數(shù)測試裝置示意

圖3 簡易法透水系數(shù)測試裝置示意

簡易測試方法是將一個比試件直徑略粗的塑料瓶底部去掉作為透明漏斗，將瓶口向下放在量筒上，組成透水性簡易測試裝置；將試件連同PVC管成型模具一起泡水24 h，在測試前將試件及模具從水中取出，靜停幾十秒，等到試件不再滴水時將其放入透明漏斗中；將120 mL自來水從PVC管中的試件上方倒入其中，一段時間后自來水會透過試件并經(jīng)漏斗下方的出口進入接水量筒中。從量筒中水位上升至20 mL時開始計時，當水位升至100 mL時計時結束。根據(jù)計時時間來評價試件的透水性，并按照JC/T 945—2005計算透水系數(shù)。

式中：kT——水溫為T時試件的透水系數(shù)，cm/s；

Q——時間t秒內的滲水量，mL；

L——試件厚度，cm；

A——試件上表面積，cm2；

H——水位差，參照JC/T 945—2005，取15 cm；

t——時間，s。

2 試驗結果與分析

2.1 簡易透水性測試方法的可靠性

分別采用2種方法測試不銹鋼渣透水磚的透水系數(shù)，1#～21#試件的透水系數(shù)測試結果如表4所示。

表4 用不同方法測試不銹鋼渣透水磚的透水系數(shù) cm/s

由表4可見，簡易法與按JC/T 945—2005方法的測試結果極為接近，其結果的可靠性很高，在本研究選擇的系列配合比中都表現(xiàn)出極小誤差。因此，簡易法在一定條件下完全可以替代JC/T 945—2005方法。由于JC/T 945—2005方法規(guī)定的復雜測試步驟和程序，主要是為了克服透水磚的生產(chǎn)原材料、制備方法以及測試環(huán)境等各種因素變化對測試結果的影響，而當這些條件都固定不變時，通過大幅度簡化其中的程序、步驟仍可獲得可靠的測試結果，進而顯著提高研究效率。

2.2 不銹鋼渣透水磚的強度與密度的相關性

不銹鋼渣透水磚絕干密度和抗壓強度測試結果見表5。

表5 不銹鋼渣透水磚的絕干密度和抗壓強度

由表5可見，試件的絕干密度在1.9～2.3 g/cm3之間，采用450、435、420 g半干料所制備的試件絕干密度分別為2.3、2.2、1.9 g/cm3，相同半干料的試件其絕干密度上下波動的范圍很小。這顯然是由試件成型方法本身決定的，將相同質量的半干料壓制成相同體積的試件，其密度就比較接近。而試件的抗壓強度在9～30 MPa間呈現(xiàn)相同規(guī)律的大幅度波動，并且隨著試件中水泥和不銹鋼渣摻量逐漸減少呈逐漸降低趨勢。

按照水泥摻量分類，對表4中1#～24#試件的絕干密度-抗壓強度進行線性擬合，擬合公式見表6。

表6 不銹鋼渣透水磚絕干密度-抗壓強度擬合公式

由表6可見，在相同配合比下，不同質量半干料所對應的絕干密度與抗壓強度呈現(xiàn)較高的線性關系，其線性相關系數(shù)大多數(shù)超過0.98。這表明，在實際生產(chǎn)中可以通過對不銹鋼渣透水磚絕干密度的控制獲得預期的抗壓強度，而絕干密度可以通過對入模半干料用量的簡單調整得到精確的控制。

2.3 不銹鋼渣透水磚的透水系數(shù)與密度的相關性

對1#～24#試件的絕干密度-透水系數(shù)進行線性擬合，擬合公式見表7。

表7 不銹鋼渣透水磚絕干密度-透水系數(shù)擬合公式

由表7可見，絕干密度與透水系數(shù)成負相關性，二者的相關性也比較高，除了16#～18#試件擬合直線的相關性較低，1#～3#試件擬合直線和4#～6#試件擬合直線的相關性略低以外，其它5組試樣的絕干密度與透水系數(shù)的線性相關性都較高（相關系數(shù)均大于0.98）。可以認為，本研究中的試件絕干密度與透水性之間也存在極高的線性相關性，即同樣可以通過控制絕干密度來簡便且精確地控制產(chǎn)品的透水性。

2.4 不銹鋼渣透水磚透水系數(shù)與抗壓強度的關系

不銹鋼渣透水磚的透水系數(shù)與抗壓強度測試結果如表8所示。

表8 不銹鋼渣透水磚的透水系數(shù)與抗壓強度

從表8可以看出，只有1#試件的透水系數(shù)不符合GB/T 25993—2010要求（A級、B級透水磚的透水系數(shù)應分別大于0.02、0.01 cm/s），10#試件達到B級要求，其它試件均達到A級產(chǎn)品要求。

結合表3配合比可知，沒有摻鋼渣的20#～24#試件雖然有很高的透水系數(shù)，但其抗壓強度不足18 MPa，考慮到試件的尺寸效應，本研究測得的強度顯然會高于常規(guī)的150 mm×150 mm×150 mm立方體強度，所以，按照一般工程經(jīng)驗，該類材料只能用于人行道，無法用于行車路面；而摻有鋼渣的1#～15#試件中除前2個試件的透水性略低外，其它都具有良好的透水性且抗壓強度在18～32 MPa，可根據(jù)實際要求選擇不同量的半干料來調整；不含鋼渣的16#～19#試件雖然也具有較好的透水性，但其強度相對較低；在相同水泥摻量和半干料用量的條件下，對比1#～9#試件可知，適當?shù)匿撛鼡搅靠色@得較高的強度，其透水性隨著鋼渣摻量的增加逐漸提高。

3 結論

（1）采用不銹鋼渣半干料通過壓縮成型工藝可制備出透水性符合GB/T 25993—2010中A級標準要求的透水磚，在本研究范圍內，適當?shù)牟讳P鋼渣摻量可獲得較高的強度，而透水性隨著鋼渣摻量的增加逐漸提高。

（2）在相同配合比下，半干料用量不同所產(chǎn)生的絕干密度、透水系數(shù)與抗壓強度三者之間呈現(xiàn)較高的線性關系，其線性相關系數(shù)大多數(shù)超過0.98。實際生產(chǎn)中可通過對入模半干料質量的調整來控制密度，進而簡便、精確地控制透水性并獲得預期強度。

（3）所設計的透水系數(shù)簡易測試法的可靠性很高，在本研究范圍內的測試結果與按JC/T 945—2005的測試結果極為接近。

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