鉻鐵渣透水混凝土制備及性能優(yōu)化

王琪，程海麗，唐蔚妤，董瑞龍，蘇小軍，周澤權(quán)

（北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京100144）

鉻鐵渣是火法冶煉鉻鐵合金時(shí)所產(chǎn)生的一種含鉻廢渣。目前我國(guó)每年產(chǎn)生的鉻鐵渣約有400萬(wàn)t，但是利用率僅為30%[1]，大部分的鉻鐵渣被露天堆放，垃圾處理問(wèn)題急需解決。

透水混凝土是采用大粒徑或統(tǒng)一粒徑的骨料，通過(guò)水泥等膠凝材料混合而成的一種具有大孔隙率的透氣、透水的混凝土。我國(guó)一些地方和城市由于早期城市規(guī)劃不好，排水系統(tǒng)不完善，在面對(duì)夏季暴雨、強(qiáng)降雨的時(shí)候，會(huì)造成嚴(yán)重的城市內(nèi)澇問(wèn)題，嚴(yán)重威脅到了市民的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全。

如果采用透水混凝土來(lái)代替部分瀝青混凝土鋪設(shè)路面，就能有效地解決這些問(wèn)題。其良好的透水性可以解決積水問(wèn)題，還能灌溉路邊植物，大孔隙率可以吸收噪音，起到降噪的作用。

目前以鉻鐵渣為粗骨料的透水混凝土的研究較少，本次試驗(yàn)在前期研究基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步研究，找出影響鉻鐵渣透水混凝土性能的具體因素，并優(yōu)化其性能。

1 原材料及性能

水泥采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5 R級(jí)的普通硅酸鹽水泥，3 d抗折抗壓強(qiáng)度為6.3 MPa和37.40 MPa；28 d抗折和抗壓強(qiáng)度為7.2 MPa和67.2 MPa。鉻鐵渣來(lái)自內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)市新太新材料科技有限公司，經(jīng)各項(xiàng)檢查，材料的毒浸出性符合要求，粒徑4.75～9.5 mm，堆積密度為1 497 kg/m3；粒徑 2.36～4.75 mm，堆積密度為1 475 kg/m3。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)正交表，為三水平四因素正交表，具體設(shè)計(jì)、配比及分析見(jiàn)表1、表2、表3，其中在制作試件時(shí)采用裹漿法，即先加入一部分水泥和水與骨料進(jìn)行拌制，然后再加入剩下的水泥和水，如3∶5是指在拌和時(shí)先加入3/10的水泥和5/10水?dāng)嚢?，再加入剩余的水泥和水?dāng)嚢?。?qiáng)度測(cè)定參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，連通孔隙率測(cè)試參照CJJT 253—2016《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[2]進(jìn)行，性能結(jié)果見(jiàn)表2，透水系數(shù)采用中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院研制的TS-100FII型透水混凝土測(cè)試儀測(cè)試，水位差固定15 cm。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.1 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)程海麗[3]的研究表明，鉻鐵渣是可以作為骨料應(yīng)用于透水混凝土的，其各項(xiàng)指標(biāo)都滿足GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》中的要求。對(duì)其進(jìn)行排毒性檢測(cè)，也符合國(guó)家要求。

表1 試驗(yàn)因素與水平表

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案、抗壓強(qiáng)度及連通孔隙率

本試驗(yàn)的K值和R值見(jiàn)表3，其中的K1，K2，K3分別表示各因素在水平1，2，3下的14 d抗壓強(qiáng)度和連通孔隙率的平均值，反應(yīng)各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度和連通孔隙率的影響程度。由此可以知道，對(duì)于各因素對(duì)鉻鐵渣透水混凝土的抗壓強(qiáng)度的影響程度來(lái)說(shuō)，水膠比＞膠骨比＞級(jí)配＞裹漿比例，對(duì)連通孔隙率的影響程度來(lái)說(shuō)，水膠比＞級(jí)配＞膠骨比＞裹漿比例。

表3 試驗(yàn)K值和R值計(jì)算

綜合抗壓強(qiáng)度和連通孔隙率兩個(gè)方面來(lái)說(shuō)，此次試驗(yàn)的最優(yōu)因素組合為第9組，即水灰比為0.35，膠骨比為 0.31，裹漿比例為 3∶5，全部為 4.75～9.5 mm 粒徑的粗骨料，制備出來(lái)的鉻鐵渣透水混凝土14 d抗壓強(qiáng)度為18.8 MPa，連通孔隙率為20.5%。

只考慮抗壓強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，原則是越大越好，因此選取每個(gè)因素中使K值最大的水平為最優(yōu)水平,即得到較高抗壓強(qiáng)度的因素水平組合是水灰比0.35，膠骨比0.31，裹漿比例為3∶5，全部采用粗骨料。

效應(yīng)曲線圖是對(duì)正交試驗(yàn)直觀分析表的形象描繪,將表2中各因素的每個(gè)水平結(jié)果的均值用效應(yīng)曲線圖表示,如圖1、圖2所示。

圖1 各因素下連通孔隙率平均值趨勢(shì)圖

圖2 各因素下14 d抗壓強(qiáng)度平均值趨勢(shì)圖

由表3可知，水灰比作為影響鉻鐵渣透水混凝土抗壓強(qiáng)度和連通孔隙率的主要因素，透水混凝土的連通孔隙率隨著水灰比的增大先增加后減小，這是因?yàn)樵谙嗤悄z比下，水灰比小，水的用量就少，拌制的水泥漿干硬，流動(dòng)性差，所以得到的透水混凝土連通孔隙率較小。而當(dāng)水灰比過(guò)大時(shí)，在膠骨比一定的情況下，水的用量就多，得到的水泥漿體過(guò)稀，包裹骨料的同時(shí)還填充了骨料之間的空隙，造成連通孔隙率下降。而抗壓強(qiáng)度則隨著水灰比的增加而增大，因?yàn)樗冶仍酱?，水泥漿體攪拌的越充分，和易性越好，得到的透水混凝土抗壓強(qiáng)度越高。

由圖2還可以看出透水混凝土的抗壓強(qiáng)度隨膠骨比的增大而增大，但同時(shí)會(huì)降低連通孔隙率，因?yàn)槟z骨比增大，膠結(jié)漿體增多了，能更好地包裹骨料，提高抗壓強(qiáng)度，而骨料間的空隙也被多余的水泥漿填充，降低了連通孔隙率。

裹漿比例和級(jí)配相對(duì)于水膠比和膠骨比來(lái)說(shuō)，對(duì)鉻鐵渣透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和連通孔隙率影響較小。

3.2 試驗(yàn)方案的優(yōu)化

通過(guò)上述的分析可知，水灰比對(duì)鉻鐵渣透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和連通孔隙率的影響相對(duì)于其他3種因素來(lái)說(shuō)更顯著，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，第9組試驗(yàn)為最優(yōu)方案，所以在第9組試驗(yàn)的配比基礎(chǔ)上，通過(guò)改變水灰比的大小來(lái)研究其對(duì)于鉻鐵渣透水混凝土抗壓強(qiáng)度和連通孔隙率的影響變化規(guī)律。在得到一個(gè)較好的試驗(yàn)配合比后，通過(guò)改變減水劑、可再分散乳膠粉的加入量和成型方式，來(lái)研究其對(duì)鉻鐵渣透水混凝土性能的影響，最后得到一個(gè)完整的制備方案，試驗(yàn)優(yōu)化方案及結(jié)果見(jiàn)表4。

3.2.1 水灰比對(duì)透水混凝土的影響

通過(guò)比較Y1，Y2，Y3，Y4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，提高水膠比可以有效地增加混凝土的抗壓強(qiáng)度，而連通孔隙率先增加后降低，這與前面正交試驗(yàn)的結(jié)果一致。

比較Y1，Y5，Y6組試驗(yàn)可以看出，減水劑的加入對(duì)提高透水混凝土的抗壓強(qiáng)度有顯著影響，同時(shí)連通孔隙率也在逐漸減小。減水劑可以改善混凝土拌合物的和易性，適量地加入可以讓水泥砂漿粘稠、不泌水，更好地包裹骨料，但是會(huì)填充骨料之間的空隙，提高抗壓強(qiáng)度的同時(shí)，降低連通孔隙率。

3.2.2 成型方式對(duì)透水混凝土的影響

比較Y5，Y7，Y8，Y9組試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，使用振動(dòng)臺(tái)短時(shí)間振動(dòng)成型可以使混凝土拌合物更加密實(shí)，提高了抗壓強(qiáng)度，也降低了連通孔隙率。但是不宜振動(dòng)太長(zhǎng)時(shí)間，因?yàn)檫@樣會(huì)破壞透水混凝土內(nèi)部應(yīng)有的孔隙結(jié)構(gòu)，達(dá)不到透水的效果；而且如果水泥漿體過(guò)稀，長(zhǎng)時(shí)間震動(dòng)還會(huì)使水泥漿體脫離骨料表面向試塊底面聚集，造成封底的現(xiàn)象，同樣對(duì)試件的透水性能造成不利的影響。

表4 優(yōu)化試驗(yàn)方案及結(jié)果

3.2.3 可再分散乳膠粉對(duì)透水混凝土的影響

比較 Y5，Y10，Y11，Y12 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，加入可再分散乳膠粉對(duì)鉻鐵渣透水混泥土的抗壓強(qiáng)度和連通孔隙率有一定的影響?？稍俜稚⑷槟z粉在接觸水后，可以很好地重新分散成乳液，填充到空隙中，等到脫水后形成聚合物薄膜，有效提高試件的綜合性能。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，加入可再分散乳膠粉后，試件的抗壓強(qiáng)度增加，連通孔隙率降低，并且隨著可再分散乳膠粉用量的增多，呈現(xiàn)出試件抗壓強(qiáng)度下降，連通孔隙率增加的趨勢(shì)，但是都比不加入乳膠粉要好。這是因?yàn)榭稍俜稚⑷槟z粉需要水才能形成層乳液，如果摻入量過(guò)大，就會(huì)引起水泥反應(yīng)不充分、漿體的流動(dòng)性降低、骨料包裹不完全的現(xiàn)象，從而使得得到的鉻鐵渣透水混凝土試件抗壓強(qiáng)度降低，連通孔隙率下降。

通過(guò)比較各方面因素，選出 Y3，Y4，Y7，Y10 為最優(yōu)方案組（Y6，Y8，Y9組由于在研究成型方式影響的實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)封底現(xiàn)象，故不采用），并測(cè)試其透水系數(shù)，結(jié)果顯示，透水系數(shù)都大于0.5 mm/s，滿足CJJT 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》要求，結(jié)果見(jiàn)表4。

4 結(jié)論

（1）正交試驗(yàn)表明，對(duì)鉻鐵渣透水混凝土性能影響最大的為水膠比，其次為膠骨比，裹漿比例和顆粒級(jí)配有一定的影響，但效果不顯著。

（2）在膠骨比為0.31，水灰比在0.30～0.40時(shí)，適量加入減水劑和可再分散乳膠粉，可以較好地提升鉻鐵渣透水混凝土的抗壓強(qiáng)度，最好的減水劑加入量為0.2%，28 d抗壓強(qiáng)度為21.5 MPa，連通孔隙率為15.8%；最好的可再分散乳膠粉加入量為1%，28 d抗壓強(qiáng)度為24.5 MPa，連通孔隙率為19.8%；振動(dòng)成型時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，否則會(huì)影響透水性能，最好為5 s振搗加5 s插搗。