多元固廢材料對混凝土材料性能的協(xié)同效應(yīng)

趙婉辰

（山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運(yùn)城 044004）

1 引言

隨著信息化時(shí)代的到來，城市環(huán)境問題日趨嚴(yán)重。許多城市路面出現(xiàn)了不透水現(xiàn)象，城市排水困難、地下水位下降。因此，透水混凝土應(yīng)運(yùn)而生。透水混凝土作為海綿城市概念的市政工程材料，具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)，屬于輕質(zhì)多孔混凝土，與傳統(tǒng)混凝土有很大差異，它具有良好的降噪、透水性和改善生態(tài)環(huán)境的作用，是一種綠色環(huán)?；炷痢５V產(chǎn)摻合料能夠替代水泥，提高混凝土質(zhì)量，但不同礦物摻合料對透水混凝土的影響不同。本文以混凝土理論作為基礎(chǔ)，充分利用硅灰、粉煤灰等固廢材料，設(shè)計(jì)出具有良好透水性的生態(tài)透水混凝土，達(dá)到改善城市生態(tài)環(huán)境、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。透水混凝土中含有大量的開孔結(jié)構(gòu)，具有良好的透水性和力學(xué)性能。本文對透水混凝土的透水性和強(qiáng)度進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)，并通過不同石子粒直徑的實(shí)驗(yàn)探究了其中包含的關(guān)系。

2 原材料與試驗(yàn)方法

2.1 原材料

（1）水泥：某水泥公司出廠的P·042.5水泥，其物理性能見表1。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

（2）粗骨科：某地碎石廠生產(chǎn)，顆粒直徑5～20mm，表面密度2 712kg/m3，堆積密度約1 448kg/m3。

（3）粉煤灰：堆積密度為578kg/m3，II級。

（4）硅灰：顆粒平均直徑在0.1～0.3之間，堆積密度為302kg/m3。

（5）鐵尾礦砂：堆積密度為2 075kg/m3，其粒度分布見表2，固廢材料和水泥的化學(xué)成分見表3。

表2 鐵尾礦砂的粒度分布

表3 水泥和固廢材料的化學(xué)成分

（6）減水劑：武漢某公司生產(chǎn)的減水劑含量超過40%，經(jīng)有關(guān)部門檢測，減水劑減水率為38%，減水劑最優(yōu)質(zhì)摻量為0.8%。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 配合比設(shè)計(jì)

通過對國內(nèi)外透水混凝土配合比設(shè)計(jì)的研究，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)通常采用計(jì)算公式法、查表法、圖示法等幾種方法。本文推陳出新，采用體積法，以設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率為依據(jù)，保證各種材料配合比的合理性。在測得粗集料堆積體積后，計(jì)算體積差判斷膠凝材料的用量，同時(shí)，判斷凝結(jié)時(shí)間、漿體包裹程度等。

2.2.2 試樣制備工藝

①篩選石子，粒徑分別為15～20mm、10～15mm、5～10mm。

②將選擇好的石子放入機(jī)器進(jìn)行清洗、烘干，確保其含泥量不超過1%。

③按科學(xué)比例配置石子、礦物摻合料、減水劑等。

④采用水泥裹石法攪拌，先將石子與一定比例的水放入攪拌機(jī)，攪拌時(shí)間為20s，然后將水泥與礦物摻合料攪拌1min，再加入適量的減水劑。

⑤將已制好的混凝土拌和料裝入專用模具內(nèi)，采用分層錘擊法進(jìn)行密實(shí)成型后，按國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行專業(yè)養(yǎng)護(hù)。

⑥養(yǎng)護(hù)24h后，由專業(yè)人員脫模，脫模后按標(biāo)準(zhǔn)溫度養(yǎng)護(hù)，保持濕度大于95%。

2.3 性能測試

2.3.1 透水系數(shù)

①在高50cm、長10cm的長方體中形成一個(gè)20cm厚的試件，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

②用橡皮泥將透水儀與試件進(jìn)行密封，并放入一試件準(zhǔn)備檢測。

③在透水儀中加入一定量的水，打開閥門，記錄水位下降所需時(shí)間。

2.3.2 抗壓強(qiáng)度

根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能測試方法》（GB/T 50081-2002）對透水混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 骨料粒徑對透水混凝土性能的影響

本次研究主要采用 5～10mm、10～15mm、15～20mm的石子粒徑，測試結(jié)果見表4。

表4 骨料粒徑對透水混凝土抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的影響

從表4可以看出，隨著石子直徑的不斷增大，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度不斷下降，這是因?yàn)樵谑恿皆龃蟮耐瑫r(shí)，相同體積的透水混凝土中的石子顆粒數(shù)量減少，并且其對應(yīng)的水泥包裹石子黏結(jié)點(diǎn)也會(huì)減少，使透水混凝土的受力點(diǎn)在不斷降低，從而導(dǎo)致混凝土的抗壓強(qiáng)度不斷下降。

3.2 水膠比對透水混凝土性能的影響

選擇直徑為5～10mm的石子，水膠比透水混凝土性能影響見表5。

表5 水膠比對透水混凝土抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的影響

由表5可知，水膠比一直在0.25～0.50之間發(fā)生變化，隨著水膠比的增加，透水混凝土強(qiáng)度先升高后下降。當(dāng)水膠比為0.25時(shí)，達(dá)到最高抗壓強(qiáng)度。因此，抗壓強(qiáng)度的變化能準(zhǔn)確地反映出透水混凝土的最佳值。水膠比過高，混凝土強(qiáng)度逐漸下降；水膠比過低，混凝土強(qiáng)度的工作性能差、機(jī)動(dòng)性差，最終影響透水混凝土強(qiáng)度。從透水系數(shù)變化情況看，相同石子粒徑下的水膠比對透水系數(shù)影響不大，這與孔隙率變化不明顯有關(guān)。

3.3 單摻不同礦物摻合料對透水混凝土性能的影響

試驗(yàn)主要選用石子直徑5～10mm，水膠比0.3的單摻不同礦物摻合料對透水混凝土性能的影響試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 單摻不同礦物摻合料對透水混凝土抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的影響

由表6可知，隨著礦物摻合料數(shù)量的增加，透水混凝土抗壓強(qiáng)度將不斷提高。選擇單一礦物摻合料融入透水混凝土后，與未添加任何礦物摻合料的透水混凝土相比，后者出現(xiàn)明顯變化。但不同礦物摻合料的效果和作用有較大差異，相比之下，硅灰摻合料對透水混凝土的效果要比粉煤灰好得多。從透水系數(shù)數(shù)據(jù)中可以看出，隨著礦物摻合料用量的增加，透水混凝土系數(shù)呈現(xiàn)直線上升趨勢，硅灰對透水系數(shù)的作用要高于粉煤灰，可能是硅灰比粉煤灰流動(dòng)性好、雜質(zhì)含量低的原因。

3.4 雙摻礦物摻合物對透水混凝土性能的影響

以5～10mm的石粒為基礎(chǔ)，判斷雙摻礦物摻合料對透水混凝土性能的影響（見表7）。

表7 雙摻礦物摻合料對透水混凝土抗壓強(qiáng)度及透水系數(shù)的影響

由表7可知，采用硅灰與粉煤灰兩種礦物摻合料雙摻后的效果比礦物摻合料單摻效果要好。固定礦物摻合料總摻量時(shí)，隨著硅灰參量增加，透水混凝土抗壓強(qiáng)度先升高后下降，當(dāng)粉煤灰質(zhì)量與硅灰質(zhì)量達(dá)到1∶1時(shí)，透水混凝土抗壓強(qiáng)度將達(dá)到最高點(diǎn)（34.6MPa）。因此，雙摻礦物摻合料的抗壓強(qiáng)度比單一礦物摻合料抗壓強(qiáng)度高的原因可能是礦物摻合料在水化作用下發(fā)生了復(fù)合反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為密度較高的礦物晶體。

3.5 不同比例鐵尾礦砂對透水混凝土性能的影響

試驗(yàn)選用石子粒徑為 5～10mm，水膠比為0.3，粉煤灰與硅灰的質(zhì)量比為1∶1，鐵尾礦砂摻量按占膠凝材料總質(zhì)量計(jì)，透水混凝土性能影響的試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 透水混凝土性能影響的性能測試與配合比結(jié)果

由表8可知，當(dāng)鐵尾礦砂摻量為0kg/m3、8kg/m3、16kg/m3、24kg/m3、32kg/m3、40kg/m3時(shí)，隨著鐵尾礦砂摻量的增加，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯提高，透水系數(shù)下降幅度較大。這說明鐵尾礦摻量的增加與透水混凝土抗壓強(qiáng)度有密切關(guān)系，降低透水系數(shù)會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。為了生產(chǎn)出高透水系數(shù)、高強(qiáng)度的綠色透水混凝土，采用2%鐵尾礦砂摻量是最合理的配比，能夠獲得透水混凝土抗壓強(qiáng)度高達(dá)10.1MPa，滿足預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。制得的透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度高達(dá)36.5MPa，透水系數(shù)為10mm/s，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著石子粒徑的不斷增加，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度將有一定的差異。同時(shí)，隨著礦物摻合料數(shù)量的增加，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度也會(huì)受到影響，由試驗(yàn)結(jié)果可知，硅灰的效果要遠(yuǎn)高于粉煤灰，使用兩種礦物摻合料對透水混凝土的強(qiáng)度和透水系數(shù)都有很大影響，甚至要遠(yuǎn)高于其他礦物摻合料。