海綿城市礦渣透水磚力學(xué)性能與透水性的試驗研究

陳曉霞，張健康，張玲

（安陽工學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，河南 安陽 455000）

0 引 言

鋼渣是一種在煉鋼過程中為了去除鋼中的雜質(zhì)而產(chǎn)生的副產(chǎn)物，是煉鋼過程排出的熔渣。其主要礦物為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鐵鋁酸四鈣等。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市建設(shè)的進(jìn)程，現(xiàn)代城市的地表被鋼筋混凝土等建筑和不透水路面所覆蓋。據(jù)資料介紹，我國城市道路覆蓋率已達(dá)到7%~15%，不透水的道路會給城市帶來很多負(fù)面影響。此時礦渣再利用的意義變得更為重要，不僅有利于解放大量礦渣棄置堆積的土地，而且對減少環(huán)境污染，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有重大作用。礦渣透水磚是一種新型的環(huán)保生態(tài)型建筑材料，有透水性和透氣性好的特點，能有效降低地表溫度，從而進(jìn)一步緩解城市的熱島現(xiàn)象，并對城市空氣環(huán)境的美化起到重要的積極影響[1-2]。目前在世界各國，關(guān)于礦渣透水磚的理論和可行性應(yīng)用技術(shù)的試驗探究進(jìn)程都仍處于起步階段。近幾年來，我國的一些高校、科研機(jī)構(gòu)對礦渣透水磚的制備方法、性能及其影響因素進(jìn)行了大量研究，在探究礦渣的再利用發(fā)面起到了重要作用。根據(jù)以往的研究成果，我國目前的理論研究和技術(shù)成果來說具有很大的參考性。本試驗以礦渣為粗骨料，研究配合比對礦渣透水磚的力學(xué)性能和透水系數(shù)的影響。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥：P·O42.5水泥，符合 GB 175—2007《通用硅鹽水泥》的要求。

礦渣：取自安陽本地鋼鐵公司，粉化率1.99%，經(jīng)過烘干和破碎工藝，生產(chǎn)出的礦渣顆粒級配良好，礦渣粒徑2.36~9.5 mm，屬連續(xù)級配，可以最大程度上保障礦渣透水磚的抗壓強(qiáng)度。所用礦渣的主要化學(xué)成分見表1，物理性能見表2。

表1 礦渣的主要化學(xué)成分 %

表2 礦渣的物理性能

水：自來水。

1.2 制備方法

礦渣透水磚制備流程見圖1。

圖1 礦渣透水磚制備流程

礦渣透水磚模型采用150 mm×150 mm×150 mm的抗壓試模和半徑R=100 mm、高度h=50 mm的圓柱透水試模，抗壓試模和透水試模成型方法均為人工振搗和機(jī)械振搗相結(jié)合，在試模填料過程達(dá)到1/2時先進(jìn)行人工振搗10 s，后進(jìn)行機(jī)械振搗30 s。成型后，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。用于抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的試驗?zāi)K見圖2。

圖2 抗壓強(qiáng)度及透水系數(shù)試驗?zāi)K

1.3 試驗方法

（1）抗壓強(qiáng)度：按照GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用NYL-30型壓力試驗機(jī)測試試件的7 d、28 d抗壓強(qiáng)度。

（2）透水系數(shù)：取圓柱體試樣進(jìn)行透水性試驗[3]，按式（1）計算透水混凝土的透水系數(shù)Kt，試驗裝置見圖3。

式中：Kt——水溫T℃時的透水系數(shù)，cm/s；

Q——從時間t1到t2，透過混凝土的水量，cm3；

D——混凝土試件的厚度，cm；

A——混凝土試件的面積，cm2；

H——水頭，cm；

t2-t1——測試時間，s。

圖3 透水系數(shù)測試裝置示意

2 透水磚所用礦渣透水混凝土配合比設(shè)計

在配合比設(shè)計時，參考相關(guān)文獻(xiàn)[4-6]，將骨膠比分別取為3.3、3.5、3.7和3.9；由于礦渣吸水性較強(qiáng)、孔隙率較大，將水灰比分別取為 0.32、0.34、0.36、0.38、0.40、0.42。其配合比見表 3。

表3 礦渣透水混凝土的配合比設(shè)計

3 測試結(jié)果與分析

3.1 骨膠比和水灰比對抗壓強(qiáng)度的影響（見圖4）

圖4 水灰比對礦渣透水磚28 d抗壓強(qiáng)度的影響

由圖4可見，隨著水灰比增大，礦渣透水磚28 d強(qiáng)度呈先提高后降低的趨勢；當(dāng)水灰比為0.32~0.38時隨水灰比增大，抗壓強(qiáng)度逐漸提高，當(dāng)水灰比為0.38時抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到48 MPa。當(dāng)水灰比為0.38~0.42時，隨著水灰比增大，礦渣透水磚28 d強(qiáng)度呈降低趨勢。因為礦渣透水磚所用的礦渣透水混凝土本身就是一種干硬性混凝土，與普通混凝土在本身性質(zhì)上有所不同，拌和水泥和水形成的水泥漿對礦渣均勻包裹的程度對礦渣透水混凝土的抗壓強(qiáng)度起了關(guān)鍵性作用。

根據(jù)本次試驗數(shù)據(jù)綜合分析得出，降低水灰比時，礦渣透水磚所用的礦渣透水混凝土拌合用水量減少，所制備的水泥漿比較粘稠，水泥漿越粘稠，越不能均勻地包裹礦渣，引起礦渣和水泥漿之間粘結(jié)力的下降，從而使抗壓強(qiáng)度降低。水灰比在一定范圍內(nèi)增大時，水泥水化的程度也呈增大趨勢，這樣可以較為均勻的包裹礦渣形成透水磚，伴隨著水泥水化形成的產(chǎn)物增多，水泥石的強(qiáng)度也提高，使抗壓強(qiáng)度也呈提高趨勢。當(dāng)超出一定范圍繼續(xù)增大水灰比時，用水量的增大引起水泥漿粘稠程度下降，導(dǎo)致水泥漿與礦渣間的粘結(jié)力下降，因此，抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢。根據(jù)本次試驗探究分析得出，當(dāng)保障強(qiáng)度最佳時，水灰比的最佳范圍為0.38~0.40。

3.2 骨膠比和水灰比對透水系數(shù)的影響（見圖5）

圖5 水灰比對礦渣透水磚透水系數(shù)的影響

由圖5可見，隨著水灰比的增大，礦渣透水磚的透水系數(shù)總體呈減小的趨勢。當(dāng)骨膠比為3.9、水灰比為0.34時，礦渣透水磚透水系數(shù)最大，可達(dá)0.25 cm/s。這是因為，隨著水灰比的增大，用水量增多，導(dǎo)致水泥漿增多，礦渣之間的孔隙被水泥漿很大程度上填充，透水磚孔隙率降低，導(dǎo)致礦渣透水磚的透水系數(shù)減小。

4 結(jié) 語

對于礦渣透水磚的性能需要透水性能與抗壓強(qiáng)度達(dá)到平衡點，且二者性能總是此消彼長的。礦渣透水磚最主要特點是孔隙率大、透水性好、吸附力強(qiáng)、抗壓強(qiáng)度高，但是由于礦渣透水磚的透水系數(shù)與抗壓強(qiáng)度成反比。因此，透水磚受其強(qiáng)度的限制，主要應(yīng)用于公園、人行道、輕量級車道、停車場以及各種體育場地。如何解決透水性能與抗壓強(qiáng)度之間的矛盾，擴(kuò)展其應(yīng)用范圍是一個關(guān)鍵技術(shù)問題。

（1）隨著水灰比增大，礦渣透水磚的透水系數(shù)總體呈減小趨勢，抗壓強(qiáng)度先提高后降低；隨著骨膠比的增大，礦渣透水磚的透水系數(shù)總體呈增大趨勢，抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

（2）當(dāng)骨膠比為3.5、水灰比為0.40時，所制備的礦渣透水磚綜合性能最佳，此時其抗壓強(qiáng)度可達(dá)40.36 MPa，透水系數(shù)為0.15 cm/s，符合CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》和CJJ/T 188—2012《透水磚路面技術(shù)規(guī)程》的要求。