循环经济模式下钢渣用于透水透气型混凝土开发

韦刚，徐克林

同济大学机械工程学院工业工程所

1 前言

21 世纪是循环经济发展的时代，这是随着自然资源的日益稀缺和匮乏，随着工业化的不断加深和发展，环境污染日趋严重，环保工作迫在眉睫，循环经济模式显得尤为重要。传统的经济发展模式是一种“资源、产品、消费、污染物排放”的单向流动，而循环经济发展模式则是“资源、产品、消费、回收利用、再生资源”的循环流动过程，是一个闭环系统。

随着近年来钢铁行业产量的不断提升，大量的钢渣同时产生。钢渣的堆放和处置给环境造成了污染，且土地资源被占用，不仅会给水体土壤和大气等都带来了严重的污染，甚至可能会威胁到人们的健康。如何将钢渣实现循环利用，就给相关企业和政府部门带来了难题和挑战。因此，钢渣的合理处置和可再生利用、变废为宝就显得尤为重要。

2 问题的提出

长期以来，普通混凝土的生产与使用带来的严重污染已成为社会公认。与生态环境的要求相比，普通混凝土的透水性、吸热性和透气性都较差。因此，透水、透气型混凝土就值得重点研究和开发。

钢渣作为工业废渣，成分具有不稳定性，其制成的钢渣相关制品质量不稳定。将其钢渣进行热处理（1500℃ 以上）、并且快速的冷却和固化，通过这样的加工处理后，其化学特性和物理特性都与天然的资源极其相似了，并且稳定性良好，硬度也比较高，铁和渣易分离的优点，可用于透水型混凝土等诸多领域和行业，成为了近几年来建筑行业兴起的一种绿色环保型混凝土。该种混凝土不仅具有透水性和透气性，并且缓解了城市的“热岛效应”和改善了大自然水体循环，因此，研究和开发钢渣透水混凝土市场前景非常广阔。

3 问题的研究

3.1 试验方法设计

将钢渣制成的混凝土与普通混凝土进行现场试验，进行多次综合分析：

（1）选用原材料和实验装置

钢渣采用滚筒法处理的1-3mm，3-5mm，5-10mm，10-20mm 的这四种型号的钢渣来作为试验用品，制成的试验用品编号为 a、b、c、d。水泥采用标号为 42.5 的普通硅酸盐水泥。添加剂则选用 LDA 型增强剂。

采用自行设计的透水仪见图 1。该试验用具为自制研发的透明玻璃仪器，尺寸为 160mm×160mm×300mm，上部开放式敞开，下部中间为φ85mm 的圆型孔。透水仪器的一侧设置刻度线，间距为 50mm，试验时作为计量单位。

图1 透水试验仪器示意图

（2）试验步骤

试验前，将试品的垂直四周用密封材料密封严实，且不能漏水，水只能从试品的垂直方向的上表面进行渗漏。在试品试验的时候，上表面用油性灰均匀覆盖，然后将透水玻璃仪器放置于试品的上面，并将其压紧油灰，便开始向透水玻璃仪器中加自来水至刻度 150mm 以上。当水面下降至150mm 时，则开始计算时间，下降至 100mm 时，则计时结束。计算时间时采用秒表。

（3）计算方法

式（1）为计算公式。最终结果以三块试样的平均值表示（计算精确至 0.1mm/s）。

A=H/Δt （1）

式中：H——水位下降高度 50mm；Δt——水从 150mm降至 100mm 高度的持续时间，单位为秒（s）。

3.2 试验过程分析

（1）骨料粒径大小对透水系数的影响

试验表明，将四种钢渣作为透水混凝土集料，在相同的条件下，a～d 随着骨料粒径的变大，透水系数也随着变大。如当水灰比为 0.21 时，1-3mm 型号的骨料透水混凝土和 10-20mm 型号的骨料透水混凝土的透水系数分别为 5.8mm/s 和13.2mm/s，两者相差甚大，增幅很明显。因为伴随着骨料粒径的变大，空隙率也随着变大，从而透水系数将增大。

（2）水灰比对透水系数的影响

试验表明，按照水灰比0.21、0.21、0.25、0.27、0.29、0.31分别制成钢渣透水混凝土试验用品，分别测试其透水系数。则发现，各种透水混凝土的透水系数为 1-14mm/s。无论骨料粒径大小，钢渣透水混凝土的透水系数都会随着水灰比的增大而减少，但是在水灰比为 0.21-0.25 之间时，透水系数的降幅不明显，而水灰比从 0.27-0.31 时，透水系数则下降明显。例如 b 透水混凝土，水灰比从 0.21 增加到了 0.25 时，其透水系数从 9.1mm/s 下降到了7.7mm/s，下降幅度为 15.4%；而水灰比从 0.27 增加到 0.31 时，透水系数则从 6.8mm/s下降到了 3.8mm/s，下降幅度则为 44.1%。其主要原因为水灰比的增大，使得透水混凝土表面的起浆变多，造成了表面堵塞，空隙率就下降。

（3）集灰比对透水系数的影响

集灰比是指钢渣透水混凝土中钢渣骨料与胶凝材料的比例，通过调整水泥的使用量来调整集灰比。研究表明，当透水混凝土的集灰比达到 7.0 以上时，30 天抗折和抗压强度则无法保证。故我们选择集灰比为 7.0、6.0、5.0、4.0、3.0 这五种进行试验分析。

试验结果表明，随着集灰比从 3.0 增加到 7.0，钢渣透水混凝土的透水系数也随之增加，其主要是由于集灰比例较小时，水泥的使用量相对较多，试品的强度也会相应较大，但由于水泥浆包裹钢渣颗粒存在着相对的过剩，使透水混凝土的空隙率降低，而透水系数也下降。另外，当颗粒粒径相对较小时，随着集灰比的下降，则透水系数下降更加明显，例如当骨料粒径为 3-5mm 时，集灰比由 7.0 下降到 3.0 时，透水系数则会由 9.6mm/s 下降到 1.2mm/s，降幅达到了 87.5%。

（4）外加剂混入量的多少对透水系数的影响

试验表明，外加剂混入量的多少对于钢渣透水混凝土也有一定的影响，如：随着外加剂混入量的增加，钢渣透水混凝土的透水系数会有所下降，外加剂混入量减少，将有利于提高钢渣透水混凝土的透水系数，但影响幅度很有限。

（5）其他因素对透水系数的影响

除了以上四个主要因素外，还有以下几个因素也会对钢渣透水混凝土的透水系数产生影响：

1）施工进度的快慢、混凝土使用过程中搅拌的均匀程度、以及在使用时周边环境都会对钢渣透水混凝土的透水系数产生影响。

2）当气温降低时，水的动力粘滞系数就越大，透水系数就越小，我们以 10℃ 为标准，在温度为 T 时的透水系数按式

（2）换算成标准温度时的透水系数。

K10=KTηT/η10 （2）

式中：K10 为水温为 10℃ 时的透水系数/（cm·s-1）；ηT 为水温为 T/℃ 时水的动力粘滞系数/（kPa·s）；KT 为水温为 T/℃ 时的透水系数/（cm·s-1）；η20 为水温为 10℃ 时水的动力粘滞系数/（kPa·s）；ηT 和η10 为常数值，参见《公路土工试验规程》。

3.3 分析结论

通过上述一系列试验分析发现：

（1）影响钢渣混凝土透水系数及稳定性的主要因素有集灰比、水灰比、骨料粒径大小、外加剂混入量等因素。

（2）钢渣透水混凝土的透水系数会随着集灰比、骨料粒径的变大而相应变大；当颗粒粒径相对较小时，随着集灰比的下降，透水系数会下降的更加明显。

（3）钢渣透水混凝土的透水系数会随着水灰比的变大而相应减少，但是在水灰比为 0.21-0.25 之间时，透水系数的降幅则会不明显，当水灰比从 0.27 增至 0.31 时，透水系数下降幅度会较为明显。同时我们发现，随着外加剂混入量的增加透水系数会减少，但是总体影响哦幅度会非常有限。

（4）其它几种因素也会对钢渣透水混凝土的透水系数产生影响。

4 应用成效

通过研究，钢渣透水混凝土取得了良好的经济效益和社会效益。目前主要应用于有较高要求的透水、透气相关环境工程和绿色公共工程。如：上海世博园道路、植物园路面、停车场以及体育场馆等。通过设计和改进，还可用于山体护坡、草坪地板、无土绿色植被种植、农田水利等。

钢渣生态透水混凝土的社会效益主要体现在生态和社会的和谐得到促进。城市排水管网的压力由于透水性在一定程度上得到的减缓，其低辐射和降低噪音的特性提高了人们的健康指数，同时，也缓解了城市“热岛效应”， 缓解了工业发展给环境造成的压力。因此，钢渣开发用于透水透气型混凝土使钢渣资源获得了良好的循环再利用价值。

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