钢渣透水混凝土力学性能与透水性能研究

王宁，张凯峰，赵世冉，姚源，邓天明

（中建西部建设北方有限公司，陕西　西安　710116）

钢渣透水混凝土力学性能与透水性能研究

王宁，张凯峰，赵世冉，姚源，邓天明

（中建西部建设北方有限公司，陕西西安710116）

研究固定 W/C（水灰比）为0.28时，(S+G)/C（集料与水泥比）对钢渣透水混凝土强度和透水系数的影响；固定(S+G)/C 为4.0时骨料粒径和水灰比对钢渣透水混凝土强度和透水系数的影响。研究结果表明：随着 (S+G)/C 的减小，钢渣透水混凝土透水系数减小，抗压强度增大；而随着水灰比增加，钢渣透水混凝土透水系数降低。

钢渣；透水混凝土；水灰比；力学性能

0　引言

钢渣是冶炼钢铁工业的固体废渣，其化学成分主要由钙、铁、镁和铝等多种氧化物组成。随着我国工业化和城市化的进程不断持续的加快，对钢渣废弃物的再生利用的意义显得尤为重要，不仅有利于减少大气污染，而且对改善城市生态环境也有重要作用[1]。钢渣透水混凝土作为一种新型的环保型和生态型建筑材料，具有透水性和透气性，能够缓解“热岛效应”，在技术上是可行的。本研究以钢渣作为粗骨料，研究钢渣透水混凝土的力学性能和透水系数。

1　原材料及试验方法

1.1原材料

水泥采用尧柏 P·O42.5R 普通硅酸盐水泥，符合 GB175－2007《通用硅酸盐水泥》的要求。

粗骨料采用某钢铁企业钢渣，粉化率1.99%，经过烘干、破碎和筛分等工艺，生产出不同粒级的钢渣，粒径分别为2.36～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～13.2mm、13.2～16mm、16～19mm，属单一级配，通过单一级配实现透水混凝土的透水功能。钢渣化学组成如表1所示，物理性能如表2所示。

表1　钢渣化学组成成分表　%

表2　钢渣物理力学性能

1.2试验方法

1.2.1制备流程

钢渣透水混凝土制备流程见图1。

图1　钢渣透水混凝土制备流程

1.2.2成型方法

试验采用100mm×100mm×100mm 的抗压试模，混凝土试件的成型方法与现场混凝土结构和构件实际采用的方法相同，过程中进行振捣，振捣时间为10s。成型后，在表面覆盖一层塑料薄膜，置于标准养护室养护至规定龄期。

1.2.3透水系数测试方法

透水系数试验参照日本混凝土工学协会制定的透水混凝土透水性试验方法进行。可通过试验数据、公式计算出透水混凝土的透水系数 Kt，试验装置见图2。

式中：

Kt——水温 T℃时的透水系数，cm/s；

Q——从时间 t1到 t2透过混凝土的水量，cm3；

D——混凝土试件的厚度，cm；

A——混凝土试件的面积，cm2；

H——水头，cm；

t2－t1——测定时间，s。

图2　透水系数试验装置

2　混凝土配合比设计

固定 (S+G)/C=4.0，钢渣骨料采用单一粒径研究水灰比和骨料粒径对混凝土抗压强度和透水系数的影响，混凝土配合比见表3。

固定水灰比0.28，研究 (S+G)/C、骨料粒径对混凝土抗压强度和透水系数的影响，混凝土配合比见表4。钢渣粒径为2.36～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～13.2mm、13.2～16mm、16～19mm 的编号分别为 A、B、C、D、E。

表3　混凝土配合比设计[(S+G)/C=4.0]

表4　混凝土配合比设计[水灰比0.28]

3　结果与讨论

3.1水灰比对钢渣透水混凝土力学性能的影响

3.1.1水灰比对抗压强度的影响

当 (S+G)/C 固定为4.0时，水灰比、钢渣粒径与混凝土28d 抗压强度的变化关系见图3、表5。

表5　水灰比和钢渣粒径对钢渣透水混凝土28d 强度的影响

图3　水灰比和钢渣粒径对钢渣透水混凝土28d 强度的影响

由图3中可以看出，随着水灰比的增大，钢渣透水混凝土的28d 抗压强度呈增大趋势，但继续增大水灰比，抗压强度降低。这是因为钢渣透水混凝土与普通混凝土不一样，其本身就是一种干硬性的混凝土，水泥与水混合形成的水泥浆体对骨料的均匀包裹程度决定了钢渣透水混凝土的抗压强度。所以当降低水灰比时，用水量减少，水泥浆体表现的比较粘稠，较为粘稠的水泥浆体不能均匀地包裹骨料，引起骨料和水泥浆体之间粘结力下降，不能使抗压强度增高。当水灰比适当增大时，水泥水化程度也增大，能够较为均匀的包裹骨料形成水泥石，水化形成的产物增多，水泥石的强度增大，使抗压强度也增大。当继续增大水灰比时，水泥浆体粘稠程度下降，与骨料间的粘结力下降，抗压强度下降。水灰比的最佳范围为0.28～0.30。

3.1.2水灰比对透水系数的影响

水灰比对钢渣透水混凝土透水系数的影响见图4、表6。

表6　水灰比对钢渣透水混凝土透水系数影响

图4　水灰比对钢渣透水混凝土透水系数的影响

由图4中可以看出，透水系数随着水灰比的增大而减小。当 (S+G)/C 固定为4.0时，随着水灰比的增大，水泥浆体增多，骨料之间的空隙被水泥浆体填充，导致透水性能下降。

3.2(S+G)/C 对钢渣透水混凝土力学性能的影响

3.2.1(S+G)/C 对抗压强度的影响

水灰比固定为0.28，(S+G)/C 和钢渣粒径对钢渣混凝土28d 对抗压强度的影响见图5、表7。

表7　(S+G)/C 对钢渣透水混凝土28d 强度的影响

图5　(S+G)/C 对钢渣透水混凝土28d 抗压强度的影响

通过试验结果分析，发现水灰比固定为0.28时，其抗压强度随着 (S+G)/C 的增大呈减小趋势。随着 (S+G)/C 的增大，水泥浆体的数量减少，骨料与浆体的粘结程度降低，颗粒之间的有效粘结面积减小，导致钢渣透水混凝土抗压强度降低。

3.2.2(S+G)/C 对透水系数的影响

水灰比固定为0.28，(S+G)/C 对钢渣透水混凝土透水系数的影响见图6、表8。

表8　(S+G)/C 对钢渣透水混凝土透水系数的影响

图6　(S+G)/C 对钢渣透水混凝土透水系数的影响

如图6所示，随着 (S+G)/C 增大，透水系数在不断上升。(S+G)/C 增大，水泥浆体减少，骨料与水泥浆体间的包裹程度低，骨料之间形成较大的空隙结构，混凝土内部的孔隙率增加，透水性能也随之增强。

3.3骨料粒径对钢渣透水混凝土的影响

骨料的粒径大小对透水混凝土内部骨架结构有一定的影响，也影响到水泥浆体与骨料之间的粘结面积大小和水泥浆体对骨料的包裹程度，因而对混凝土的强度和透水系数产生影响。增大骨料粒径，骨料之间就能够形成良好的骨架空隙结构，强度从而增大，于此同时，水泥浆体数量的减少，骨料与浆体间的包裹能力降低，粒径大小达到一定程度时强度逐渐降低。水灰比一定，当 (S+G)/C 增大时，透水混凝土内部连通孔隙率增加，透水系数增大，强度相应降低。从试验结果看，当粒径适当增大时对强度和透水性也是有利的。

4　结论

（1）随着水灰比的增加，钢渣透水混凝土透水系数减小，强度增加；随着 (S+G)/C 的增加，透水混凝土透水系数减小，强度增大。

（2）随着骨料粒径的增加，透水混凝土的透水系数增大，强度先增高后降低。

（3）制备的路用钢渣透水混凝土，其 (S+G)/C 为4.0、钢渣粒径为13.2～16mm 之间时，综合性能最佳；制备的钢渣透水混凝土抗压强度可达25MPa 以上，因此可以作为人行道、轻型车行道道路路面材料使用。

[1] 於林锋，徐兵．王琼，等．钢渣混凝土性能的试验研究及应用前景分析[J]．混凝土，2014,01：79-81.

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[3]信玉良．掺钢渣混凝土强度及抗冲磨性能的试验研究[D]．新疆农业大学[A]，2014．

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[5] 白敏，尚建丽，张松榆，等．钢渣替代粗集料配制混凝土的试验研究[J]．混凝土，2005(07)：62-64+70．

[6] 杨建伟．钢渣和含钢渣的复合矿物掺合料对混凝土性能的影响[D]．清华大学[A]，2013．

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[8] 郑木莲．多孔混凝土的渗透系数及测试方法[J]．交通运输工程学报，2006(04)：41-46．

［通讯地址］陕西省西安市长安区王寺西街中建商品混凝土西安有限公司研发中心（710116）

Study on mechanical performance and permeable performance of steel slag permeable concrete

Wang Ning, Zhang Kaifeng, Zhao Shiran, Yao Yuan, Deng Tianming
(China West Construction Group Co., Ltd., ShanxiXi'an710116)

The purpose of paper is to explore the influence of aggregate-cement ratio [(S+G)/C] when the confirmed water-cement ratio is0.28, and the influence of aggregate size and water-cement ratio (W/C)when the confirmed aggregate-cement ratio is4.0to the strength and permeation coefficient of concrete. The results show that, with the decreasing of(S+G)/C, the strength of steel slag permeable concrete increased but the permeation coefficient it decreased; with the increment of aggregate size, the permeation coefficient decreased, and the strength increased firstly and then decreased; while with the increasing of W/C, the permeation coefficient it decreased.

steel slag; permeable concrete; water-cement ratio; mechanical performance

王宁（1988－），男，硕士，研发员。