攀枝花尾矿制备透水混凝土的实验研究

毛雨琴,沈新颖,朱路平,崔 晏

(1.上海第二工业大学 环境与材料工程学院,上海201209;2.攀枝花学院材料工程学院,四川攀枝花617000)

0　引言

透水混凝土又称多孔混凝土,是一种无砂大孔混凝土,一般由水泥、粗骨料、水和外加剂等拌制而成。它以单粒级骨料为骨架,骨料表面包裹一层较薄的胶凝材料,周围形成具有连续贯穿孔隙的蜂窝状结构,具有良好的透水、透气性[1]。美国在1972年出于对城市水资源的保护而出台了清洁水资源法案,政府规定了各州需要收集一定量的清洁降雨[2],透水混凝土因其净化、吸声、渗透作用而被各州广泛使用。其中,佛罗里达州处于美国的东南部,周围临海,由于其特殊的地理位置经常降暴雨而导致城市出现洪涝现象。因此,当地政府积极推进透水路面建设,缓解了较大的地表径流量。将透水混凝土材料应用在公园、广场、轻便型道路等场所具有良好的生态效应[3]和经济效益。上世纪70年代初期,欧洲许多发达国家也投入大量财力进行透水混凝土的研究与应用。我国在透水混凝土方面的起步较晚,在1993年,我国开始着手研究透水混凝土[4]。本世纪初,我国才逐渐开始在城市园林道路、运动场馆等地铺装透水混凝土材料[5]。近年来,随着国家对环境问题的日益重视以及固体废弃物资源化处理处置的迫切需求,以废弃尾矿来进行透水混凝土的制备和应用引起了人们的极大关注。攀枝花钒钛磁铁矿是我国较大的金属矿床之一,攀钢公司每年生产500万t左右的铁精矿,与此同时产生750万t左右的尾矿[6]。废弃尾矿的堆积与处理严重危害当地的环境,因此利用攀枝花尾矿进行回收再利用具有较高的社会价值和经济意义。攀枝花尾矿可应用于建筑用砂、生产微晶玻璃、混凝土骨料等方面,具有较高的资源回收利用价值[7]。本文以攀枝花尾矿为基本原料制备了透水混凝土,采用填充体积法进行配合比设计,通过投料法和插捣法进行透水混凝土的搅拌成型,测定了试样的抗压强度和透水系数等性能,探讨了影响其性能的主要因素。

1　实验部分

1.1　仪器与原材料

实验器材:电子桌秤 (最大称量 5 kg,分度 0.05 g),搅拌机 (转速 90 r/min),震动台 (振次2 860次/min),HBY-40B混凝土标准养护箱,FSY-150A水泥细度负压筛析仪,压力机(最大负荷2 000 kN),混凝土模具(100 mm×100 mm×100 mm),泥抹子,砖刀,毛刷等。

原材料:P·O42.5R硅酸盐水泥(P·O表示普通硅酸盐水泥,42.5表示抗折强度为42.5 MPa,R表示早强型水泥),粒径为5～10 mm的攀枝花尾矿(典型高钙高镁含钛渣,含量最高的成分是CaO、SiO2、TiO2,三者的含量之和达到70%以上,其次为Al2O3和MgO,尾矿中CaO含量约为21%～29%,TiO2含量约为21%～24%,SiO2约为20%～25%,Al2O3为12%～15%,MgO为7%～10%。其实测表观密度为2.7 g/cm3,为避免尾矿表面的尘粒对胶凝料对骨料的粘接影响,需要对尾矿进行清洗)[6],聚羧酸高性能减水剂(粉剂)PCA-I,自来水。

1.2　实验方案

采用填充体积法[8]计算尾矿透水混凝土的配合比。具体设计方法如下:根据《透水水泥混凝土路面技术规程》(CJJ/T135-2009)[9]和《混凝上配合比设计规程》(JGJ55-2011)[10],确定骨料、胶凝材料的用量,并制定透水混凝土基准配合比设计参数为:抗压强度≥20 MPa,设计孔隙率P(15%～25%),骨料粒径(5～10 mm),减水剂(0.5%～1.0%),水灰比W/C(0.28～0.32)。

由上述配合比设计方法,分别取目标孔隙率为15%,20%,25%,水灰比为0.28,0.29,0.30,0.31,0.32进行配合比设计,具体配比见表1。

表1　透水混泥土配合比Tab.1 Mix ratio of theperviousconcrete

透水混凝土的搅拌工艺是多次投料法。第1步将粗骨料投入到搅拌机中,同时加入200 mL水,搅拌40 s左右暂停搅拌;第2步向搅拌机中投入水泥和外加剂等胶凝材料,开机搅拌1 min左右;第3步加入剩余的水搅拌3 min左右停止搅拌,待混凝土搅拌均匀后,开机放闸倒料。

透水混凝土试块成型方法采用插捣法,是将拌合料分5～6次装填到模具中,每次装填后需用力使用砖刀对模具中的拌合料进行8～10次插捣,直至捣实为止。

本实验选用标准养护方式,标准养护箱设置的温度参数为(20±2)◦C,相对湿度在95%的恒温恒湿环境,养护时间为28 d。试块的干重、湿重均使用分度为0.05 g的电子桌秤进行测量,且每块试样均测量3次取其平均值。

采用气相排除法[11]对试样进行孔隙率测试;在测定透水混凝土试块孔隙率前,需称量干状态下试块的质量,称量方法与原材料的称量方法相同,试块质量记为m1。然后将透水混凝土试块置于盛满水的2 L的容器中时,水进入试块内部,此时水充满了多孔混凝土内部的孔隙,内部的气相被水排出。待混凝土试块内部被水完全填充时,取出试块并称其质量m2。此时试块的质量会发生变化,由原来的试块质量变为试块和水的质量,两者的质量之差便是透水混凝土内部水填充气相的质量。测得质量m1和m2后,可根据下式测得透水混凝土试块的孔隙率:

式中:δ为透水混凝土的孔隙率;ρ为水的密度(g/mL);V为容器的体积(mL)。

采用自制透水仪,如图1所示,塑料套筒的规格为100 mm×100 mm×200 mm,表面标有刻度(100 mm)。待混凝土试块与套筒密封处理后,往塑料套筒中加满水,待水刚好到100 mm刻度时,开始计时t1,待水位下降到10 mm的刻度时,计时t2。因此,透水混凝土的透水系数计算方法为[12]:

式中:T为透水混凝土的透水系数(mm/s);∆t为水位下降90 mm所用的时间(s)。

图1　自制透水仪示意图Fig.1 Schematic diagram of homemade water permeability tester

采用DYE-2000型混凝土压力实验机对试样进行抗压强度测试。

2　结果与讨论

2.1　水灰比与实测孔隙率的关系

在实际实验中,由设计孔隙率计算出的理论配合比会受到搅拌方式和成型方式的影响,从而改变透水混凝土的实际孔隙。

从图2中可看出,实际测得的孔隙率在目标设计孔隙率附近波动,设计孔隙率在25%以下时,实测孔隙率基本符合设计孔隙率,15%的设计孔隙率与实测孔隙率基本吻合。当设计孔隙率P=20%、水灰比为0.31时,实测孔隙率的波动范围较大,存在较大的误差。这可能是由于对透水混凝土的浸泡时间不够,使称得的混凝土试块浸湿重量较小,因此实际孔隙率较小。当设计孔隙率P=25%时,随着水灰比的逐渐增加实测孔隙率也逐渐增大;设计孔隙率P=20%和P=15%时,水灰比的增加使实测孔隙率无规律变化,拐点也不同,在水灰比为0.30时,实测孔隙率达到最大值。结果表明:当设计孔隙率较大时,水灰比逐渐增大,附着力逐渐下降,不能更好地包裹粗骨料表面,因而在试块内部形成较多的孔隙。当设计孔隙率下降到一定程度时,水灰比对实际孔隙率的影响较小,实测孔隙率在设计孔隙率附近波动。

图2　水灰比与实测孔隙率的关系Fig.2 Relation between water/cement ratio and the measured porosity

2.2　孔隙率对透水系数的影响

将透水混凝土试块在水中完全浸泡1 d后,使用自制透水仪测试块的透水系数。孔隙率与透水系数的关系见图3。

图3　孔隙率与透水系数的关系Fig.3 Relation between the measured porosity and permeability coeffi cient

由图3可看出,透水混凝土试块的透水系数与设计孔隙率的大小有关,孔隙率越大透过水的速度越快,透水系数越大。图2与图3的走势基本相同,水灰比对透水系数的影响与水灰比对实测孔隙率的影响相同,说明实测孔隙率是影响透水系数的决定性因素。

2.3　水灰比对抗压强度的影响

透水混凝土试块最主要的力学性能是试块承受的最大抗压值,即抗压强度。根据前面测量透水混凝土的方法,使用混凝土压力实验机测得28 d后尾矿透水混凝土的抗压强度。由图4可看出,在水灰比保持不变的情况下,试块的抗压强度随着设计孔隙率的减小而增大。当设计孔隙率P=15%,水灰比W/C为0.30时,试块的抗压强度达到最大值,抗压强度能达到29.2 MPa。在水灰比为0.30的两侧抗压强度值逐渐减小。在设计孔隙率增大到25%,水灰比为0.32时抗压强度值达到最小值,此时试块的抗压强度为8.9 MPa。因此,在进行透水混凝土配比设计时,需根据实际情况选择合适的孔隙率。需要较高的抗压强度时,设计孔隙率应较小,但透水性能较差。水灰比的大小控制在0.29～0.30附近抗压强度效果最好。

图4　水灰比与试块抗压强度的关系Fig.4 Relation between water/cement ratio and compressive strength of test block

2.4　试块表观密度对抗压强度的影响

表观密度是指材料在自然状态下(长期在空气中存放的干燥状态),材料的质量与表观体积之比,其中,表观体积是实体体积加闭口孔隙体积。一般直接测量体积,对于形状非规则的材料,可用蜡封法封闭孔隙,然后再用排液法测量体积。因此,表观密度为M/V,其中M表示实体的质量,V表示实体体积+闭口空隙的体积。

本实验试块表观密度与抗压强度值如表2所示。可看出,在同样的设计孔隙率条件下,试块表观密度与抗压强度无明显规律,且离散性较大。从宏观角度看,试块的表观密度随设计孔隙率的增大而减小,抗压强度随表观密度的减小而减小。

2.5　透水系数对抗压强度的影响

图5　水灰比为0.30时试块透水系数与抗压强度的关系Fig.5 Relationship between permeability coeffi cient and compressive strength of test block when water/cement ratio is0.30

由图5可知,随着设计孔隙率逐渐增大,透水系数也逐渐增大,平均抗压强度降低。系数越大,混凝土的透水性也越好,但是随着透水系数的逐渐增大,透水混凝土的抗压强度逐渐降低。

(2)在水灰比保持不变的情况下,试块的抗压强度随着设计孔隙率的减小而增大。在设计孔隙率增大到25%,水灰比为0.32时,抗压强度值最小,仅为8.9 MPa。当设计孔隙率为15%,水灰比为0.30时试块的抗压强度达到最大值,抗压强度能达到29.2 MPa,且透水系数大于2 mm/s,能达到一般轻型抗压透水施工要求。

参考文献:

在P=15%时,试块抗压强度呈增长趋势,当透水系数为5.15 mm/s时,抗压强度达到最大值29.2 MPa;在P=20%时,抗压强度有所降低,当P=25%,抗压强度值减小的幅度较大,当透水系数在16.34 mm/s时,抗压强度值为8.9 MPa。因此,设计孔隙率越大,透水混凝土的透水性越好,但是随着孔隙率的逐渐增大,透水混凝土的抗压强度逐渐降低。这可能是由于孔隙率越大,混凝土内部的孔隙就越多,在承受压力时内部应力就越集中,从而使得透水混凝土透水性好但抗压强度低。

3　结 论

选用攀枝花尾矿为原料制备了透水混凝土,探索了影响其性能的主要因素。结果表明:

(1)当设计孔隙率较大时,试块的实测孔隙率随水灰比的增大而逐渐增大。当设计孔隙率下降到一定程度时,水灰比对实际孔隙率的影响较小,实测孔隙率在设计孔隙率附近波动;设计孔隙率越大,透水

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