海绵城市矿渣透水砖力学性能与透水性的试验研究

陈晓霞，张健康，张玲

（安阳工学院 土木与建筑工程学院，河南 安阳 455000）

0 引 言

钢渣是一种在炼钢过程中为了去除钢中的杂质而产生的副产物，是炼钢过程排出的熔渣。其主要矿物为硅酸三钙、硅酸二钙、铁铝酸四钙等。随着社会经济的发展和城市建设的进程，现代城市的地表被钢筋混凝土等建筑和不透水路面所覆盖。据资料介绍，我国城市道路覆盖率已达到7%~15%，不透水的道路会给城市带来很多负面影响。此时矿渣再利用的意义变得更为重要，不仅有利于解放大量矿渣弃置堆积的土地，而且对减少环境污染，实现可持续发展有重大作用。矿渣透水砖是一种新型的环保生态型建筑材料，有透水性和透气性好的特点，能有效降低地表温度，从而进一步缓解城市的热岛现象，并对城市空气环境的美化起到重要的积极影响[1-2]。目前在世界各国，关于矿渣透水砖的理论和可行性应用技术的试验探究进程都仍处于起步阶段。近几年来，我国的一些高校、科研机构对矿渣透水砖的制备方法、性能及其影响因素进行了大量研究，在探究矿渣的再利用发面起到了重要作用。根据以往的研究成果，我国目前的理论研究和技术成果来说具有很大的参考性。本试验以矿渣为粗骨料，研究配合比对矿渣透水砖的力学性能和透水系数的影响。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

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

矿渣：取自安阳本地钢铁公司，粉化率1.99%，经过烘干和破碎工艺，生产出的矿渣颗粒级配良好，矿渣粒径2.36~9.5 mm，属连续级配，可以最大程度上保障矿渣透水砖的抗压强度。所用矿渣的主要化学成分见表1，物理性能见表2。

表1 矿渣的主要化学成分 %

表2 矿渣的物理性能

水：自来水。

1.2 制备方法

矿渣透水砖制备流程见图1。

图1 矿渣透水砖制备流程

矿渣透水砖模型采用150 mm×150 mm×150 mm的抗压试模和半径R=100 mm、高度h=50 mm的圆柱透水试模，抗压试模和透水试模成型方法均为人工振捣和机械振捣相结合，在试模填料过程达到1/2时先进行人工振捣10 s，后进行机械振捣30 s。成型后，置于标准养护箱内养护至规定龄期。用于抗压强度和透水系数的试验模块见图2。

图2 抗压强度及透水系数试验模块

1.3 试验方法

（1）抗压强度：按照GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》，采用NYL-30型压力试验机测试试件的7 d、28 d抗压强度。

（2）透水系数：取圆柱体试样进行透水性试验[3]，按式（1）计算透水混凝土的透水系数Kt，试验装置见图3。

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——测试时间，s。

图3 透水系数测试装置示意

2 透水砖所用矿渣透水混凝土配合比设计

在配合比设计时，参考相关文献[4-6]，将骨胶比分别取为3.3、3.5、3.7和3.9；由于矿渣吸水性较强、孔隙率较大，将水灰比分别取为 0.32、0.34、0.36、0.38、0.40、0.42。其配合比见表 3。

表3 矿渣透水混凝土的配合比设计

3 测试结果与分析

3.1 骨胶比和水灰比对抗压强度的影响（见图4）

图4 水灰比对矿渣透水砖28 d抗压强度的影响

由图4可见，随着水灰比增大，矿渣透水砖28 d强度呈先提高后降低的趋势；当水灰比为0.32~0.38时随水灰比增大，抗压强度逐渐提高，当水灰比为0.38时抗压强度最高，达到48 MPa。当水灰比为0.38~0.42时，随着水灰比增大，矿渣透水砖28 d强度呈降低趋势。因为矿渣透水砖所用的矿渣透水混凝土本身就是一种干硬性混凝土，与普通混凝土在本身性质上有所不同，拌和水泥和水形成的水泥浆对矿渣均匀包裹的程度对矿渣透水混凝土的抗压强度起了关键性作用。

根据本次试验数据综合分析得出，降低水灰比时，矿渣透水砖所用的矿渣透水混凝土拌合用水量减少，所制备的水泥浆比较粘稠，水泥浆越粘稠，越不能均匀地包裹矿渣，引起矿渣和水泥浆之间粘结力的下降，从而使抗压强度降低。水灰比在一定范围内增大时，水泥水化的程度也呈增大趋势，这样可以较为均匀的包裹矿渣形成透水砖，伴随着水泥水化形成的产物增多，水泥石的强度也提高，使抗压强度也呈提高趋势。当超出一定范围继续增大水灰比时，用水量的增大引起水泥浆粘稠程度下降，导致水泥浆与矿渣间的粘结力下降，因此，抗压强度呈下降趋势。根据本次试验探究分析得出，当保障强度最佳时，水灰比的最佳范围为0.38~0.40。

3.2 骨胶比和水灰比对透水系数的影响（见图5）

图5 水灰比对矿渣透水砖透水系数的影响

由图5可见，随着水灰比的增大，矿渣透水砖的透水系数总体呈减小的趋势。当骨胶比为3.9、水灰比为0.34时，矿渣透水砖透水系数最大，可达0.25 cm/s。这是因为，随着水灰比的增大，用水量增多，导致水泥浆增多，矿渣之间的孔隙被水泥浆很大程度上填充，透水砖孔隙率降低，导致矿渣透水砖的透水系数减小。

4 结 语

对于矿渣透水砖的性能需要透水性能与抗压强度达到平衡点，且二者性能总是此消彼长的。矿渣透水砖最主要特点是孔隙率大、透水性好、吸附力强、抗压强度高，但是由于矿渣透水砖的透水系数与抗压强度成反比。因此，透水砖受其强度的限制，主要应用于公园、人行道、轻量级车道、停车场以及各种体育场地。如何解决透水性能与抗压强度之间的矛盾，扩展其应用范围是一个关键技术问题。

（1）随着水灰比增大，矿渣透水砖的透水系数总体呈减小趋势，抗压强度先提高后降低；随着骨胶比的增大，矿渣透水砖的透水系数总体呈增大趋势，抗压强度逐渐降低。

（2）当骨胶比为3.5、水灰比为0.40时，所制备的矿渣透水砖综合性能最佳，此时其抗压强度可达40.36 MPa，透水系数为0.15 cm/s，符合CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》和CJJ/T 188—2012《透水砖路面技术规程》的要求。