基于正交试验的钢渣透水混凝土透水性能试验研究

鲍泽勇 谢咸颂 楼芸汐 郑泽恺 梁 好 万深澳

（衢州学院 建筑工程学院）

随着城市化进度的不断加快，城市内涝等问题不断出现，透水混凝土成为城市建材的重要组成部分。我们研究混凝土的透水性能的同时，需要考虑透水混凝土生产成本和环保节能等方面的要求。

钢铁生产企业在炼钢过程中排放的钢渣，经研究具有较强的耐磨性能和较高的硬度，同时其抗冻融、抗冲击性能较为优良等特点[1]。在混凝土生产过程中使用钢渣代替部分骨料，不仅节能环保，还可以改善混凝土的耐久性，增加结构的使用年限[2]。

目前，专家学者对钢渣混凝土的力学性能进行了大量试验研究，但是对于钢渣透水混凝土的透水性研究较少。本研究通过试验，分析研究钢渣骨料粒径、水灰比、集灰比和钢渣种类等因素对钢渣透水混凝土透水性的影响规律，并提出最佳配合比。

1 原材料

钢渣：采用热焖法、压热焖法、滚筒法三种不同处理工艺的钢渣[3]，经加工筛分处理后规格尺寸分别为5～10mm，10～16mm，16～20mm。其主要化学成分表1 所示。

表1 钢渣主要化学成分

水泥：选用P.O42.5 水泥，浙江衢州龙游水泥厂生产。其主要物理性能如表2 所示。

表2 水泥主要物理性能

粉煤灰：选用浙江金华兰溪电厂生产的Ⅱ级灰，表观密度为2310kg/m3。其主要物理性能如表3 所示。

表3 粉煤灰主要物理性能

外加剂：采用聚羧酸减水剂，其含固量为40%，在保证混凝土工作性的前提下，减水率可达20%。

2 试件制作和试验方法

2.1 试件制作

2.1.1 投料拌制

采用净浆裹石法，按照预先设计的配合比，称取钢渣、水泥、粉煤灰、外加剂等各成分。用二次投料法进行搅拌，使得水泥浆把骨料完全均匀包裹，从而尽量排除试件的制备误差，让结果更加准确可靠。

2.1.2 试件成型

试件采用捣棒人工插捣法成型。通过插捣排除混凝土中的气泡、提高密实度和均匀性，保证试件内部均匀一致，达到最佳透水性能。试件采用边长为10cm的立方体钢制试模，其成型过程如下：

⑴将充分搅拌均匀的混凝土拌制物分两次装入钢制试模内，每次填装的厚度为试模高度的1/2。

⑵用φ16mm 铁棒进行插捣，在每一层的拌制物中插捣12 次以上，插捣时捣棒始终保持垂直，以避免出现由于倾斜插捣产生的拌制物分布不均的情况。同时为了气泡均匀地排出，按螺旋方向从边缘向中心均匀插捣。插捣第一层混凝土时，应将捣棒插至底部；插捣第二层时，应插入至第一层混凝土内2～3cm，最后用抹刀沿试模内壁插拔多次[4]。

⑶用橡皮锤敲击钢制试模四周，以排除插捣产生的空洞。

⑷用刮刀除去多余的混凝土，待初凝后，抹平表面。

2.1.3 试模养护

在成型试件表面覆盖塑料薄膜，连带钢制模具一起放入温度（20±2）℃、相对湿度95%以上的标养室，2 天后拆除试模，然后继续养护。

2.1.4 试件封边

在规定龄期前2～3d，采用水泥浆对试件四周封边处理[5]。

2.2 透水系数装置

采用水位变动法测出混凝土的透水系数。试验采用专利号为201820587652.3 的透水试验装置。

⑴准备工作：与玻璃方筒接触的试件端面用生料带进行充分缠绕，安装试验装置，反复检查透水装置与玻璃方筒之间的缝隙；

⑵开始测量时，水注入玻璃方筒，并滴入少量红墨水以便观察液面变化。当液面高度下降到刻度为300mm时开始计时，其开始计时的时间记为T1，当其液面下降到试件上面100mm 刻度处时停止计时，其停止计时的时间记为T2[5]；

⑶通过试件水量为2L，用时为T1-T2，计算出透水系数，即V（mm/s）=200/（T1-T2）。

⑷每个试件测3 次，取平均值。

2.3 试验设计

设计正交试验考察水灰比、骨料粒径、集灰比和钢渣种类4 个因素对钢渣混凝土透水性的影响，每个因素选取3 个水平。以试件28d 的透水系数作为研究对象，分析4 个因素对钢渣透水混凝土透水性的影响规律，以确定最佳试验方案。采用L9（34）正交表，因子水平排列见表4，正交试验方案及结果见表5。

表4 因素水平表

表5 L9（34）正交试验方案与结果

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

表6 为正交试验极差分析结果，表7 为正交试验方差分析结果。图1 为四幅正交效应曲线图。从表6 可以看出，对于钢渣透水混凝土来说，因素大小影响顺序为：骨料粒径B＞集灰比C＞水灰比A＞钢渣种类D。从表7可以看出，对于钢渣透水混凝土来说，骨料粒径B 因素较显著，集灰比C、水灰比A 和钢渣种类D 不显著，但有影响。

表6 极差分析结果

表7 方差分析结果

3.2 结果分析

由表6 的极差分析可知，骨料粒径是影响钢渣透水混凝土透水性的关键因素。随骨料粒径的增加，钢渣透水混凝土试件中骨料与骨料之间的间隙也随之增大，透水系数增大。其次是集灰比的大小，在微观上集灰比决定了钢渣透水混凝土的透水性。当骨料掺量远远大于水泥掺量时，会大大降低水泥的填充空隙度，导致混凝土透水性大大降低。

为了排除试验偶然性因素影响，进行了方差分析。其结果如表7 所示。由表7 可以得出，骨料粒径B 对透水混凝土的透水系数较显著影响，而水灰比A、集灰比和C 钢渣D 对透水混凝土的透水系数影响不明显，但有一定影响。

3.2.1 水灰比对钢渣透水混凝土透水系数的影响

由图1a 和方差分析可知，水灰比对水透水系数影响不显著，水透水系数在24.2mm/s 到26.3mm/s 之间变化。当水灰比为0.20～0.25 时，混凝土的透水系数随着水灰比的增大而增大，当水灰比为0.25 时，透水系数最大。在一定范围内，水灰比（W/C）越大，透水系数（K）越小。如果水灰比（W/C）过大，水泥浆从骨料表面滑动，导致其积聚在混凝土底部，从而降低透水性。在最佳用水量条件下，调节水泥用量可以改善水泥浆的稠度和厚度，有效提高透水混凝土的强度。但当水泥浆过多时，孔隙率和透水性会降低，其积聚现象会愈发明显。

3.2.2 骨料粒径对钢渣透水混凝土透水系数的影响

根据图1b 和方差分析，骨料粒径对透水系数影响较显著。随着骨料粒径的增加，钢渣透水混凝土的透水性显著增加，但其强度也相应降低，因为骨料之间的咬合点降低。结果表明，一定范围中小粒径骨料钢渣透水混凝土的透水系数较小，大骨料粒径则反之。

3.2.3 集灰比对钢渣透水混凝土透水系数的影响

由图1C 和方差分析可知，集灰比对透水系数的影响不明显。一定范围内，集灰比越大，透水系数也越大，已知集灰比为9 时达到最大值。集灰比决定了钢渣透水混凝土的透水性。当骨料掺量远远大于水泥掺量时，会大大降低水泥的填充空隙度，但也会大大降低混凝土的强度。相反，过多的水泥会填补骨料的缝隙，使混凝土的透水性大大降低，失去透水混凝土的本质。因此，在一个合理的范围内，可以认为集灰比稍大一点有更好。

3.2.4 钢渣种类对钢渣透水混凝土透水系数的影响

由图1d 及方差分析可知，钢渣种类对透水混凝土的透水系数影响不大，几乎可忽略不计。不同种类的钢渣由于生产工艺的不同，会产生不同的物理化学性质，最终影响钢渣骨料的强度和活性。对于钢渣透水混凝土的透水性，钢渣的活性更为重要，它影响混凝土的凝结时间和安定性。在配置钢渣透水混凝土时可以忽略钢渣种类对混凝土透水性的影响。

3.3 小结

综合以上分析，可知钢渣透水混凝土的透水系数在很大程度上取决于骨料粒径，集灰比有影响但不明显，而与水灰比和钢渣类型则关系不大。由图1 和3.2 节综合讨论可知，钢渣透水混凝土最优配合比参数值为：A2B3C3D3。

图1 正交效应曲线图

4 结论

⑴通过四因素三水平L9（34）的正交试验得出，对于钢渣透水混凝土的透水性，其影响因素的顺序为骨料粒径B＞集灰比C＞水灰比A＞钢渣种类D。

⑵骨料粒径对混凝土透水性的影响较显著，控制透水性混凝土透水性的关键是合理选择钢渣骨料粒径的大小。

⑶钢渣透水混凝土的最佳配合比参数值为A2B3C3D3。