多元固废材料对混凝土材料性能的协同效应

赵婉辰

（山西水利职业技术学院，山西 运城 044004）

1 引言

随着信息化时代的到来，城市环境问题日趋严重。许多城市路面出现了不透水现象，城市排水困难、地下水位下降。因此，透水混凝土应运而生。透水混凝土作为海绵城市概念的市政工程材料，具有蜂窝状结构，属于轻质多孔混凝土，与传统混凝土有很大差异，它具有良好的降噪、透水性和改善生态环境的作用，是一种绿色环保混凝土。矿产掺合料能够替代水泥，提高混凝土质量，但不同矿物掺合料对透水混凝土的影响不同。本文以混凝土理论作为基础，充分利用硅灰、粉煤灰等固废材料，设计出具有良好透水性的生态透水混凝土，达到改善城市生态环境、提高经济效益的目的。透水混凝土中含有大量的开孔结构，具有良好的透水性和力学性能。本文对透水混凝土的透水性和强度进行了合理设计，并通过不同石子粒直径的实验探究了其中包含的关系。

2 原材料与试验方法

2.1 原材料

（1）水泥：某水泥公司出厂的P·042.5水泥，其物理性能见表1。

表1 水泥的物理力学性能

（2）粗骨科：某地碎石厂生产，颗粒直径5～20mm，表面密度2 712kg/m3，堆积密度约1 448kg/m3。

（3）粉煤灰：堆积密度为578kg/m3，II级。

（4）硅灰：颗粒平均直径在0.1～0.3之间，堆积密度为302kg/m3。

（5）铁尾矿砂：堆积密度为2 075kg/m3，其粒度分布见表2，固废材料和水泥的化学成分见表3。

表2 铁尾矿砂的粒度分布

表3 水泥和固废材料的化学成分

（6）减水剂：武汉某公司生产的减水剂含量超过40%，经有关部门检测，减水剂减水率为38%，减水剂最优质掺量为0.8%。

2.2 试验方法

2.2.1 配合比设计

通过对国内外透水混凝土配合比设计的研究，发现国内通常采用计算公式法、查表法、图示法等几种方法。本文推陈出新，采用体积法，以设计目标空隙率为依据，保证各种材料配合比的合理性。在测得粗集料堆积体积后，计算体积差判断胶凝材料的用量，同时，判断凝结时间、浆体包裹程度等。

2.2.2 试样制备工艺

①筛选石子，粒径分别为15～20mm、10～15mm、5～10mm。

②将选择好的石子放入机器进行清洗、烘干，确保其含泥量不超过1%。

③按科学比例配置石子、矿物掺合料、减水剂等。

④采用水泥裹石法搅拌，先将石子与一定比例的水放入搅拌机，搅拌时间为20s，然后将水泥与矿物掺合料搅拌1min，再加入适量的减水剂。

⑤将已制好的混凝土拌和料装入专用模具内，采用分层锤击法进行密实成型后，按国家规定的标准进行专业养护。

⑥养护24h后，由专业人员脱模，脱模后按标准温度养护，保持湿度大于95%。

2.3 性能测试

2.3.1 透水系数

①在高50cm、长10cm的长方体中形成一个20cm厚的试件，按照相关标准进行养护。

②用橡皮泥将透水仪与试件进行密封，并放入一试件准备检测。

③在透水仪中加入一定量的水，打开阀门，记录水位下降所需时间。

2.3.2 抗压强度

根据《普通混凝土力学性能测试方法》（GB/T 50081-2002）对透水混凝土进行抗压强度测试。

3 试验结果及分析

3.1 骨料粒径对透水混凝土性能的影响

本次研究主要采用 5～10mm、10～15mm、15～20mm的石子粒径，测试结果见表4。

表4 骨料粒径对透水混凝土抗压强度和透水系数的影响

从表4可以看出，随着石子直径的不断增大，透水混凝土的抗压强度不断下降，这是因为在石子粒径增大的同时，相同体积的透水混凝土中的石子颗粒数量减少，并且其对应的水泥包裹石子黏结点也会减少，使透水混凝土的受力点在不断降低，从而导致混凝土的抗压强度不断下降。

3.2 水胶比对透水混凝土性能的影响

选择直径为5～10mm的石子，水胶比透水混凝土性能影响见表5。

表5 水胶比对透水混凝土抗压强度和透水系数的影响

由表5可知，水胶比一直在0.25～0.50之间发生变化，随着水胶比的增加，透水混凝土强度先升高后下降。当水胶比为0.25时，达到最高抗压强度。因此，抗压强度的变化能准确地反映出透水混凝土的最佳值。水胶比过高，混凝土强度逐渐下降；水胶比过低，混凝土强度的工作性能差、机动性差，最终影响透水混凝土强度。从透水系数变化情况看，相同石子粒径下的水胶比对透水系数影响不大，这与孔隙率变化不明显有关。

3.3 单掺不同矿物掺合料对透水混凝土性能的影响

试验主要选用石子直径5～10mm，水胶比0.3的单掺不同矿物掺合料对透水混凝土性能的影响试验结果见表6。

表6 单掺不同矿物掺合料对透水混凝土抗压强度和透水系数的影响

由表6可知，随着矿物掺合料数量的增加，透水混凝土抗压强度将不断提高。选择单一矿物掺合料融入透水混凝土后，与未添加任何矿物掺合料的透水混凝土相比，后者出现明显变化。但不同矿物掺合料的效果和作用有较大差异，相比之下，硅灰掺合料对透水混凝土的效果要比粉煤灰好得多。从透水系数数据中可以看出，随着矿物掺合料用量的增加，透水混凝土系数呈现直线上升趋势，硅灰对透水系数的作用要高于粉煤灰，可能是硅灰比粉煤灰流动性好、杂质含量低的原因。

3.4 双掺矿物掺合物对透水混凝土性能的影响

以5～10mm的石粒为基础，判断双掺矿物掺合料对透水混凝土性能的影响（见表7）。

表7 双掺矿物掺合料对透水混凝土抗压强度及透水系数的影响

由表7可知，采用硅灰与粉煤灰两种矿物掺合料双掺后的效果比矿物掺合料单掺效果要好。固定矿物掺合料总掺量时，随着硅灰参量增加，透水混凝土抗压强度先升高后下降，当粉煤灰质量与硅灰质量达到1∶1时，透水混凝土抗压强度将达到最高点（34.6MPa）。因此，双掺矿物掺合料的抗压强度比单一矿物掺合料抗压强度高的原因可能是矿物掺合料在水化作用下发生了复合反应，转化为密度较高的矿物晶体。

3.5 不同比例铁尾矿砂对透水混凝土性能的影响

试验选用石子粒径为 5～10mm，水胶比为0.3，粉煤灰与硅灰的质量比为1∶1，铁尾矿砂掺量按占胶凝材料总质量计，透水混凝土性能影响的试验结果见表8。

表8 透水混凝土性能影响的性能测试与配合比结果

由表8可知，当铁尾矿砂掺量为0kg/m3、8kg/m3、16kg/m3、24kg/m3、32kg/m3、40kg/m3时，随着铁尾矿砂掺量的增加，透水混凝土的抗压强度明显提高，透水系数下降幅度较大。这说明铁尾矿掺量的增加与透水混凝土抗压强度有密切关系，降低透水系数会产生一定的负面影响。为了生产出高透水系数、高强度的绿色透水混凝土，采用2%铁尾矿砂掺量是最合理的配比，能够获得透水混凝土抗压强度高达10.1MPa，满足预期标准。制得的透水混凝土28d抗压强度高达36.5MPa，透水系数为10mm/s，达到预期目标。

4 结语

综上所述，随着石子粒径的不断增加，透水混凝土的抗压强度将有一定的差异。同时，随着矿物掺合料数量的增加，透水混凝土的抗压强度也会受到影响，由试验结果可知，硅灰的效果要远高于粉煤灰，使用两种矿物掺合料对透水混凝土的强度和透水系数都有很大影响，甚至要远高于其他矿物掺合料。