淺析水灰比對(duì)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土滲透性的影響

衛(wèi) 佳, 鐘 菘,2,3, 王 偉, 羅 強(qiáng), 楚 洹, 胡 芯, 劉 洋

(1.攀枝花學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，四川攀枝花 617000； 2.中材建設(shè)有限公司，北京 100176；3. 西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，四川成都 610039)

淺析水灰比對(duì)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土滲透性的影響

衛(wèi) 佳1, 鐘 菘1,2,3, 王 偉1, 羅 強(qiáng)1, 楚 洹1, 胡 芯1, 劉 洋1

(1.攀枝花學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，四川攀枝花 617000； 2.中材建設(shè)有限公司，北京 100176；3. 西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，四川成都 610039)

文章為研究水灰比對(duì)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土滲透性的影響，分別采用水灰比為0.40、0.45、0.50、0.55和0.60進(jìn)行研究，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度，孔隙率和滲透系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的水灰比在0.50左右時(shí)，其28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到8.48 MPa，有效孔隙率為23.14 %，滲透系數(shù)為4.36 cm/s，在滿足一定抗壓強(qiáng)度和排水性要求的條件下，水灰比在0.50左右時(shí)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的功能效果達(dá)到最優(yōu)。

高鈦型高爐渣； 無(wú)砂混凝土； 滲透系數(shù)

攀西地區(qū)高鈦型高爐渣堆積量累計(jì)已達(dá)數(shù)千萬(wàn)噸，大量的高鈦型高爐渣堆積不僅造成環(huán)境污染，也是對(duì)資源的極大浪費(fèi)。用高鈦型高爐渣作混凝土骨料被認(rèn)為是資源綜合利用的有效途徑之一。這不僅解決了高鈦型高爐渣占用大量土地、污染環(huán)境等問(wèn)題，還節(jié)約大量的建筑材料，減少砂、石的大量開(kāi)采[1]。目前，對(duì)高鈦型高爐渣的研究已取得一系列科研成果，主要運(yùn)用于道路、橋梁、房屋建筑等結(jié)構(gòu)中，而國(guó)內(nèi)外對(duì)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的研究基本處于空白階段，如何高效利用高鈦型高爐渣制備高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土是當(dāng)下需要解決的難題[2]。因此，對(duì)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土進(jìn)行試驗(yàn)研究具有重要意義。

1 試驗(yàn)原材料

高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土稱為大孔混凝土，又稱多孔混凝土，是由水泥漿包裹高鈦型高爐渣碎石而形成骨架孔隙結(jié)構(gòu)的混凝土材料。由于高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土中孔隙大，所以傳熱性低，透水性好。在水利工程中，無(wú)砂混凝土主要用來(lái)制造排水體的排水溝及排水管。高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土與普通混凝土的主要不同之處在于高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土沒(méi)有細(xì)骨料，只摻高鈦型高爐渣粗骨料，水泥漿覆蓋粗骨料的表面，并起膠結(jié)作用，而不是填充空隙，因此水泥用量要比普通混凝土少，一般為200～350 kg/m3。粗骨料選用粒徑在4.75～19 mm之間的高鈦型高爐渣碎石，且宜使用顆粒均勻的高鈦型高爐渣碎石。

1.1 水泥

水泥是高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的重要組成材料，本試驗(yàn)采用攀枝花市瑞豐建材公司生產(chǎn)的P.O.42.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能如表1所示。

1.2 高鈦型高爐渣碎石

高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土對(duì)骨料顆粒的形狀、表觀情況、吸水率和顆粒級(jí)配等有一定的要求，本試驗(yàn)碎石采用攀枝花環(huán)業(yè)公司生產(chǎn)的高鈦型高爐渣碎石，其形狀、表觀情況、吸水率和顆粒級(jí)配較普通碎石較差，對(duì)配制無(wú)砂混凝土有一定的影響。本實(shí)驗(yàn)骨料采用粒徑在4.75～19 mm的高鈦型高爐渣碎石，其基本性能如表2、表3、圖1。

1.3 水

試驗(yàn)所用水采用自來(lái)水。

2 試驗(yàn)方法

2.1 攪拌工藝

高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土不摻細(xì)骨料，在高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的攪拌過(guò)程中，需要特別注意材料間的添加順序，先將攪拌工具用水潤(rùn)濕，按固定的配合比設(shè)計(jì)，計(jì)算出每次試驗(yàn)所需原材料用量[3]。先將高鈦型高爐渣粗骨料放在混凝土攪拌機(jī)中，將20 %的水灑在粗骨料表面，開(kāi)動(dòng)攪拌機(jī)，讓粗骨料潤(rùn)濕。攪拌30 s后，停止攪拌機(jī)，摻入水泥及所需的粉煤灰。攪拌30 s后，倒入剩余的水，邊加水邊攪拌，攪拌時(shí)間為90 s后，停止攪拌。最后將拌合好的混合料裝入150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)試模中。

2.2 成型工藝

高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土在成型制作過(guò)程中采用靜壓成型，靜壓成型的方法能更好的實(shí)現(xiàn)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土集料間的嵌合密實(shí)，同時(shí)水泥漿也不會(huì)下沉堵塞下部孔隙[4]。本試驗(yàn)的具體方法是將拌合好的高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土分兩層裝入標(biāo)準(zhǔn)試模中，拌合料高出試模沿10 mm左右。然后在拌合料上方放置一塊150 mm×150 mm×30 mm的壓板，尺寸與試模尺寸對(duì)應(yīng)，用試驗(yàn)壓力機(jī)以0.5 kN/s的速度施壓至30 kN，穩(wěn)定該壓力值1 min，然后卸壓，標(biāo)準(zhǔn)試塊成型制作完成[5]。

2.3 試塊養(yǎng)護(hù)方法

高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土試塊在成型24 h后脫模，按照標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方法，在相對(duì)濕度95 %、溫度20±2 ℃的環(huán)境中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

2.4 滲透系數(shù)測(cè)定方法

高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的滲透系數(shù)是指單位水力梯度下水在高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土孔隙中的滲流速度，滲透系數(shù)是表征高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土排水性能的重要指標(biāo)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)砂混凝土的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，要求無(wú)砂混凝土的滲透系數(shù)應(yīng)大于1.8 cm/s。

滲透系數(shù)的測(cè)定采用常水頭的試驗(yàn)方法，通過(guò)控制試塊兩頭的水頭差，根據(jù)達(dá)西定律原理自制滲透儀進(jìn)行試驗(yàn)。本試驗(yàn)采用150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，試驗(yàn)過(guò)程中試塊用透明塑料薄膜進(jìn)行四面包裹，使試塊與玻璃罩內(nèi)側(cè)接觸密實(shí)，防止水從試塊表面與玻璃罩內(nèi)側(cè)之間的空隙流過(guò)。高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土滲透系數(shù)測(cè)定裝置如圖2所示。

試驗(yàn)原理采用達(dá)西定律：

v=kI

式中：v為水的滲流系數(shù)(cm/s)；k為滲透系數(shù)(cm/s)；I為水力梯度(兩點(diǎn)之間水頭差與兩點(diǎn)間距之比)。

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，水由1號(hào)進(jìn)水桶注入，水流經(jīng)試塊時(shí)受阻，水只能從試塊中流過(guò)。此時(shí)，安裝在試塊兩端的測(cè)壓管產(chǎn)生水頭差，水由3號(hào)出水桶流出。當(dāng)進(jìn)、出水桶內(nèi)的水位保持穩(wěn)定，同時(shí)試塊兩端測(cè)壓管的水位保持穩(wěn)定時(shí)開(kāi)始試驗(yàn)，記錄試塊兩端測(cè)壓管內(nèi)的水位高度，同時(shí)記錄t時(shí)間內(nèi)水流量的質(zhì)量。根據(jù)試塊的實(shí)際測(cè)量尺寸代入公式即可算出試塊的滲透系數(shù)。計(jì)算公式如下：

由此得出試塊的滲透系數(shù)為：

式中：Q為單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)試塊的水量(g)；l為試件的寬度(cm)；ΔH為試塊兩端測(cè)壓管的水頭差(cm)；A為試塊的橫截面面積(cm2)；t為滲流時(shí)間(s)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的滲透系數(shù)與其有效孔隙率的大小有關(guān)，有效孔隙率越大，其滲透系數(shù)越大，有效孔隙率越小，其滲透系數(shù)越小。影響高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的有效孔隙率主要與水泥漿漿膜包裹碎石表面的厚度有關(guān)，而水泥漿包裹碎石表面的厚度主要與水灰比有關(guān)。水灰比越大，水泥漿的流動(dòng)性越大，水泥漿包裹粗骨料的漿層越薄，形成無(wú)砂混凝土的孔隙率越大；水灰比越小，水泥漿的流動(dòng)性越小，部分水泥得不到完全水化，水泥漿包裹粗骨料的漿層越薄，影響無(wú)砂混凝土的孔隙率。本試驗(yàn)配合比分別采用水灰比為0.40、0.45、0.50、0.55和0.60，灰集比為1∶5，水泥采用P.0.42.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥，粗骨料采用粒徑在4.75～19 mm之間的高鈦型高爐渣碎石，研究不同水灰比對(duì)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土滲透系數(shù)的影響。試驗(yàn)結(jié)果如表4、圖3、圖4。

由表4可知，高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的孔隙率受水灰比的影響，而其滲透系數(shù)受有效孔隙率大小的影響。當(dāng)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的水灰比為0.40時(shí)，其有效孔隙率為29.01 %，滲透系數(shù)為5.34 cm/s；當(dāng)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的水灰比為0.45時(shí)，其有效孔隙率為27.65 %，滲透系數(shù)為5.01 cm/s；當(dāng)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的水灰比為0.50時(shí)，其有效孔隙率為23.14 %，滲透系數(shù)為4.36 cm/s；當(dāng)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的水灰比為0.55時(shí)，其有效孔隙率為26.20 %，滲透系數(shù)為4.93 cm/s；當(dāng)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的水灰比為0.60時(shí)，其有效孔隙率為28.53 %，滲透系數(shù)為5.27 cm/s。由圖3和圖4可知，高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的孔隙率和滲透系數(shù)隨著水灰比的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果表明：高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的滲透系數(shù)受有效孔隙率大小的影響，有效孔隙率越小，其滲透系數(shù)越小；有效孔隙率越大，其滲透系數(shù)越大。

4 結(jié)論

(1)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的孔隙率和滲透系數(shù)隨著水灰比的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。

(2)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的滲透系數(shù)受水灰比大小的影響，當(dāng)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的水灰比為0.40時(shí)，其有效孔隙率為29.01 %，滲透系數(shù)為5.34 cm/s；當(dāng)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的水灰比為0.50時(shí)，其有效孔隙率為23.14 %，滲透系數(shù)為4.36 cm/s；當(dāng)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的水灰比為0.60時(shí)，其有效孔隙率為28.53 %，滲透系數(shù)為5.27 cm/s。因此，當(dāng)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的水灰比在0.50左右時(shí)，其28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到8.48 MPa，在滿足一定抗壓強(qiáng)度和排水性要求的條件下，水灰比在0.50左右時(shí)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土的功能效果最優(yōu)。

[1] 汪慧群.固體廢物處理及資源化[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[2] 徐鵬壽.資源綜合利用現(xiàn)狀和展望[J].水泥技術(shù),2002(1):19-22.

[3] 吳成偉.無(wú)砂混凝土排水基層試驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙理工大學(xué),2013.

[4] 刑振賢,張艷鴿.無(wú)砂大孔混凝土的生態(tài)性能[J].低溫建筑技術(shù),2010(12).

[5] 徐飛,肖黨旗.無(wú)砂多孔混凝土配合比的研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2005(4):26-28.

獲得2016年攀枝花學(xué)院省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助(項(xiàng)目編號(hào)：201611360078)

衛(wèi)佳(1995～)，女，專科，建筑工程技術(shù)專業(yè)。

鐘菘(1987～)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)閹r土工程。

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[定稿日期]2017-04-20