浅析水灰比对高钛型高炉渣无砂混凝土渗透性的影响

卫 佳, 钟 菘,2,3, 王 伟, 罗 强, 楚 洹, 胡 芯, 刘 洋

(1.攀枝花学院土木与建筑工程学院，四川攀枝花 617000； 2.中材建设有限公司，北京 100176；3. 西华大学建筑与土木工程学院，四川成都 610039)

浅析水灰比对高钛型高炉渣无砂混凝土渗透性的影响

卫 佳1, 钟 菘1,2,3, 王 伟1, 罗 强1, 楚 洹1, 胡 芯1, 刘 洋1

(1.攀枝花学院土木与建筑工程学院，四川攀枝花 617000； 2.中材建设有限公司，北京 100176；3. 西华大学建筑与土木工程学院，四川成都 610039)

文章为研究水灰比对高钛型高炉渣无砂混凝土渗透性的影响，分别采用水灰比为0.40、0.45、0.50、0.55和0.60进行研究，通过试验测高钛型高炉渣无砂混凝土的28 d抗压强度，孔隙率和渗透系数。试验结果表明：当高钛型高炉渣无砂混凝土的水灰比在0.50左右时，其28 d抗压强度达到8.48 MPa，有效孔隙率为23.14 %，渗透系数为4.36 cm/s，在满足一定抗压强度和排水性要求的条件下，水灰比在0.50左右时高钛型高炉渣无砂混凝土的功能效果达到最优。

高钛型高炉渣； 无砂混凝土； 渗透系数

攀西地区高钛型高炉渣堆积量累计已达数千万吨，大量的高钛型高炉渣堆积不仅造成环境污染，也是对资源的极大浪费。用高钛型高炉渣作混凝土骨料被认为是资源综合利用的有效途径之一。这不仅解决了高钛型高炉渣占用大量土地、污染环境等问题，还节约大量的建筑材料，减少砂、石的大量开采[1]。目前，对高钛型高炉渣的研究已取得一系列科研成果，主要运用于道路、桥梁、房屋建筑等结构中，而国内外对高钛型高炉渣无砂混凝土的研究基本处于空白阶段，如何高效利用高钛型高炉渣制备高钛型高炉渣无砂混凝土是当下需要解决的难题[2]。因此，对高钛型高炉渣无砂混凝土进行试验研究具有重要意义。

1 试验原材料

高钛型高炉渣无砂混凝土称为大孔混凝土，又称多孔混凝土，是由水泥浆包裹高钛型高炉渣碎石而形成骨架孔隙结构的混凝土材料。由于高钛型高炉渣无砂混凝土中孔隙大，所以传热性低，透水性好。在水利工程中，无砂混凝土主要用来制造排水体的排水沟及排水管。高钛型高炉渣无砂混凝土与普通混凝土的主要不同之处在于高钛型高炉渣无砂混凝土没有细骨料，只掺高钛型高炉渣粗骨料，水泥浆覆盖粗骨料的表面，并起胶结作用，而不是填充空隙，因此水泥用量要比普通混凝土少，一般为200～350 kg/m3。粗骨料选用粒径在4.75～19 mm之间的高钛型高炉渣碎石，且宜使用颗粒均匀的高钛型高炉渣碎石。

1.1 水泥

水泥是高钛型高炉渣无砂混凝土的重要组成材料，本试验采用攀枝花市瑞丰建材公司生产的P.O.42.5R级普通硅酸盐水泥，其物理力学性能如表1所示。

1.2 高钛型高炉渣碎石

高钛型高炉渣无砂混凝土对骨料颗粒的形状、表观情况、吸水率和颗粒级配等有一定的要求，本试验碎石采用攀枝花环业公司生产的高钛型高炉渣碎石，其形状、表观情况、吸水率和颗粒级配较普通碎石较差，对配制无砂混凝土有一定的影响。本实验骨料采用粒径在4.75～19 mm的高钛型高炉渣碎石，其基本性能如表2、表3、图1。

1.3 水

试验所用水采用自来水。

2 试验方法

2.1 搅拌工艺

高钛型高炉渣无砂混凝土不掺细骨料，在高钛型高炉渣无砂混凝土的搅拌过程中，需要特别注意材料间的添加顺序，先将搅拌工具用水润湿，按固定的配合比设计，计算出每次试验所需原材料用量[3]。先将高钛型高炉渣粗骨料放在混凝土搅拌机中，将20 %的水洒在粗骨料表面，开动搅拌机，让粗骨料润湿。搅拌30 s后，停止搅拌机，掺入水泥及所需的粉煤灰。搅拌30 s后，倒入剩余的水，边加水边搅拌，搅拌时间为90 s后，停止搅拌。最后将拌合好的混合料装入150 mm×150 mm×150 mm的标准试模中。

2.2 成型工艺

高钛型高炉渣无砂混凝土在成型制作过程中采用静压成型，静压成型的方法能更好的实现高钛型高炉渣无砂混凝土集料间的嵌合密实，同时水泥浆也不会下沉堵塞下部孔隙[4]。本试验的具体方法是将拌合好的高钛型高炉渣无砂混凝土分两层装入标准试模中，拌合料高出试模沿10 mm左右。然后在拌合料上方放置一块150 mm×150 mm×30 mm的压板，尺寸与试模尺寸对应，用试验压力机以0.5 kN/s的速度施压至30 kN，稳定该压力值1 min，然后卸压，标准试块成型制作完成[5]。

2.3 试块养护方法

高钛型高炉渣无砂混凝土试块在成型24 h后脱模，按照标准养护方法，在相对湿度95 %、温度20±2 ℃的环境中进行养护。

2.4 渗透系数测定方法

高钛型高炉渣无砂混凝土的渗透系数是指单位水力梯度下水在高钛型高炉渣无砂混凝土孔隙中的渗流速度，渗透系数是表征高钛型高炉渣无砂混凝土排水性能的重要指标。根据国内外对无砂混凝土的设计经验，要求无砂混凝土的渗透系数应大于1.8 cm/s。

渗透系数的测定采用常水头的试验方法，通过控制试块两头的水头差，根据达西定律原理自制渗透仪进行试验。本试验采用150 mm×150 mm×150 mm的标准立方体试块，试验过程中试块用透明塑料薄膜进行四面包裹，使试块与玻璃罩内侧接触密实，防止水从试块表面与玻璃罩内侧之间的空隙流过。高钛型高炉渣无砂混凝土渗透系数测定装置如图2所示。

试验原理采用达西定律：

v=kI

式中：v为水的渗流系数(cm/s)；k为渗透系数(cm/s)；I为水力梯度(两点之间水头差与两点间距之比)。

试验开始时，水由1号进水桶注入，水流经试块时受阻，水只能从试块中流过。此时，安装在试块两端的测压管产生水头差，水由3号出水桶流出。当进、出水桶内的水位保持稳定，同时试块两端测压管的水位保持稳定时开始试验，记录试块两端测压管内的水位高度，同时记录t时间内水流量的质量。根据试块的实际测量尺寸代入公式即可算出试块的渗透系数。计算公式如下：

由此得出试块的渗透系数为：

式中：Q为单位时间内流过试块的水量(g)；l为试件的宽度(cm)；ΔH为试块两端测压管的水头差(cm)；A为试块的横截面面积(cm2)；t为渗流时间(s)。

3 试验结果及分析

高钛型高炉渣无砂混凝土的渗透系数与其有效孔隙率的大小有关，有效孔隙率越大，其渗透系数越大，有效孔隙率越小，其渗透系数越小。影响高钛型高炉渣无砂混凝土的有效孔隙率主要与水泥浆浆膜包裹碎石表面的厚度有关，而水泥浆包裹碎石表面的厚度主要与水灰比有关。水灰比越大，水泥浆的流动性越大，水泥浆包裹粗骨料的浆层越薄，形成无砂混凝土的孔隙率越大；水灰比越小，水泥浆的流动性越小，部分水泥得不到完全水化，水泥浆包裹粗骨料的浆层越薄，影响无砂混凝土的孔隙率。本试验配合比分别采用水灰比为0.40、0.45、0.50、0.55和0.60，灰集比为1∶5，水泥采用P.0.42.5R级普通硅酸盐水泥，粗骨料采用粒径在4.75～19 mm之间的高钛型高炉渣碎石，研究不同水灰比对高钛型高炉渣无砂混凝土渗透系数的影响。试验结果如表4、图3、图4。

由表4可知，高钛型高炉渣无砂混凝土的孔隙率受水灰比的影响，而其渗透系数受有效孔隙率大小的影响。当高钛型高炉渣无砂混凝土的水灰比为0.40时，其有效孔隙率为29.01 %，渗透系数为5.34 cm/s；当高钛型高炉渣无砂混凝土的水灰比为0.45时，其有效孔隙率为27.65 %，渗透系数为5.01 cm/s；当高钛型高炉渣无砂混凝土的水灰比为0.50时，其有效孔隙率为23.14 %，渗透系数为4.36 cm/s；当高钛型高炉渣无砂混凝土的水灰比为0.55时，其有效孔隙率为26.20 %，渗透系数为4.93 cm/s；当高钛型高炉渣无砂混凝土的水灰比为0.60时，其有效孔隙率为28.53 %，渗透系数为5.27 cm/s。由图3和图4可知，高钛型高炉渣无砂混凝土的孔隙率和渗透系数随着水灰比的增加呈现先减小后增加的趋势。试验结果表明：高钛型高炉渣无砂混凝土的渗透系数受有效孔隙率大小的影响，有效孔隙率越小，其渗透系数越小；有效孔隙率越大，其渗透系数越大。

4 结论

(1)高钛型高炉渣无砂混凝土的孔隙率和渗透系数随着水灰比的增加呈现先减小后增加的趋势。

(2)高钛型高炉渣无砂混凝土的渗透系数受水灰比大小的影响，当高钛型高炉渣无砂混凝土的水灰比为0.40时，其有效孔隙率为29.01 %，渗透系数为5.34 cm/s；当高钛型高炉渣无砂混凝土的水灰比为0.50时，其有效孔隙率为23.14 %，渗透系数为4.36 cm/s；当高钛型高炉渣无砂混凝土的水灰比为0.60时，其有效孔隙率为28.53 %，渗透系数为5.27 cm/s。因此，当高钛型高炉渣无砂混凝土的水灰比在0.50左右时，其28 d抗压强度达到8.48 MPa，在满足一定抗压强度和排水性要求的条件下，水灰比在0.50左右时高钛型高炉渣无砂混凝土的功能效果最优。

[1] 汪慧群.固体废物处理及资源化[M].北京:化学工业出版社,2004.

[2] 徐鹏寿.资源综合利用现状和展望[J].水泥技术,2002(1):19-22.

[3] 吴成伟.无砂混凝土排水基层试验研究[D].长沙:长沙理工大学,2013.

[4] 刑振贤,张艳鸽.无砂大孔混凝土的生态性能[J].低温建筑技术,2010(12).

[5] 徐飞,肖党旗.无砂多孔混凝土配合比的研究[J].水利与建筑工程学报,2005(4):26-28.

获得2016年攀枝花学院省级大学生创新创业训练计划项目资助(项目编号：201611360078)

卫佳(1995～)，女，专科，建筑工程技术专业。

钟菘(1987～)，男，硕士研究生，研究方向为岩土工程。

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[定稿日期]2017-04-20