铬铁渣透水混凝土制备及性能优化

王琪，程海丽，唐蔚妤，董瑞龙，苏小军，周泽权

（北方工业大学土木工程学院，北京100144）

铬铁渣是火法冶炼铬铁合金时所产生的一种含铬废渣。目前我国每年产生的铬铁渣约有400万t，但是利用率仅为30%[1]，大部分的铬铁渣被露天堆放，垃圾处理问题急需解决。

透水混凝土是采用大粒径或统一粒径的骨料，通过水泥等胶凝材料混合而成的一种具有大孔隙率的透气、透水的混凝土。我国一些地方和城市由于早期城市规划不好，排水系统不完善，在面对夏季暴雨、强降雨的时候，会造成严重的城市内涝问题，严重威胁到了市民的人身安全和财产安全。

如果采用透水混凝土来代替部分沥青混凝土铺设路面，就能有效地解决这些问题。其良好的透水性可以解决积水问题，还能灌溉路边植物，大孔隙率可以吸收噪音，起到降噪的作用。

目前以铬铁渣为粗骨料的透水混凝土的研究较少，本次试验在前期研究基础上进行进一步研究，找出影响铬铁渣透水混凝土性能的具体因素，并优化其性能。

1 原材料及性能

水泥采用强度等级为42.5 R级的普通硅酸盐水泥，3 d抗折抗压强度为6.3 MPa和37.40 MPa；28 d抗折和抗压强度为7.2 MPa和67.2 MPa。铬铁渣来自内蒙古丰镇市新太新材料科技有限公司，经各项检查，材料的毒浸出性符合要求，粒径4.75～9.5 mm，堆积密度为1 497 kg/m3；粒径 2.36～4.75 mm，堆积密度为1 475 kg/m3。

2 试验方法

试验采用正交试验设计软件设计正交表，为三水平四因素正交表，具体设计、配比及分析见表1、表2、表3，其中在制作试件时采用裹浆法，即先加入一部分水泥和水与骨料进行拌制，然后再加入剩下的水泥和水，如3∶5是指在拌和时先加入3/10的水泥和5/10水搅拌，再加入剩余的水泥和水搅拌。强度测定参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行，连通孔隙率测试参照CJJT 253—2016《再生骨料透水混凝土应用技术规程》[2]进行，性能结果见表2，透水系数采用中国建筑材料科学研究总院研制的TS-100FII型透水混凝土测试仪测试，水位差固定15 cm。

3 试验数据及分析

3.1 正交试验数据分析

根据程海丽[3]的研究表明，铬铁渣是可以作为骨料应用于透水混凝土的，其各项指标都满足GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》中的要求。对其进行排毒性检测，也符合国家要求。

表1 试验因素与水平表

表2 正交试验设计方案、抗压强度及连通孔隙率

本试验的K值和R值见表3，其中的K1，K2，K3分别表示各因素在水平1，2，3下的14 d抗压强度和连通孔隙率的平均值，反应各因素对抗压强度和连通孔隙率的影响程度。由此可以知道，对于各因素对铬铁渣透水混凝土的抗压强度的影响程度来说，水胶比＞胶骨比＞级配＞裹浆比例，对连通孔隙率的影响程度来说，水胶比＞级配＞胶骨比＞裹浆比例。

表3 试验K值和R值计算

综合抗压强度和连通孔隙率两个方面来说，此次试验的最优因素组合为第9组，即水灰比为0.35，胶骨比为 0.31，裹浆比例为 3∶5，全部为 4.75～9.5 mm 粒径的粗骨料，制备出来的铬铁渣透水混凝土14 d抗压强度为18.8 MPa，连通孔隙率为20.5%。

只考虑抗压强度来说，原则是越大越好，因此选取每个因素中使K值最大的水平为最优水平,即得到较高抗压强度的因素水平组合是水灰比0.35，胶骨比0.31，裹浆比例为3∶5，全部采用粗骨料。

效应曲线图是对正交试验直观分析表的形象描绘,将表2中各因素的每个水平结果的均值用效应曲线图表示,如图1、图2所示。

图1 各因素下连通孔隙率平均值趋势图

图2 各因素下14 d抗压强度平均值趋势图

由表3可知，水灰比作为影响铬铁渣透水混凝土抗压强度和连通孔隙率的主要因素，透水混凝土的连通孔隙率随着水灰比的增大先增加后减小，这是因为在相同骨胶比下，水灰比小，水的用量就少，拌制的水泥浆干硬，流动性差，所以得到的透水混凝土连通孔隙率较小。而当水灰比过大时，在胶骨比一定的情况下，水的用量就多，得到的水泥浆体过稀，包裹骨料的同时还填充了骨料之间的空隙，造成连通孔隙率下降。而抗压强度则随着水灰比的增加而增大，因为水灰比越大，水泥浆体搅拌的越充分，和易性越好，得到的透水混凝土抗压强度越高。

由图2还可以看出透水混凝土的抗压强度随胶骨比的增大而增大，但同时会降低连通孔隙率，因为胶骨比增大，胶结浆体增多了，能更好地包裹骨料，提高抗压强度，而骨料间的空隙也被多余的水泥浆填充，降低了连通孔隙率。

裹浆比例和级配相对于水胶比和胶骨比来说，对铬铁渣透水混凝土的抗压强度和连通孔隙率影响较小。

3.2 试验方案的优化

通过上述的分析可知，水灰比对铬铁渣透水混凝土的抗压强度和连通孔隙率的影响相对于其他3种因素来说更显著，实验结果显示，第9组试验为最优方案，所以在第9组试验的配比基础上，通过改变水灰比的大小来研究其对于铬铁渣透水混凝土抗压强度和连通孔隙率的影响变化规律。在得到一个较好的试验配合比后，通过改变减水剂、可再分散乳胶粉的加入量和成型方式，来研究其对铬铁渣透水混凝土性能的影响，最后得到一个完整的制备方案，试验优化方案及结果见表4。

3.2.1 水灰比对透水混凝土的影响

通过比较Y1，Y2，Y3，Y4组试验数据可以发现，提高水胶比可以有效地增加混凝土的抗压强度，而连通孔隙率先增加后降低，这与前面正交试验的结果一致。

比较Y1，Y5，Y6组试验可以看出，减水剂的加入对提高透水混凝土的抗压强度有显著影响，同时连通孔隙率也在逐渐减小。减水剂可以改善混凝土拌合物的和易性，适量地加入可以让水泥砂浆粘稠、不泌水，更好地包裹骨料，但是会填充骨料之间的空隙，提高抗压强度的同时，降低连通孔隙率。

3.2.2 成型方式对透水混凝土的影响

比较Y5，Y7，Y8，Y9组试验可以发现，使用振动台短时间振动成型可以使混凝土拌合物更加密实，提高了抗压强度，也降低了连通孔隙率。但是不宜振动太长时间，因为这样会破坏透水混凝土内部应有的孔隙结构，达不到透水的效果；而且如果水泥浆体过稀，长时间震动还会使水泥浆体脱离骨料表面向试块底面聚集，造成封底的现象，同样对试件的透水性能造成不利的影响。

表4 优化试验方案及结果

3.2.3 可再分散乳胶粉对透水混凝土的影响

比较 Y5，Y10，Y11，Y12 组试验数据可以发现，加入可再分散乳胶粉对铬铁渣透水混泥土的抗压强度和连通孔隙率有一定的影响。可再分散乳胶粉在接触水后，可以很好地重新分散成乳液，填充到空隙中，等到脱水后形成聚合物薄膜，有效提高试件的综合性能。通过对比试验数据可以看出，加入可再分散乳胶粉后，试件的抗压强度增加，连通孔隙率降低，并且随着可再分散乳胶粉用量的增多，呈现出试件抗压强度下降，连通孔隙率增加的趋势，但是都比不加入乳胶粉要好。这是因为可再分散乳胶粉需要水才能形成层乳液，如果掺入量过大，就会引起水泥反应不充分、浆体的流动性降低、骨料包裹不完全的现象，从而使得得到的铬铁渣透水混凝土试件抗压强度降低，连通孔隙率下降。

通过比较各方面因素，选出 Y3，Y4，Y7，Y10 为最优方案组（Y6，Y8，Y9组由于在研究成型方式影响的实验中出现封底现象，故不采用），并测试其透水系数，结果显示，透水系数都大于0.5 mm/s，满足CJJT 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》要求，结果见表4。

4 结论

（1）正交试验表明，对铬铁渣透水混凝土性能影响最大的为水胶比，其次为胶骨比，裹浆比例和颗粒级配有一定的影响，但效果不显著。

（2）在胶骨比为0.31，水灰比在0.30～0.40时，适量加入减水剂和可再分散乳胶粉，可以较好地提升铬铁渣透水混凝土的抗压强度，最好的减水剂加入量为0.2%，28 d抗压强度为21.5 MPa，连通孔隙率为15.8%；最好的可再分散乳胶粉加入量为1%，28 d抗压强度为24.5 MPa，连通孔隙率为19.8%；振动成型时间不宜过长，否则会影响透水性能，最好为5 s振捣加5 s插捣。