双掺废渣对透水混凝土的协同效应.pdf

第 4 0卷 ， 第 4期 2 0 1 5年 8月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n Vo 1 4 0，No 4 Au g ， 201 5 双掺废渣对透水混凝土的协同效应 李子成 ，张爱菊 ， 周敏娟。 ， 邱树恒 ( 1 石家庄铁路职业技 术学 院 建筑系 ， 河北 石家庄0 5 0 0 4 1 ； 2 广西大学 材料科学 与工程学院 ，广西 南 宁 5 3 0 0 0 4 ) 摘要研究 了粉煤灰和钢渣的单 掺和双 掺部分取代 水泥 作为 胶结料 对透 水混凝 土性 能的影 响。结果 表 明 ： 单掺粉煤灰对透水 系数没有明显影响 ， 但是使早期抗压强 度降低 ， 后 期抗压 强度升 高； 单掺 钢渣使透 水混凝 土 的早期抗压强度降低 ， 后期抗 压强度先升高后降低。粉煤灰 和钢渣 的双掺对 胶结料各组分的水 化具 有协 同促进 作 用 ， 显著提高透水混凝 土的强度。当粉煤灰掺量 为 1 5 一2 0 ， 钢渣掺 量为 1 0 一1 5 时， 透水 混凝土 的抗压 强 度较高 。 【 关键词粉煤灰 ； 钢 渣 ； 透水混凝土 ；协同效应 中图分类号U 4 1 4 1 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 1 8 9 0 4 S y n e r g i s t i c Effe c t o f Co - d o p e d S l a g s o n Pe r f o r ma n c e o f Pe r me a b l e Co n c r e t e L I Z i c h e n g ，Z HANG A i j u ， HoU Mi n j u a n ，QI U S h u h e n g ( 1 D e p a r t m e n t o f A r c h i t e c t u r e ，S h ij i a z h u a n g I n s t i t u t e o f R a i l w a y T e c h n o l o g y ，S h i j i a z h u a n g ，H e b e i 05 0 0 4 1，Ch i na； 2 S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d Eng i n e e r i n g，Gu a ng x i Un i v e r s i t y，Na n i ng，Gu a ng x i 5 3 0 0 0 4 ，C h i n a ) Ab s t r a c t T h e e f f e c t o f s t e e l ma k i n g s l a g a n d fl y a s h m u l t i a d d i t i v e o n p e r m e a b i l i t y a n d me c h a n i c a l p r o p e rti e s o f p e r me a b l e c o n c r e t e wa s i n v e s t i g a t e d T h e r e s ul t s s h o we d t ha t a s a mu l t i bi n d e r wi t h fl y a s h， s t e e l ma k i ng s l a g a n d c e me n t h a d p o t e n t i a l s y n e r g i s t i c e f f e c t s o n t h e p e rm e a bi l i t y a n d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f p e rm e a b l e c o n c r e t e s p e c i me n Wh e n t h e C O d o p e d a d mi x t u r e i s a d d e d wi t h fl y a s h ( 1 5 一2 0 ) a n d s t e e l m a k i n g s l a g ( 1 0 1 5 ) ， g o o d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d h i g h p e rm e a b i l i t y c o e f fi c i e n t w e r e o b - t a i n e d F l y a s h a n d s t e e l ma k i ng s l a g h a s a mi c r o - a g g r e g a t e fil l i n g e f f e c t o n t he c o n c r e t e i n t e r f a c e Ke y w o r d s fl y a s h ；s t e e l ma k i n g s l a g ； p e r me a b l e c o n c r e t e ； s y n e r g i s t i c e f f e c t 1 概 述 随 着科 技 的进 步 ， 轻 交 通量 透 水 性 路 面越 来 越 受到重视。 目前， 城市路面大多是普通混凝土， 这种 路面不透水、 不 透气， 并且很难 与大气进行热量 交 换 ， 容易 带来 “ 热 岛 效应 ” ， 同时 普 通 混 凝 土 路 面 容 易积 水 ， 降低 道 路 行驶 的舒 适 性 和安 全 性 。透 水性混凝土路面则很好地解决 了这些问题。透水性 混凝 土 通常不 含 细骨 料 ， 由粗 骨 料 表 面包 覆 一 薄 层 胶凝 材 料相互 粘结 而形 成孔 穴均 匀分 布 的连通蜂 窝 状结 构 ， 具有 高 的孔 隙率 、 透气 和 透水 等特 点 。主要 用 于道路 、 城 市广 场 、 停 车 场等 工 程 ， 显 示 了在 改 善 城市 区域热 环境、 吸声降噪、 减 少城市大气 P M 2 5 含量 、 减少 雨 天 径 流 、 水 资 源 治 理 等 方 面 的 巨 大 优 势。透水性路面与普通混凝土相 比， 具有 良好的透 气、 透 水 性， 同时具 有 优异 的经 济效 益 和 生态 效 应 ， 透水混 凝 土 的透 水 结构 见 图 1所 示 。 目前 关 于 透水性 混凝 土 的胶凝 材料 主要集 中于一些 传统 材 料 ， 例如： 水 泥 ， 粉煤 灰 等- o 。钢 渣含 有一 定量 的 c ， s 、 C S等水硬性 的矿物组成 ， 具有水化活性 ， 近几 年 也有关 于 钢 渣 透 水 混 凝 土 的 研 究 ， 但 主 要 是 把 钢渣作 为 集料 引入 ， 研究 各 组 成 材 料 配 比对 透 水 收稿 日期】2 0 1 4 0 4 1 6 基金项 目】河北省高等学校科学技术研究青年基金支持( Q 2 0 1 2 1 4 2 ) ； 河北省高等学校科学技术研究青年基金支 持( Q N 2 0 1 3 1 1 2 4 ) 【 作者简介】李子成( 1 9 7 9 一) ， 男 ， 河北秦 皇岛人 ， 博士 ， 副教授 ， 材料学硕士生导 师， 研究领域 为新型建筑材料及T业 固体废 弃物资源化的 研 究 T 作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 9 O 公路工程 4 0卷 混凝 土的影 响 。透水 性混 凝土 的多孔性具 有很 好的 环保作用， 但它良好的透水性和高强度、 高耐久性很 难兼得， 尤其胶凝材料组分较少且引入较多掺合料 时， 此情况尤为显著。针对这一难题 ， 在前期研究工 作的基础上 ， 我们拟引入河北省产量较大、 利用率较 低的两种工业 固体废弃物粉煤灰和炼钢废渣作为掺 合料制备透水性混凝土 ， 并对其进行系统 的实验研 究。系统研究钢渣和粉煤灰的单掺和双掺对透水混 凝 土 的抗 压强 度及透 水性能 的影响 ( 见 图 1 ) 。 透 水混凝土路 面 碎石基层 ( 储水层 ) 水平排水管道 垫层 或土工布 路基 地下水位 线 图 l透水混凝土透水结构示意图 Fi g ur e l S c h e ma t i c mo d e l o f p e r me a b l e c o n c r e t e 2 实 验 2 1原材料 和成 型 工艺 采用 P0 4 2 5级 普 通 硅 酸盐 水 泥 。 比 表 面 积 3 5 5 I T I k g ； 集料 为 G 1 ( 5 01 0 0 m m) 、 G 2 ( 1 01 5 m m) 2种粒级 碎 石 ； 粉 煤灰 采 用 电厂 排放 的 I级 粉 煤灰 ， 比表面积 5 9 1 m k g ； 钢渣为转炉 钢渣， 比表 面积 4 6 5 m k g ； 减水剂采用聚羧酸高性能减水剂； 拌合用水是饮用 自来水。由前期研究结果确定工艺 参数 ： 集料级配为 5 G 1 5 G 2 ， 集灰 比为 3 3 ， 水灰 比为 0 3 4 ， 减 水 剂掺 量 1 0 。单 掺粉 煤 灰 的掺 人 量依 次 为 0 、 1 0 、 1 5 、 2 0 、 2 5 、 3 0 ， 单 掺 钢 渣 的 掺 人 量 依 次 为 0 、 5 、 1 0 、 1 5 、 2 0 、 2 5 。粉煤 灰和钢 渣双掺 的掺入 量见表 1 所 示 。 表 1 粉煤灰 和钢渣的双掺掺入量 Ta b l e 1 Te s t da t a o f a d di t i o n of fly a s h a n d s t e e l s l a g 试 样 粉煤灰添 钢渣添 讽秤 加量 加量 Al l O 5 Cl 2 O 5 A2 1 0 l 0 C 2 2 O 1 0 A3 l O l 5 C3 2 O l 5 A 4 l 0 2 0 C4 2 0 2 0 Bl l 5 5 Dl 2 5 5 B 2 l 5 l O D2 2 5 l 0 B 3 l 5 l 5 D3 2 5 l 5 B 4 l 5 2 0 D4 2 5 2 O 透水 混 凝 土试 样 采 用 多 次投 料 水 泥 浆 包 裹 工 艺 ， 搅拌机机械拌合均匀。再用压力试验机进行压 制成型， 成型压力为 2 5 MP a ， 试件尺寸为 1 0 0 m m 1 0 0 mm1 0 0 m m， 脱模后在标准养护条件下养护 至规定龄期进行性能测试 。 2 2性 能测试 抗压 强度在 压力试 验机 ( S Y E一 2 0 0 0 ， 北京 三 宇 伟业有限公司) 上进行 ， 加载速度 0 4 0 6 MP a s ， 抗压强度取 3个试件的平均值。透水系数的测定采 用简易透水仪测定， 如图 2所示。测量时先将透水 仪放置于试件上方 ， 然后将试件与透水仪连接处用 石蜡密 封 。向透 水 仪 中加 水 至 超 过 2 0 0 m m 刻 度 ， 水不断地从试件渗 出， 水 面逐渐下降， 记 录水面从 2 0 0 m m下降至 0 m m刻度 的时间。透水 系数按下 式 计算 ： = 式 中 ： 为透水 系数 ， mm s ； 为水 位 下 降高 度 ， 2 0 0 m m； A t 为水位从 2 0 0 m i l l 高度降至 0 I n m刻度的时 间 ， s 。 凝土砌块 图 2透水仪模 型示意图 Fi g ur e 2 S c h e ma t i c mo d e l of t h e p e r me a bi l i t y e q ui p me nt 3结果与讨论 3 1 单掺粉 煤灰 对透 水混凝 土性 能的影 响 透水混凝 土 中引入 03 0 的粉 煤灰 等量 取 代 水泥 作 为胶 结料 ， 标 准养 护 到 龄期 对 其 进 行 透水 性 能 和抗压 强度 的检测 ， 结果如 图 3所 示 。 图 3 ( a ) 示 出了单掺粉煤灰对 2 8 d龄期透水混凝土透水系数 的影 响 。可以看 出 ：透水 系数不 随 粉煤 灰掺 量 的变 化 而大 幅度 变化 ， 基本 上在 4 7 5 0 m m s 范 围内 ， 粉煤 灰 的掺 人对 透水系 数没有 明显 影响 。这是 由于 本实 验采 用 的粉 煤 灰 比表 面 积 为 5 9 1 m k g ， 比水 泥颗粒还细小， 具有微集料填充作用和形态效应 ， 所 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 李子成 ， 等 ： 双掺废渣对透水混凝土 的协 同效应 l 9 l 以对于透水性混凝土的孔道结构没有明显影响。 图 3 ( b ) 示出了单掺粉煤灰对 7 d 、 2 8 d龄期透 水混凝土抗压强度的影响。可以看出， 标准养护 7 d 时 ， 透水混凝土的抗压强度随粉煤灰掺量的增加而 逐渐降低 。这是因为粉煤灰对于强度的贡献主要来 源于二次水化 ， 但是粉煤灰的二次水化进程缓慢 ， 所 以硬化 7 d的试样强度较低。标准养护 2 8 d时 ， 透 水混凝土的抗压强度随粉煤灰掺量的增加先升高后 降低。在掺量为 2 0 时具 有最高强度 。这是 因为 粉煤灰颗粒较细 ， 起到微集料填充 的作用 ， 加上粉煤 灰的二次水化得以充分进行使得骨料与胶凝材料间 的把 持力 增 大 ， 提 高 了水 化 后期混 凝土 的界 面强 度 。 若 鲁 一 N 一 籁 * 嘲 拭 粉煤灰添加量 ， ( a ) 对透水系数的影响 粉煤灰添加量， ( b) 对抗压强度的影响 图 3单掺粉煤灰对透水 混凝 土透水 系数和抗压 强度 的影 响 Fi g u r e 3 I n f l ue nc e o f a dd i t i o n of fly a s h o n p e r me a t i o n c o e f f i e i e nt a n d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f p e r me a b l e c o n c r e t e 3 2单掺 钢 渣 对透 水混凝 土性 能的 影响 透水混凝土中引入 0 2 5 的钢渣等量取代水 泥作为胶结料 ， 标准养护到龄期对其进行透水性能 和抗 压 强度 的检 测 ， 结 果 如图 4所 示 。图 4 ( a ) 示 出 了单掺 钢 渣对 2 8 d龄 期 透 水 混 凝 土透 水 系数 的影 响。结果表明 ， 透水 系数随钢渣掺量的增加而小 幅 度 的减 小 ， 这可 能是 由于 本 实 验选 用 的钢 渣 颗 粒 比 表面 积较 小 的缘 故 。 图 4 ( b ) 示 出 了单 掺 钢 渣 对 7 d 、 2 8 d龄 期 透 水 混 凝 土 抗 压 强度 的影 响 。 结 果 发 现， 养护 7 d时透水混凝土 的抗压强度随着钢渣掺 量的增加逐渐降低 ， 而养护 2 8 d时透水混凝土的抗 压强度随钢渣掺量的增加先升高后降低 ， 钢渣掺量 大 约在 1 0 1 5 时 强度 最 高 。究 其原 因 ， 钢 渣 的 的水化活性不如水泥 ， 当掺量增大时 ， 会引起胶结料 水化反应变慢 ， 从而导致透水混凝土的早期强度降 低 。随 着水 化不 断进 行 ， 钢渣 的水 化受 到 水 泥 水 化 产 生的 碱性环 境激 发 ， 这 对 钢渣 的水化有 促 进作 用 ， 同时， 钢渣中的惰性成分颗粒被水泥水化生成 的水 化硅酸钙凝胶包裹 ， 起到了成核作用， 对水泥的后期 水化 起促 进作用 。 钢渣掺量 钢渣掺量 ， ( 8 )对透水系数的影响 ( b) 对抗压强度的影响 图 4单掺钢渣对 透水混凝土透水 系数和抗压强度的影响 Fi g u r e 4 I n f l ue n c e o f a dd i t i o n o f s t e e l s l a g o n p e rm e a t i o n c oef f l e i e n t a nd c o mpr e s s i v e s t r e ng t h o f p e r me a bl e c o n c r e t e 3 3 粉 煤灰 和钢 渣双掺 对 透水 混凝 土性 能的影 响 在透水 混凝 土 中同 时掺人 钢渣 和粉煤 灰部 分取 代水泥作胶结料 ， 试样的透水系数结果如图 5所示。 当钢渣的掺入量为 5 、 1 0 、 1 5 、 2 0 时， 透水系 数总体的变化趋势是随着粉煤灰掺人量的增多而增 大 ， 这是因为掺合料粉煤灰和钢渣的粒径都很小 ， 起 到微集料效应和填充效应 ， 增加胶结料的密实度 ， 使 孔道形状更优异 ， 另外 由于粒径很小 ， 拌合水会包裹 在微集料的周围， 提高透水混凝土 的粘聚性和保水 性， 成型时结构均匀 ， 不宜偏析 ， 使得孔道结构均匀。 毫 昌 一 _ 口 瓮 一 籁 蝌 箔 图 5钢渣和粉煤灰的双掺对透水 系数的影响 F i g u r e 5 Ef f e c t o f a d d i t i o n o f fly a s h a n d s t e e l s l a g o n p e r me a t i o n c o e f fic i e n t 图 6示 出了钢 渣和粉 煤灰 的 双掺对 透水混 凝 土 的 2 8 d抗压 强度 的 影 响 。 当钢 渣 的掺 入 量 为 5 、 1 0 、 1 5 、 2 0 时 ， 2 8 d抗 压 强度 随 着粉 煤 灰 掺 入 量的增加先升高后又稍有降低。试验结果表明， 当 粉煤灰掺量为 1 5 一 2 0 ， 钢渣掺量为 1 0 一1 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m