韋剛，徐克林

同濟大學機械工程學院工業(yè)工程所

1 前言

21 世紀是循環(huán)經濟發(fā)展的時代，這是隨著自然資源的日益稀缺和匱乏，隨著工業(yè)化的不斷加深和發(fā)展，環(huán)境污染日趨嚴重，環(huán)保工作迫在眉睫，循環(huán)經濟模式顯得尤為重要。傳統(tǒng)的經濟發(fā)展模式是一種“資源、產品、消費、污染物排放”的單向流動，而循環(huán)經濟發(fā)展模式則是“資源、產品、消費、回收利用、再生資源”的循環(huán)流動過程，是一個閉環(huán)系統(tǒng)。

隨著近年來鋼鐵行業(yè)產量的不斷提升，大量的鋼渣同時產生。鋼渣的堆放和處置給環(huán)境造成了污染，且土地資源被占用，不僅會給水體土壤和大氣等都帶來了嚴重的污染，甚至可能會威脅到人們的健康。如何將鋼渣實現(xiàn)循環(huán)利用，就給相關企業(yè)和政府部門帶來了難題和挑戰(zhàn)。因此，鋼渣的合理處置和可再生利用、變廢為寶就顯得尤為重要。

2 問題的提出

長期以來，普通混凝土的生產與使用帶來的嚴重污染已成為社會公認。與生態(tài)環(huán)境的要求相比，普通混凝土的透水性、吸熱性和透氣性都較差。因此，透水、透氣型混凝土就值得重點研究和開發(fā)。

鋼渣作為工業(yè)廢渣，成分具有不穩(wěn)定性，其制成的鋼渣相關制品質量不穩(wěn)定。將其鋼渣進行熱處理（1500℃ 以上）、并且快速的冷卻和固化，通過這樣的加工處理后，其化學特性和物理特性都與天然的資源極其相似了，并且穩(wěn)定性良好，硬度也比較高，鐵和渣易分離的優(yōu)點，可用于透水型混凝土等諸多領域和行業(yè)，成為了近幾年來建筑行業(yè)興起的一種綠色環(huán)保型混凝土。該種混凝土不僅具有透水性和透氣性，并且緩解了城市的“熱島效應”和改善了大自然水體循環(huán)，因此，研究和開發(fā)鋼渣透水混凝土市場前景非常廣闊。

3 問題的研究

3.1 試驗方法設計

將鋼渣制成的混凝土與普通混凝土進行現(xiàn)場試驗，進行多次綜合分析：

（1）選用原材料和實驗裝置

鋼渣采用滾筒法處理的1-3mm，3-5mm，5-10mm，10-20mm 的這四種型號的鋼渣來作為試驗用品，制成的試驗用品編號為 a、b、c、d。水泥采用標號為 42.5 的普通硅酸鹽水泥。添加劑則選用 LDA 型增強劑。

采用自行設計的透水儀見圖 1。該試驗用具為自制研發(fā)的透明玻璃儀器，尺寸為 160mm×160mm×300mm，上部開放式敞開，下部中間為φ85mm 的圓型孔。透水儀器的一側設置刻度線，間距為 50mm，試驗時作為計量單位。

圖1 透水試驗儀器示意圖

（2）試驗步驟

試驗前，將試品的垂直四周用密封材料密封嚴實，且不能漏水，水只能從試品的垂直方向的上表面進行滲漏。在試品試驗的時候，上表面用油性灰均勻覆蓋，然后將透水玻璃儀器放置于試品的上面，并將其壓緊油灰，便開始向透水玻璃儀器中加自來水至刻度 150mm 以上。當水面下降至150mm 時，則開始計算時間，下降至 100mm 時，則計時結束。計算時間時采用秒表。

（3）計算方法

式（1）為計算公式。最終結果以三塊試樣的平均值表示（計算精確至 0.1mm/s）。

A=H/Δt （1）

式中：H——水位下降高度 50mm；Δt——水從 150mm降至 100mm 高度的持續(xù)時間，單位為秒（s）。

3.2 試驗過程分析

（1）骨料粒徑大小對透水系數的影響

試驗表明，將四種鋼渣作為透水混凝土集料，在相同的條件下，a～d 隨著骨料粒徑的變大，透水系數也隨著變大。如當水灰比為 0.21 時，1-3mm 型號的骨料透水混凝土和 10-20mm 型號的骨料透水混凝土的透水系數分別為 5.8mm/s 和13.2mm/s，兩者相差甚大，增幅很明顯。因為伴隨著骨料粒徑的變大，空隙率也隨著變大，從而透水系數將增大。

（2）水灰比對透水系數的影響

試驗表明，按照水灰比0.21、0.21、0.25、0.27、0.29、0.31分別制成鋼渣透水混凝土試驗用品，分別測試其透水系數。則發(fā)現(xiàn)，各種透水混凝土的透水系數為 1-14mm/s。無論骨料粒徑大小，鋼渣透水混凝土的透水系數都會隨著水灰比的增大而減少，但是在水灰比為 0.21-0.25 之間時，透水系數的降幅不明顯，而水灰比從 0.27-0.31 時，透水系數則下降明顯。例如 b 透水混凝土，水灰比從 0.21 增加到了 0.25 時，其透水系數從 9.1mm/s 下降到了7.7mm/s，下降幅度為 15.4%；而水灰比從 0.27 增加到 0.31 時，透水系數則從 6.8mm/s下降到了 3.8mm/s，下降幅度則為 44.1%。其主要原因為水灰比的增大，使得透水混凝土表面的起漿變多，造成了表面堵塞，空隙率就下降。

（3）集灰比對透水系數的影響

集灰比是指鋼渣透水混凝土中鋼渣骨料與膠凝材料的比例，通過調整水泥的使用量來調整集灰比。研究表明，當透水混凝土的集灰比達到 7.0 以上時，30 天抗折和抗壓強度則無法保證。故我們選擇集灰比為 7.0、6.0、5.0、4.0、3.0 這五種進行試驗分析。

試驗結果表明，隨著集灰比從 3.0 增加到 7.0，鋼渣透水混凝土的透水系數也隨之增加，其主要是由于集灰比例較小時，水泥的使用量相對較多，試品的強度也會相應較大，但由于水泥漿包裹鋼渣顆粒存在著相對的過剩，使透水混凝土的空隙率降低，而透水系數也下降。另外，當顆粒粒徑相對較小時，隨著集灰比的下降，則透水系數下降更加明顯，例如當骨料粒徑為 3-5mm 時，集灰比由 7.0 下降到 3.0 時，透水系數則會由 9.6mm/s 下降到 1.2mm/s，降幅達到了 87.5%。

（4）外加劑混入量的多少對透水系數的影響

試驗表明，外加劑混入量的多少對于鋼渣透水混凝土也有一定的影響，如：隨著外加劑混入量的增加，鋼渣透水混凝土的透水系數會有所下降，外加劑混入量減少，將有利于提高鋼渣透水混凝土的透水系數，但影響幅度很有限。

（5）其他因素對透水系數的影響

除了以上四個主要因素外，還有以下幾個因素也會對鋼渣透水混凝土的透水系數產生影響：

1）施工進度的快慢、混凝土使用過程中攪拌的均勻程度、以及在使用時周邊環(huán)境都會對鋼渣透水混凝土的透水系數產生影響。

2）當氣溫降低時，水的動力粘滯系數就越大，透水系數就越小，我們以 10℃ 為標準，在溫度為 T 時的透水系數按式

（2）換算成標準溫度時的透水系數。

K10=KTηT/η10 （2）

式中：K10 為水溫為 10℃ 時的透水系數/（cm·s-1）；ηT 為水溫為 T/℃ 時水的動力粘滯系數/（kPa·s）；KT 為水溫為 T/℃ 時的透水系數/（cm·s-1）；η20 為水溫為 10℃ 時水的動力粘滯系數/（kPa·s）；ηT 和η10 為常數值，參見《公路土工試驗規(guī)程》。

3.3 分析結論

通過上述一系列試驗分析發(fā)現(xiàn)：

（1）影響鋼渣混凝土透水系數及穩(wěn)定性的主要因素有集灰比、水灰比、骨料粒徑大小、外加劑混入量等因素。

（2）鋼渣透水混凝土的透水系數會隨著集灰比、骨料粒徑的變大而相應變大；當顆粒粒徑相對較小時，隨著集灰比的下降，透水系數會下降的更加明顯。

（3）鋼渣透水混凝土的透水系數會隨著水灰比的變大而相應減少，但是在水灰比為 0.21-0.25 之間時，透水系數的降幅則會不明顯，當水灰比從 0.27 增至 0.31 時，透水系數下降幅度會較為明顯。同時我們發(fā)現(xiàn)，隨著外加劑混入量的增加透水系數會減少，但是總體影響哦幅度會非常有限。

（4）其它幾種因素也會對鋼渣透水混凝土的透水系數產生影響。

4 應用成效

通過研究，鋼渣透水混凝土取得了良好的經濟效益和社會效益。目前主要應用于有較高要求的透水、透氣相關環(huán)境工程和綠色公共工程。如：上海世博園道路、植物園路面、停車場以及體育場館等。通過設計和改進，還可用于山體護坡、草坪地板、無土綠色植被種植、農田水利等。

鋼渣生態(tài)透水混凝土的社會效益主要體現(xiàn)在生態(tài)和社會的和諧得到促進。城市排水管網的壓力由于透水性在一定程度上得到的減緩，其低輻射和降低噪音的特性提高了人們的健康指數，同時，也緩解了城市“熱島效應”， 緩解了工業(yè)發(fā)展給環(huán)境造成的壓力。因此，鋼渣開發(fā)用于透水透氣型混凝土使鋼渣資源獲得了良好的循環(huán)再利用價值。

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