地聚物透水混凝土的性能研究

李曉琛，劉衛(wèi)森，麥華軒

（1、廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510500；2、廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測(cè)總站有限公司 廣州 510500）

0 引言

道路和其他基礎(chǔ)設(shè)施的快速建設(shè)，由于混凝土的密封不透水和壓實(shí)底基，極大地改變了雨水的自然蒸發(fā)和轉(zhuǎn)移，是城市熱島效應(yīng)的主要貢獻(xiàn)者，路面工程約占城市的40%基礎(chǔ)設(shè)施，已成為當(dāng)前影響城市洪水和雨水管理的一個(gè)重要因素［1］。透水混凝土是一種具有較大孔隙率的環(huán)保材料，其有效孔隙率在15%～35%之間，能夠使雨水迅速滲入地下，解決城市積水問題［1-5］。傳統(tǒng)的透水混凝土主要由硅酸鹽水泥、粗骨料、外加劑和水組成，根據(jù)性能設(shè)計(jì)，可添加少量細(xì)骨料、礦物摻合料等，目前廣泛應(yīng)用于人行道和廣場(chǎng)等場(chǎng)景［2，5］。透水路面被認(rèn)為是一種解決方案［6-8］，可以最大限度地減少對(duì)包括地下水在內(nèi)的環(huán)境因素的影響［2］。通過增加地下水位，其表面有助于減少雨水徑流和城市熱島效應(yīng)［1］。

目前，國(guó)內(nèi)外制備透水混凝土主要采用水泥作為凝膠材料，但其硬化后存在強(qiáng)度偏低、耐久性不佳等問題［2］。有研究指出，摻入不同的礦物摻合料，對(duì)水泥基透水混凝土產(chǎn)生的差異較大。HAJI［9］和RAGHWANI等人［10］研究發(fā)現(xiàn)摻入少量硅灰能在一定程度上優(yōu)化水泥基透水混凝土的力學(xué)性能，同時(shí)文獻(xiàn)［9］指出一定量的硅灰會(huì)劣化透水性能，而加入粉煤灰，對(duì)透水混凝土基體的力學(xué)性能和透水系數(shù)均不利。

地質(zhì)聚合物是一種無機(jī)聚合物，它是鋁硅酸鹽材料與堿活化液體的反應(yīng)物［11-14］，相關(guān)研究已經(jīng)表明，地質(zhì)聚合物顯示出優(yōu)異的機(jī)械性能，可將二氧化碳排放量減少約50%［1］。它具有強(qiáng)度發(fā)展快和隨時(shí)間連續(xù)硬化的優(yōu)點(diǎn)，地質(zhì)聚合物支持回收工業(yè)廢物/副產(chǎn)品［13］。如高爐渣和粉煤灰，它們由硅鋁酸鹽成分組成。此外，通過堿激發(fā)得到的高鈣粉煤灰透水地質(zhì)聚合物混凝土的抗壓強(qiáng)度可以超過10 MPa，且空隙率為30%［15］。堿激發(fā)地質(zhì)聚合物透水混凝土?xí)蛑苽涞幕w材料不同，展現(xiàn)出較大的差異性。SUN 等人［16］研究指出使用礦渣、偏高嶺土和堿性激發(fā)劑制備的地聚合物透水混凝土，可獲得更好的力學(xué)性能和透水性能。根據(jù)文獻(xiàn)，可以觀察到增加空隙率會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。因此，需要進(jìn)一步研究在多孔混凝土中保持空隙含量合理的同時(shí)，進(jìn)一步提高抗壓強(qiáng)度等。本文提出采用低碳環(huán)保的地聚物制備性能更優(yōu)異的透水混凝土，為其后續(xù)在工程中的應(yīng)用和設(shè)計(jì)提供更多的思路和方法。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

水泥采用廣東省湛江市某水泥廠的P.O 42.5水泥（C）；爐渣采用中山某電廠的S95 級(jí)高爐礦渣（SL）；粉煤灰采用河南鄭州某公司的粉煤灰（FA），外觀為白色粉末，密度2.65 g/cm3。水泥、礦渣及粉煤灰的化學(xué)組成如表1 所示。粗骨料選用粒徑為5.0～10.0 mm 的單級(jí)配玄武巖，其表觀密度為2 656 kg/m3，堆積密度為1 668 kg/m3，空隙率為35.3%。將NaOH、水玻璃和去離子水按比例制備，Na2O 濃度為2%和4%的堿性激發(fā)劑分別記為AA1 和AA2，在充分?jǐn)嚢柚辆鶆蚝?，靜置24 h 備用。選用湛江市某公司生產(chǎn)的緩凝高效復(fù)合減水劑。增強(qiáng)劑為自行制備，制備堿激發(fā)溶液用水和攪拌用水均為自來水。

表1 水泥、礦渣、粉煤灰的化學(xué)組成Tab.1 Chemical Composition of Cement，Slag and Fly Ash

1.2 凈漿試樣制備

透水混凝土配合比如表2所示，準(zhǔn)確稱取水泥、礦渣和粉煤灰等，放置凈漿攪拌機(jī)內(nèi)攪拌120 s 至均勻，再加入提前配制好的激發(fā)劑，先快攪2 min 后再慢攪2 min 得到新拌漿體，而后裝入尺寸為40 mm×40 mm×40 mm的試模中，24 h拆模后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

水泥基透水混凝土和堿激發(fā)基透水混凝土的制備過程一致，根據(jù)表2透水混凝土的配合比比例，首先將凝膠材料粉體與增強(qiáng)劑充分混合，將碎石和混合粉體（水泥）同時(shí)放入攪拌機(jī)，攪拌1 min，添加堿激發(fā)溶液（水）攪拌再2.5 min，將新拌混合料填裝至尺寸為100mm×100mm×100 mm的試模中。采用人工夯擊法成型，分兩層裝料，裝好第一層后用模具夯擊10 次壓實(shí)，用鏟子將表面刨毛，再裝第二層，用模具夯擊10次壓實(shí)，夯擊高度為200 mm，最后加以整平，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。特別需要注意的是，成型堿激發(fā)溶液為AA2的試樣應(yīng)及時(shí)快速裝填至試模并夯實(shí)。

表2 透水混凝土配合比Tab.2 Pervious Concrete Mix Proportion

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 抗壓強(qiáng)度

透水混凝土試件的抗壓強(qiáng)度依據(jù)，根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）：GB/T 17671—1999》和《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50081—2019》中的試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試。

1.3.2 有效孔隙率

透水混凝土的有效孔隙率采用排水法進(jìn)行測(cè)定，按式⑴計(jì)算試件的28 d有效孔隙率P（精確到0.1%）：

式中：P為有效孔隙率（%）；m1為試件在水中的質(zhì)量（g）；m2為試件烘干后的質(zhì)量（g）；ρw為水的密度（g/cm3）。

1.3.3 透水系數(shù)

按照《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程：CJJ 135—2009》附錄A 的透水系數(shù)測(cè)試方法進(jìn)行。按式⑵計(jì)算試件的28 d透水系數(shù)K：

式中：K為透水系數(shù)（mm/s）；Q為時(shí)間t秒內(nèi)滲出的水量（mm3）；L為試件厚度（mm）；A為試件的上表面積（mm2）；H為水位差（mm）；t為測(cè)試時(shí)間（s）。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

2.1.1 凈漿的抗壓強(qiáng)度不同組分的凈漿抗壓強(qiáng)度如圖1所示，由圖1?可知，水泥基凈漿28 d抗壓強(qiáng)度約65 MPa，低堿度條件下，水泥礦渣復(fù)合體系的凈漿試樣28 d 抗壓強(qiáng)度隨著礦渣摻量的增大，有較明顯的下降趨勢(shì)；從圖1?中可知，堿激發(fā)礦渣/粉煤灰復(fù)合體系28 d 時(shí)，具有較為優(yōu)越的力學(xué)性能，特別是當(dāng)?shù)V渣含量大于50%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度均大于75 MPa，最大抗壓強(qiáng)度超過95 MPa。與此同時(shí)，從圖1?還可以明顯看出，各個(gè)齡期的凈漿試樣28 d抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增大，呈明顯下降趨勢(shì)。

2.1.2 透水混凝土的抗壓強(qiáng)度

不同組分的透水混凝土抗壓強(qiáng)度如圖2 所示，由圖2?可知，水泥礦渣復(fù)合基體的透水混凝土強(qiáng)度最大達(dá)22 MPa，低堿度條件下，28 d 時(shí)的透水混凝土抗壓強(qiáng)度隨著礦渣摻量的增大，明顯下降，其發(fā)展趨勢(shì)與凈漿試樣基本相似，表明不同的凝膠體系顯然會(huì)影響透水混凝土的力學(xué)性能；由圖2 可以明顯看出，在礦渣摻量大于50%時(shí)，堿激發(fā)礦渣/粉煤灰復(fù)合體系的抗壓強(qiáng)度最高達(dá)到28 MPa，且均高于水泥-礦渣復(fù)合體系。另外，在堿激發(fā)礦渣/粉煤灰復(fù)合體系中，粉煤灰的摻入對(duì)透水混凝土的抗壓強(qiáng)度起劣化作用。

2.2 透水性能

水泥礦渣復(fù)合體系28 d 時(shí)的透水性能如圖3 所示，由圖3?可知，28 d時(shí)，水泥礦渣復(fù)合體系的透水混凝土明顯獲得較好的透水性能，有效孔隙率分布在25.0%左右，且透水系數(shù)均大于5.75 mm/s，高于《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程：CJJ 135—2009》中規(guī)定的連續(xù)孔隙率≥10%，透水系數(shù)≥0.5 mm/s，完全滿足透水需求。同時(shí)由圖3中觀察到，在一定條件下，隨著礦渣用量的增加，該體系的有效孔隙率和透水系數(shù)均呈現(xiàn)優(yōu)化趨勢(shì)。同時(shí)也看到，礦渣摻量超過30%后，其礦渣用量對(duì)基體透水系數(shù)的正向作用明顯下降。

堿激發(fā)礦渣/粉煤灰體系28 d 時(shí)的透水性能如圖4 所示，由圖4?可知，28 d 時(shí)堿激發(fā)礦渣/粉煤灰體系的透水混凝土，礦渣摻量高于50%時(shí)，明顯仍具有較好的透水性能，有效孔隙率均高于22.0%，且透水系數(shù)均大于5.20 mm/s，高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程：CJJ 135—2009》中規(guī)定的需求。同時(shí)還可從圖中觀察到，在一定條件下，隨著低鈣粉煤灰用量的增加，該體系的有效孔隙率和透水系數(shù)均呈現(xiàn)劣化趨勢(shì)。同時(shí)也可以看到，隨著低鈣粉煤灰用量的增加，特別是低鈣粉煤灰用量超過50%時(shí)，其透水系數(shù)的下降趨勢(shì)增大。

3 結(jié)論

⑴使用增強(qiáng)劑改良的水泥基透水混凝土具有較好的透水性能，但力學(xué)性能可以進(jìn)一步提高；

⑵在低堿度情況下，水泥礦渣復(fù)合體系中水泥水化產(chǎn)物仍然起主要作用，礦渣的的用量增加反而降低基體的力學(xué)性能，但透水性能卻在一定程度上得到優(yōu)化；

⑶堿激發(fā)礦渣/粉煤灰體系，在礦渣含量較大時(shí)（＞50%），其力學(xué)性能明顯優(yōu)于水泥基透水混凝土，同時(shí)可取得較好的透水性能。