雙摻礦渣和硅灰透水混凝土性能試驗(yàn)研究

張旭東，馮 晨，馮竟竟，楊進(jìn)波

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018)

透水混凝土是一種由粗骨料表面被水泥漿體包裹，進(jìn)而相互黏結(jié)而成的多孔結(jié)構(gòu)。其特有的多孔結(jié)構(gòu)可以在其上栽種植物，綠化環(huán)境，改善生態(tài)。透水混凝土具有較大的透水性，較小的毛細(xì)作用，是一種良好的地坪材料[1]。同時(shí)透水混凝土由于其適應(yīng)植物生長(zhǎng)、美化環(huán)境景觀的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于河涌整治護(hù)岸工程等水利護(hù)坡工程[2]。

透水混凝土雖然具有控制雨水徑流，補(bǔ)充地下水，改善生態(tài)環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)[3]，但是目前透水混凝土配合比的設(shè)計(jì)還不夠完善，配合比設(shè)計(jì)需要考慮諸多因素。礦物摻合料已經(jīng)成為現(xiàn)代混凝土所必需的一種獨(dú)立組分和功能性材料，對(duì)透水混凝土物理力學(xué)性能也具有積極作用。有研究表明單摻礦渣和單摻硅灰能提高透水混凝土的性能，認(rèn)為小摻量礦渣或硅灰對(duì)透水混凝土的強(qiáng)度和透水性能有增強(qiáng)作用[4,5]。本試驗(yàn)在固定20%目標(biāo)孔隙率前提下，雙摻礦渣和硅灰，采用正交試驗(yàn)的方法，研究雙摻礦渣和硅灰等不同因素對(duì)透水混凝土的物理力學(xué)性能和內(nèi)部孔隙特征的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，具體指標(biāo)見(jiàn)表1；粗骨料采用當(dāng)?shù)?.75～9.5、9.5～16.0、16.0～19.0 mm3種單粒徑石子，性能測(cè)試指標(biāo)見(jiàn)表2。S95級(jí)磨細(xì)礦渣，密度為2.99 g/cm3，比表面積為499 m2/kg；硅灰，其中SiO2含量≥94%，密度為380 kg/m3；減水劑采用萘系減水劑，減水效果為0.4%。

表1 P.O 42.5普通硅酸鹽水泥物理性能Tab.1 Physical properties of P.O 42.5 ordinary Portland cement

表2 粗骨料性能指標(biāo)Tab.2 Performance indexes of coarse aggregate

1.2 試驗(yàn)配合比

透水混凝土配合比設(shè)計(jì)計(jì)算步驟主要參照《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T135-2009)、王智[6]等透水混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，采用絕對(duì)體積法進(jìn)行透水混凝土配合比計(jì)算，在確定目標(biāo)孔隙率的情況下，確定水泥漿體的用量。

透水混凝土水膠比選擇范圍為0.25～0.35，本研究選取0.25、0.30、0.35共3個(gè)水膠比，分別用不同比例的礦渣和硅灰等質(zhì)量代替水泥。正交試驗(yàn)具體水平因素見(jiàn)表3，透水混凝土配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表4。

表3 透水混凝土水平因素Tab.3 Factors of pervious concrete level

表4 透水混凝土配合比Tab.4 Mix proportion of pervious concrete

根據(jù)設(shè)計(jì)配合比稱量各種原材料及外加劑、水泥、礦渣和硅灰。本實(shí)驗(yàn)采用水泥裹石法[7]進(jìn)行攪拌，采用人工插倒的方式成型。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 孔隙率和平均孔徑

(1)有效孔隙率。有效孔隙率基于重量法原理進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)公式(1)計(jì)算試件的有效孔隙率，以3個(gè)試件的平均值作為透水混凝土的孔隙率：

(1)

式中：n為試件的孔隙率，%；m1為試件浸泡在水中的質(zhì)量，kg；m0為試件烘干恒重后的質(zhì)量，kg；ρ為水的密度，kg/m3；V為試件的體積，m3。

(2)平面孔隙率。平面孔隙率是指透水混凝土界面圖像上各孔隙總面積與截面面積的比值[8]。首先通過(guò)SCQ-4型巖石切割機(jī)將透水混凝土試塊切成3等份，取中間切片，對(duì)切片上下兩面進(jìn)行平面孔隙率和平均等效孔徑分析研究。將試塊進(jìn)行染色處理，用相機(jī)采集切片的圖像信息，通過(guò)MATLAB軟件進(jìn)行灰度處理，最后將處理好的圖像導(dǎo)入Image-pro plus軟件中，統(tǒng)計(jì)孔徑的數(shù)量和面積(見(jiàn)圖1)。并根據(jù)公式(2)計(jì)算出平面孔隙率：

圖1 平面孔隙率分析方法Fig.1 Method of plane porosity analysis

(2)

式中：ni為平面孔隙率；Ai為截面上第i個(gè)孔的孔隙面積；A為截面圖像總面積。

(3)平均等效孔徑。平均等效孔徑是指切平面上，與目標(biāo)孔隙率具有相同面積圓的直徑(Dp)，它是描述孔隙尺寸的主要途徑，可以反應(yīng)孔隙的大小特征，同時(shí)也能很好地反應(yīng)透水混凝土的孔隙級(jí)配特征，按公式(3)計(jì)算：

(3)

1.3.2 透水系數(shù)

試驗(yàn)儀器參照《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T135-2009)制作如圖2的試驗(yàn)裝置，采用定水頭法[19,10]，成型3組φ150 mm×150 mm圓柱體試件進(jìn)行測(cè)定。

圖2 透水系數(shù)試驗(yàn)儀Fig.2 Permeameter 注：1-供水系統(tǒng)；2-圓筒的溢流口；3-溢流水槽；4-支架；5-試樣；6-量筒；7-水槽的溢流口；8-水位差；9-水圓筒。

根據(jù)公式(4)計(jì)算試件的透水系數(shù)，以3個(gè)試件的平均值作為透水混凝土的透水系數(shù)：

(4)

式中：k為透水系數(shù)，mm/s；Q為試件t內(nèi)滲出的水量，mm3；L為試件的厚度，mm；A為試樣的上表面積，mm2；H為水位差，mm；t為時(shí)間，s。

1.3.3 抗壓強(qiáng)度

成型3組150 mm×150 mm×150 mm透水混凝土立方體試塊養(yǎng)護(hù)至7 d、28 d 齡期后，按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)測(cè)定。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

每組試件3塊，取測(cè)試結(jié)果平均值。透水混凝土的有效孔隙率、平均等效孔徑、平面孔隙率、透水系數(shù)和抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 孔隙率、透水系數(shù)和抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Tab.5 Test results of porosity, permeability and compressive strength

2.1 采用極差法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析

為了研究不同因素對(duì)透水混凝土物理力學(xué)性能的影響順序，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果見(jiàn)表6和表7。

表6 孔隙率和平均等效孔徑試驗(yàn)結(jié)果極差分析Tab.6 Range analysis of porosity and average equivalent aperture test results

通過(guò)極差分析可以看出，不同因素影響透水混凝土有效孔隙率的順序?yàn)椋核z比>礦渣>骨料粒級(jí)>硅灰；影響平面孔隙率的因素主次順序?yàn)椋核z比>礦渣>骨料粒級(jí)>硅灰；影響透水混凝土內(nèi)部孔徑的因素主次順序?yàn)椋汗橇狭＜?jí)>硅灰>水膠比>礦渣。目標(biāo)孔隙率20%時(shí)，水膠比是影響透水混凝土有效孔隙率和平面孔隙率的主要影響因素，骨料粒級(jí)是影響透水混凝土內(nèi)部孔徑大小的主要影響因素。

表7 透水系數(shù)和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果極差分析Tab.7 Range analysis of test results of water permeability and compressive strength

影響透水混凝土7 d透水系數(shù)的因素主次順序?yàn)椋核z比>骨料粒級(jí)>礦渣>硅灰；影響28 d透水系數(shù)的因素主次順序?yàn)椋核z比>骨料粒級(jí)>硅灰>礦渣；影響7 d抗壓強(qiáng)度的因素主次順序?yàn)椋核z比>骨料粒級(jí)>硅灰>礦渣；影響28 d抗壓強(qiáng)度的因素主次順序?yàn)椋核z比>骨料粒級(jí)>礦渣>硅灰。

由極差分析可知，目標(biāo)孔隙率20%的情況下，水膠比通過(guò)影響透水混凝土內(nèi)部的孔隙率，改變內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)影響透水混凝土的物理力學(xué)性能。骨料粒級(jí)通過(guò)影響內(nèi)部孔徑大小，來(lái)影響透水混凝土的透水能力和強(qiáng)度。

2.2 孔隙率與平均等效孔徑影響分析

水膠比由0.25增加到0.30，有效孔隙率減少，平面孔隙率和平均等效孔徑呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)；水膠比由0.30增加到0.35，有效孔隙率降低20%，平均等效孔徑減低超過(guò)1 mm，下降較為明顯。當(dāng)水膠比增大時(shí)，水泥漿體和易性增強(qiáng)，在混凝土成型時(shí)，水泥漿體在包裹骨料之外，會(huì)填充骨料孔隙，降低了連通孔隙率。

有效孔隙率隨著骨料粒級(jí)的增大先減小后增大，但總體減小。平面孔隙率和平均等效孔徑呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。骨料粒級(jí)逐漸增大，骨料之間的孔隙增大，在控制目標(biāo)孔隙的同時(shí)，孔徑增加超過(guò)3 mm，漿體在孔隙間更容易形成大孔徑，并形成更多孔隙，最終使平面孔隙率和平均等效孔徑的增大。

當(dāng)?shù)V渣摻量由15%增加到25%時(shí)，有效孔隙率減少了3%左右，而摻量35%時(shí)，對(duì)有效孔隙影響不大。隨著礦渣摻量的增加，平面孔隙率和平均等效孔徑呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。礦渣比表面積大于水泥，顆粒更小，摻量逐漸增大時(shí)，調(diào)整了水泥漿體的和易性，保證了內(nèi)部孔隙的形成，使平面孔隙率有一個(gè)較低程度的增加。

硅灰摻量小于5%時(shí)，硅灰對(duì)透水混凝土有效孔隙率影響較小，平面孔隙率和平均孔徑呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)；當(dāng)硅灰摻量從5%增加到7%時(shí)，對(duì)有效孔隙率有一定的增長(zhǎng)，但是增長(zhǎng)的范圍在0.5%左右，影響非常小，但平面孔隙和平均孔徑降低。硅灰的比表面積比礦渣更小，摻量逐漸增加，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)得到調(diào)整，使孔徑和平面孔隙率增加，硅灰摻量增加到7%時(shí)，平面孔隙率降低了0.5%，平均等效孔徑降低了1 mm左右。

2.3 透水系數(shù)和抗壓強(qiáng)度影響分析

當(dāng)水膠比從0.25增加到0.30時(shí)，透水混凝土水泥漿體的流動(dòng)性增強(qiáng)，能夠較好地包裹粗骨料而不會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)，7和28 d透水系數(shù)呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，抗壓強(qiáng)度明顯增加。水膠比增加到0.35，透水混凝土內(nèi)部水泥漿體和易性過(guò)大，在內(nèi)部孔隙間流動(dòng)，影響孔隙的形成，7和28 d透水系數(shù)下降了50%，28 d強(qiáng)度雖然增加，但是增長(zhǎng)很小，增長(zhǎng)1 MPa左右。

骨料粒級(jí)從4.75～9.50 mm增加到9.50～16.00 mm，骨料之間的機(jī)械咬合力增加，7和28 d透水系數(shù)逐漸增大， 7 d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較小，但總體呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，28 d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)粒級(jí)增加到16.00～19.00 mm，大粒徑骨料增加，7和28 d透水系數(shù)持續(xù)增加，但骨料的機(jī)械咬合力減小，28 d強(qiáng)度發(fā)生下降。

礦渣摻量從15%增加到25%時(shí)，7和28 d透水系數(shù)增加0.5 mm/s，7 d抗壓強(qiáng)度變化不明顯，28 d抗壓強(qiáng)度減小3 MPa左右。摻量繼續(xù)增加到35%，28 d透水系數(shù)出現(xiàn)降低的趨勢(shì)，28 d抗壓強(qiáng)度有增長(zhǎng)趨勢(shì)。礦渣的比表面積要小于水泥，顆粒更小的礦渣水化時(shí)填充了水泥之間的顆粒，調(diào)整了水泥漿體的和易性，改善了內(nèi)部孔隙，使透水性能增強(qiáng)，但等量替代部分水泥，降低了水泥漿體的強(qiáng)度，從而影響透水混凝土的強(qiáng)度。

硅灰的顆粒要遠(yuǎn)小于水泥和礦渣，能夠有效填充水泥顆粒的孔隙，改善孔結(jié)構(gòu)和界面強(qiáng)度，硅灰摻量從3%增加到7%時(shí)，7 d和28 d透水系數(shù)呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，增加0.5%左右，7 d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)， 28 d抗壓強(qiáng)度總體有增加的趨勢(shì)。摻加硅灰能夠一定程度提高透水性能和抗壓強(qiáng)度。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)雙摻礦渣和硅灰可以改善水泥漿體的和易性，提高透水混凝土的透水能力，礦渣和硅灰能夠填充水泥漿體孔隙，增加密實(shí)程度，增強(qiáng)透水混凝土界面黏結(jié)力 ，改善透水混凝土的性能。

(2)圖像法對(duì)孔隙率的分析與實(shí)測(cè)結(jié)果 相近，能夠較好描述孔隙特征。在20%目標(biāo)孔隙率下，水膠比是影響有效孔隙率和平面孔隙率的主要因素，骨料粒級(jí)是通過(guò)影響內(nèi)部孔徑大小進(jìn)而影響透水混凝土的性能。

(3)雙摻礦渣和硅灰能一定程度提高透水混凝土性能，在實(shí)際生產(chǎn)中可以適當(dāng)摻加礦渣和硅灰，在充分利用工業(yè)廢渣的同時(shí)，使透水混凝土的性能得到改善。

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