不同礦物摻合料透水混凝土體系的硬化性能及微觀結(jié)構(gòu)

安生霞，劉成奎，李萬琴，段秉煜

（1.青海省建筑建材科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，青海西寧 810008；2.青海省建筑工程質(zhì)量檢測站，青海西寧 810008；3.青海省高原綠色建筑與生態(tài)社區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海西寧 810008；4.青海省高原綠色建筑與建材工程技術(shù)研究中心，青海西寧 810008）

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的增長，我國城市化進(jìn)程顯著提高，城市化的快速發(fā)展帶來一系列熱島效應(yīng)、城市內(nèi)澇以及城市水資源日益短缺等問題，嚴(yán)重影響城市的健康發(fā)展和人們的生活質(zhì)量。面對(duì)日益突出的城市發(fā)展問題，國家提出了“海綿城市”的發(fā)展理念，通過海綿城市的建設(shè)修復(fù)城市生態(tài)環(huán)境，緩解城市“熱島效應(yīng)”，構(gòu)建綠色、和諧、生態(tài)、安全的城市居住環(huán)境。而透水混凝土因其具有較高的孔隙率，在海綿城市建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。

透水混凝土是由水、水泥、粗骨料、外加劑等組成，采用單粒級(jí)骨料作為骨架，水泥漿薄層或加入少量細(xì)骨料的砂漿薄層包裹在粗骨料表面形成膠結(jié)層，骨料通過硬化膠結(jié)層膠結(jié)而成多孔堆積結(jié)構(gòu)[1]。相比普通混凝土路面，透水混凝土路面可以緩解城市內(nèi)澇、補(bǔ)充地下水、吸附環(huán)境中的污染物、吸收汽車行駛過程中產(chǎn)生的噪聲、改善城市熱環(huán)境，具有良好的環(huán)境效益和社會(huì)效益[2-3]。

活性礦物摻合料（礦粉、粉煤灰和硅灰）在透水混凝土領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，一方面可以降低透水混凝土的綜合成本，另一方面可以改善透水混凝土的工作性能。礦物摻合料對(duì)透水混凝土性能的影響研究很多[4-8]。本文以透水混凝土作為基礎(chǔ)體系，摻加不同摻量的礦物摻合料（粉煤灰、硅灰或礦粉），研究礦物摻合料對(duì)透水混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，同時(shí)通過XRD、TD-DTG和SEM等分析表征手段研究透水混凝土體系的水化產(chǎn)物組成及微觀結(jié)構(gòu)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O42.5水泥，安定性合格；礦物摻合料：采用粉煤灰（Ⅱ級(jí)）、礦粉和硅灰，水泥和礦物摻合料的主要化學(xué)成分見表1，主要技術(shù)性能分別見表2～表5。骨料：5～10 mm單粒級(jí)碎石，表觀密度2538 kg/m3，緊密堆積密度1694 kg/m3，空隙率38%，壓碎指標(biāo)8.3%。水：自來水。

表1 水泥和礦物摻合料的主要化學(xué)成分 %

表2 水泥的主要技術(shù)性能

表3 礦粉的主要技術(shù)性能

表4 粉煤灰的主要技術(shù)性能

表5 硅灰的主要技術(shù)性能

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

透水混凝土的基準(zhǔn)配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（水）∶m（碎石）=400∶120∶1630，在此基礎(chǔ)上，分別采用礦物摻合料等質(zhì)量取代水泥，礦粉、粉煤灰摻量分別為0、5%、10%、15%，硅灰摻量分別為0、4%、6%、8%。透水混凝土采用一次投料法成型工藝，首先將按配合比稱量好的水泥、礦物摻合料和骨料加入強(qiáng)制攪拌機(jī)中，攪拌30 s使其均勻混合，然后加入一半水?dāng)嚢?0 s，使拌合物達(dá)到均勻濕潤狀態(tài)，最后將剩余的水一邊攪拌一邊加入，攪拌120 s左右。攪拌結(jié)束后，將拌合物分3次裝入100 mm×100 mm×100 mm模具中，每次用鐵棒振搗保證透水混凝土的密實(shí)性，并用塑料薄膜覆蓋，成型24 h后脫模，將脫模后的試件置于養(yǎng)護(hù)室[溫度為20 ℃、相對(duì)濕度96%]養(yǎng)護(hù)。用抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)對(duì)空氣養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、28 d的試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，同時(shí)取水泥相代表樣品。用Xpert Pro型X射線衍射儀分析樣品的物相組成，用JSM-5610LV/INCA系列低真空掃描電子顯微鏡觀察樣品表面微觀形貌、用SDT Q600型同步差示掃描量熱分析樣品的熱穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 礦物摻合料對(duì)透水混凝土力學(xué)性能的影響（見表6）

表6 礦物摻合料對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由表6可以看出：

（1）礦粉摻量對(duì)透水混凝土早期（3 d）抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律性較明顯，對(duì)后期抗壓強(qiáng)度的影響不如早期明顯。3 d時(shí)，當(dāng)?shù)V粉摻量由0增加至5%時(shí)，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度由11.6 MPa顯著降低至4.0 MPa，降低了65.5%；當(dāng)?shù)V粉摻量由5%增加至10%時(shí)，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度提高，但仍低于基準(zhǔn)組，這可能是因?yàn)榈V粉的摻入使水泥相的凝結(jié)時(shí)間延長而造成水泥相和骨料粘結(jié)不牢固引起的；當(dāng)?shù)V粉摻量由10%增加至15%時(shí)，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度又有所降低。7 d時(shí)，透水混凝土抗壓強(qiáng)度隨礦粉摻量的增加表現(xiàn)出了類似的變化規(guī)律，但不及早期明顯。28 d時(shí)，當(dāng)?shù)V粉摻量由0增加至5%時(shí)，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度稍有降低；當(dāng)?shù)V粉摻量由5%增加至15%時(shí)，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度提高；當(dāng)?shù)V粉摻量為15%時(shí)，透水水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組提高了5.4%。

（2）粉煤灰對(duì)透水混凝土早期（3 d）抗壓強(qiáng)度的影響較明顯。3 d時(shí)，當(dāng)粉煤灰摻量由0增加至5%時(shí)，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度由11.6 MPa顯著降低至4.5 MPa，降低了61.2%；當(dāng)粉煤灰摻量由5%增加至15%時(shí)，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度呈提高趨勢，但均低于基準(zhǔn)組。有研究表明[9]，粉煤灰的水化速率小于水泥熟料，活性低于水泥。粉煤灰等量取代水泥后，水泥熟料礦物含量相對(duì)減少，水化反應(yīng)速率降低，凝結(jié)時(shí)間延長，故摻加粉煤灰后透水混凝土的早期抗壓強(qiáng)度低于普通透水混凝土。齡期7 d、28 d時(shí)，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加而提高，28 d時(shí)最高提高了31.8%（摻量為15%）。

（3）隨硅灰摻量的增加，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度先降低后提高，3 d時(shí)最低降低了81.9%（摻量為6%），最高提高了10.3%（摻量為8%）；28 d時(shí)最高提高了45.3%（摻量為8%）。

2.2 透水混凝土的物相分析（見圖1）

圖1 不同礦物摻合料摻量透水混凝土的XRD圖譜

由圖1（a）可知：3組試件的物相組成相似，主要物相為SiO2、AFt、NaAlSi3O8，少量的Ca（OH）2、C2S、C3S、C4AF和CaCO3等，其中AFt、Ca（OH）2為水化產(chǎn)物，其他物相來源于未反應(yīng)的原料及雜質(zhì)。NaAlSi3O8是常見的長石礦物，其含量增加可能是因?yàn)闃悠分泻形⒘抗橇戏勰┰斐傻摹５V粉摻量由0增加至5%時(shí)，AFt與Ca（OH）2含量明顯減少；當(dāng)?shù)V粉摻量增加至15%時(shí)，與基準(zhǔn)組相比，AFt含量變化不明顯，但Ca（OH）2含量明顯減少。這可能是因?yàn)榈V粉中含有活性SiO2、Al2O3和CaO，隨著水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，活性成分被水泥水化生成的Ca（OH）2激發(fā)，生成水化硅酸鈣凝膠（C-S-H），有效填充水泥水化后產(chǎn)生的空隙，抗壓強(qiáng)度提高。強(qiáng)度相AFt晶體含量減少可能是低摻量礦粉透水混凝土抗壓強(qiáng)度降低的原因之一。

由圖1（b）可知：3組試件的物相組成相似，主要物相是SiO2、AFt、NaAlSi3O8，少量的Ca（OH）2、C2S、C3S、C4AF和CaCO3等。粉煤灰摻量由0增加至5%時(shí)，AFt與Ca（OH）2對(duì)應(yīng)的峰值均明顯降低；當(dāng)粉煤灰摻量增加至15%時(shí)，AFt含量較粉煤灰摻量5%時(shí)明顯增加，Ca（OH）2含量較基準(zhǔn)組明顯減少。粉煤灰中含有活性SiO2和Al2O3，能與水泥水化產(chǎn)生的Ca（OH）2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成C-S-H凝膠[10]。與基準(zhǔn)組相比，粉煤灰摻量為5%的透水混凝土抗壓強(qiáng)度稍有提高，這可能是因?yàn)樗a(chǎn)物C-S-H增多或晶體之間形成了連接力強(qiáng)的連續(xù)結(jié)構(gòu)造成的。粉煤灰摻量為15%的透水混凝土抗壓強(qiáng)度明顯提高，這可能是因?yàn)榉勖夯覔搅康脑龆啵w系中生成了較多C-S-H凝膠，填充了水泥水化產(chǎn)生的氣孔，使透水混凝土體系結(jié)構(gòu)更加致密，增加了骨料與水泥相界面粘結(jié)區(qū)域的密實(shí)度。

由圖1（c）可知：3組試件的物相組成相似，主要物相是SiO2、AFt、NaAlSi3O8，少量的Ca（OH）2、C2S、C3S、C4AF和CaCO3等。硅灰摻量由0增加至4%時(shí)，AFt晶體和Ca（OH）2的含量均明顯減少；當(dāng)硅灰摻量增加至8%，AFt晶體含量明顯增加，Ca（OH）2含量減少。硅灰中含有的活性SiO2會(huì)被水泥水化生成的Ca（OH）2激發(fā)生成穩(wěn)定的C-S-H凝膠，該凝膠與傳統(tǒng)的C-S-H凝膠的組成和性能均不相同，它能與OH-、Al3+聚合，聚合后非常穩(wěn)定[11]，C-S-H凝膠含量的增多可能是高摻量硅灰透水混凝土抗壓強(qiáng)度明顯提高的原因之一。此外，低摻量硅灰透水混凝土的抗壓強(qiáng)度降低，可能是因?yàn)閺?qiáng)度相AFt晶體含量的減少或水化產(chǎn)物間結(jié)合不密實(shí)造成的。

2.3 透水混凝土的熱重分析

空氣養(yǎng)護(hù)28 d透水混凝土的DTG曲線見圖2，TG曲線見圖3。

由圖2可知，C-S-H凝膠在68～82 ℃時(shí)脫水，AFt晶體在104～133 ℃時(shí)脫水[12]，Ca（OH）2在410～450 ℃脫水，CaCO3在654～684 ℃分解，30～80 ℃是水化產(chǎn)物中結(jié)合水失重引起的。

圖2 摻加不同礦物摻合料透水混凝土的DTG曲線

圖3 摻加不同礦物摻合料透水混凝土的TG曲線

由圖3可知：透水混凝土水化產(chǎn)物的失重過程可分為3個(gè)明顯的過程：第1個(gè)過程為30～418 ℃，該過程中硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物脫水、C-S-H凝膠脫水，水化鋁酸鈣脫水；第2個(gè)過程為418～574 ℃，該過程中Ca（OH）2開始分解脫水；第3個(gè)過程為574～1000 ℃，該過程中CaCO3開始分解。

根據(jù)TG曲線可以計(jì)算基準(zhǔn)組透水混凝土試件與摻加不同礦物摻合料的透水混凝土中各物相質(zhì)量損失和各物相質(zhì)量損失占水化產(chǎn)物質(zhì)量損失百分比，結(jié)果如表7所示。

表7 摻加不同礦物摻合料透水混凝土的物相損失百分比

由表7可以看出，相比A3、B3、C3試件，基準(zhǔn)組PC試件中水化產(chǎn)物C-S-H凝膠、AFt晶體和H2O含量較高，這表明C-S-H膠凝和AFt晶體的含量也相對(duì)較高，但從摻加不同摻合料的透水混凝土的抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果來看，基準(zhǔn)組試件的抗壓強(qiáng)度最低，這可能是因?yàn)榛鶞?zhǔn)組試件中生成較多C-S-H膠凝和AFt晶體的同時(shí)也生成了較多CaCO3和Ca（OH）2，使透水混凝土水化產(chǎn)物間的密實(shí)度降低。

相比基準(zhǔn)組試件，摻15%礦粉的試件中C-S-H膠凝、AFt晶體和H2O含量較低，Ca（OH）2含量也較低，而CaCO3含量卻降低不明顯。強(qiáng)度相C-S-H膠凝和AFt晶體含量的減少可能是摻15%礦粉的試件抗壓強(qiáng)度增加不明顯的原因之一。此外，相比摻15%粉煤灰的試件和摻8%硅灰的試件，摻15%礦粉的試件中由于礦粉中CaO的含量較高，在水泥水化過程中生成了較多Ca（OH）2，在試件養(yǎng)護(hù)的過程中Ca（OH）2逐漸碳化形成了較多CaCO3，這也可能是造成摻15%礦粉的試件抗壓強(qiáng)度提高不明顯的原因之一。對(duì)于摻15%粉煤灰的試件和摻8%硅灰的試件而言，C-S-H凝膠、AFt晶體和H2O的含量稍有降低，但CaCO3和Ca（OH）2的含量也明顯低于基準(zhǔn)組試件，這表明摻15%粉煤灰的試件和摻8%硅灰的試件中強(qiáng)度相C-S-H凝膠和AFt晶體的相對(duì)含量增加，CaCO3和Ca（OH）2的相對(duì)含量降低。因此相比基準(zhǔn)組試件，摻15%粉煤灰的試件和摻8%硅灰的試件的抗壓強(qiáng)度較高。

2.4 微觀形貌分析

不同礦粉摻量透水混凝土空氣養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)的SEM照片見圖4。

圖4 不同礦粉摻量透水混凝土空氣養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)的SEM照片

由圖4可見，基準(zhǔn)組試件基體表面由密實(shí)的晶體組成，晶體之間分散有較多的氣孔和微裂縫；進(jìn)一步放大可見，水化產(chǎn)物由大量膠凝狀物、片狀Ca（OH）2和針棒狀A(yù)Ft晶體組成，結(jié)合熱重分析曲線推測該膠凝狀物為C-S-H凝膠，它們相互連生、相互膠結(jié)為透水混凝土提供了強(qiáng)度。隨著礦粉摻量由0增加至5%，透水混凝土基體表面微裂縫和氣孔的數(shù)量增加；進(jìn)一步放大可見，基體表面分散有大量C-S-H凝膠、針棒狀A(yù)Ft晶體和較多片狀物，針棒狀晶體尺寸約為10 μm。與基準(zhǔn)組試件相比，水化產(chǎn)物結(jié)晶狀態(tài)較差，結(jié)構(gòu)松散、無序，晶體之間沒有形成連續(xù)的緊密結(jié)構(gòu)，大量片狀物分散在基體表面，破壞了原本密實(shí)的晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)V粉摻量增加至15%，基體表面雖然能看到明顯的氣孔和微裂縫，且表面分散有較多片狀，但水化產(chǎn)物之間結(jié)合緊密，整體結(jié)構(gòu)較為密實(shí)。一方面，礦渣中的活性成分被水泥水化生成的Ca（OH）2激發(fā)生成C-S-H凝膠，水泥相和骨料界面粘結(jié)強(qiáng)度和水泥漿體的孔結(jié)構(gòu)得到改善，提高了透水混凝土的致密性；另一方面，由于體系中較多的CaCO3破壞了原本密實(shí)的晶體結(jié)構(gòu)，引起基體表面氣孔、微裂縫增多、水化產(chǎn)物結(jié)晶度變差等問題，這都有可能是摻加礦粉的透水混凝土抗壓強(qiáng)度增加不明顯的原因?；w表面存在較大的裂縫可能是樣品制備過程中產(chǎn)生的。

不同粉煤灰摻量透水混凝土空氣養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)的SEM照片見圖5。

圖5 不同粉煤灰摻量透水混凝土空氣養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)的SEM照片

由圖4（a）、（d）及圖5可見，隨著粉煤灰摻量由0增加至5%，基體表面氣孔和微裂縫的數(shù)量減少。進(jìn)一步放大可見，基體表面水化產(chǎn)物由大量C-S-H凝膠、針棒狀A(yù)Ft晶體和片狀物組成，針棒狀晶體尺寸約為10 μm，大量針棒狀晶體分散在膠凝狀晶體中，形成了緊密度較高、晶體之間連結(jié)力較強(qiáng)的連續(xù)結(jié)構(gòu)；當(dāng)粉煤灰摻量增加至15%，基體表面氣孔和微裂縫數(shù)量明顯減少，基體表面由大量C-S-H凝膠組成，且分散了較多片狀物，相比粉煤灰摻量為5%的透水混凝土，水化產(chǎn)物結(jié)晶程度更高、結(jié)合程度更高，結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。

不同硅灰摻量透水混凝土養(yǎng)護(hù)28 d的SEM照片見圖6。

圖6 不同硅灰摻量透水混凝土空氣養(yǎng)護(hù)28 d的SEM照片

由圖4（a）、（d）及圖6可見，隨著硅灰摻量由0增加至4%，基體表面氣孔和微裂縫的數(shù)量增加；進(jìn)一步放大可以發(fā)現(xiàn)，硅灰摻量為4%時(shí)透水混凝土的水化產(chǎn)物由C-S-H凝膠和片狀物組成，大量片狀物分散在C-S-H凝膠中，破壞了原本密實(shí)的晶體結(jié)構(gòu)，使得水化產(chǎn)物之間結(jié)合緊密度降低，整體結(jié)構(gòu)較為松散。當(dāng)硅灰摻量增加至8%，基體表面氣孔和微裂縫的數(shù)量減少，分散在基體表面的片狀物也減少，大量C-S-H凝膠結(jié)晶狀態(tài)良好、排列緊密，形成了連續(xù)的緊密結(jié)構(gòu)，相比參照試件水化產(chǎn)物間密實(shí)度增加。這可能是由于硅灰中的活性SiO2與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生二次水化反應(yīng)生成較多C-S-H凝膠。同時(shí)由于硅灰具有較大的比表面積，可以吸附大量的自由水，減少了自由水在集料界面上的聚集，Ca（OH）2的生長也受到限制，晶體生長得到細(xì)化，排列有序，微觀結(jié)構(gòu)得到了改善[9]。

3 結(jié)論

（1）礦粉可以明顯降低透水混凝土的早期（3、7 d）抗壓強(qiáng)度，對(duì)后期強(qiáng)度也有一定的影響作用，但不及早期明顯。強(qiáng)度相C-S-H膠凝和AFt晶體含量的減少、礦粉中CaO水化碳化形成的CaCO3可能破壞了原本密實(shí)的晶體結(jié)構(gòu)，使摻礦粉的透水混凝土抗壓強(qiáng)度增加不明顯。早期對(duì)抗壓強(qiáng)度的降低作用可能是因?yàn)榈V粉的摻入使水泥相凝結(jié)時(shí)間延長而造成水泥相和骨料粘結(jié)不牢固。

（2）粉煤灰可以明顯提高透水混凝土的抗壓強(qiáng)度，且摻量越大，抗壓強(qiáng)度提高越明顯，但對(duì)早期（3 d）抗壓強(qiáng)度有降低作用。強(qiáng)度相AFt晶體和C-S-H凝膠含量的相對(duì)增加、水化產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)的改善使摻粉煤灰的透水混凝土抗壓強(qiáng)度提高。早期對(duì)抗壓強(qiáng)度的降低作用可能是因?yàn)榉勖夯宜俾?、活性低于水泥熟料，粉煤灰取代水泥后，水化反?yīng)速率降低、凝結(jié)時(shí)間延長，因此早期抗壓強(qiáng)度偏低。

（3）隨硅灰摻量的增加，透水混凝土抗壓強(qiáng)度先降低后提高。AFt晶體含量的減少、基體表面較多微裂縫和氣孔以及松散、無序的晶體結(jié)構(gòu)使硅灰摻量較低的透水混凝土抗壓強(qiáng)度較低；C-S-H凝膠和含量AFt晶體的增加、Ca（OH）2和CaCO3含量的降低以及水化產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)的改善使硅灰摻量較高的透水混凝土抗壓強(qiáng)度提高。