雙摻粉煤灰和硅灰透水混凝土的試驗(yàn)研究

楊艷娟，王今華，白召軍，馬炎，李建偉，李驍男，辛?xí)员?，張茂?/p>

（河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450002）

0 引 言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化率的不斷提高，城市地表硬化率也隨之急劇增大，當(dāng)短時(shí)間內(nèi)集中降雨量較大時(shí)，雨水不能及時(shí)通過市政管網(wǎng)排入河流便引發(fā)了城市內(nèi)澇，出現(xiàn)“城市看?！钡默F(xiàn)象。2015年10月國(guó)務(wù)院印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見》，提出綜合采取“滲、滯、蓄、凈、用、排”等措施，最大限度地減少城市開發(fā)建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，將70%的降雨就地消納和利用。

透水混凝土作為海綿城市建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)措施之一，其是一種多孔型混凝土，含有少量或不含細(xì)骨料，其主要通過包裹在粗骨料表面的膠凝材料硬化后以點(diǎn)接觸或面接觸形成連續(xù)的膠結(jié)體[1]。因此，透水混凝土孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在大量的連通孔隙。與普通混凝土相比，將其作為路面材料，具有優(yōu)異的透水性和透氣性，在廣場(chǎng)、街道、道路兩側(cè)人行道、公園、停車場(chǎng)等中得到了廣泛應(yīng)用。但由于透水混凝土是一種骨架-孔隙結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度發(fā)展主要依靠集料表面上包裹的膠凝材料之間的點(diǎn)接觸或面接觸，因此如何提高接觸點(diǎn)的強(qiáng)度，是透水混凝土研究的一個(gè)重要方向。Chang J J等[2]研究表明，使用堿礦渣水泥制備的透水混凝土抗壓強(qiáng)度高于電弧熔爐鋼渣水泥制備的透水混凝土。蔣勇等[3]研究發(fā)現(xiàn)，骨料粒徑為5～10 mm，硅灰摻量為15%時(shí)，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度最高。潘杰[4]的研究表明，硅灰摻量為10%時(shí)，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度雖然達(dá)到30 MPa，但透水系數(shù)只有1.0 mm/s。本文研究了粉煤灰和硅灰雙摻對(duì)透水混凝土物理力學(xué)性能等的影響，并通SEM微觀分析，探究了雙摻粉煤灰和硅灰透水混凝土強(qiáng)度的形成機(jī)理，以期為透水混凝土的進(jìn)一步應(yīng)用提供研究基礎(chǔ)。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：天瑞水泥集團(tuán)有限公司產(chǎn)P·O42.5水泥，安定性合格，主要技術(shù)性能見表1；粉煤灰：Ⅱ級(jí)，比表面積310 m2/kg，需水量比108%；硅灰：SiO2含量94.4%，需水量比115%；減水劑：聚羧酸高效減水劑，固含量19%，減水率20%；水：自來水；粗骨料：粒徑5～10 mm，基本技術(shù)性能見表2。

表1 水泥的基本技術(shù)性能

表2 粗骨料的基本技術(shù)性能

1.2 配合比

本次試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)孔隙率固定為20%，水膠比為0.30，研究粉煤灰和硅灰雙摻對(duì)透水混凝土力學(xué)性能、有效孔隙率和透水性能的影響。粉煤灰和硅灰等質(zhì)量替代水泥，減水劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.8%，具體試驗(yàn)配合比如表3所示。

表3 透水混凝土的試驗(yàn)配合比

1.3 試驗(yàn)方法

（1）抗壓強(qiáng)度：按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試透水混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度。

（2）微觀形貌：取28 d抗壓強(qiáng)度測(cè)試后的碎塊作為樣品，用無水乙醇終止水化，采用掃描電鏡（SEM）進(jìn)行觀察分析。

（3）有效孔隙率：采用排水體積法進(jìn)行測(cè)試。

（4）透水系數(shù)：采用常水頭法，按照CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 透水系數(shù)測(cè)試裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粉煤灰和硅灰雙摻對(duì)透水混凝土有效孔隙率的影響

對(duì)于透水混凝土而言，有效孔隙率是其非常重要的參數(shù)，它是衡量透水混凝土高效透水性的基礎(chǔ)。粉煤灰和硅灰雙摻對(duì)透水混凝土有效孔隙率的影響如表4所示。

表4 粉煤灰和硅灰雙摻對(duì)透水混凝土有效孔隙率的影響

由表4可見，在粉煤灰和硅灰總替代量不變的情況下，隨硅灰摻量的增加，雙摻粉煤灰和硅灰的透水混凝土有效孔隙率先增大后減小。粉煤灰摻量為20%、硅灰摻量為5%時(shí)，透水混凝土的有效孔隙率較未摻入摻合料的增大了4.5%；粉煤灰摻量為15%、硅灰摻量為10%時(shí)，透水混凝土的有效孔隙率最大，較未摻摻合料的增大了7.8%；粉煤灰摻量為10%、硅灰摻量為15%時(shí)，透水混凝土的有效孔隙率較未摻入摻合料的增大了6.7%。這是因?yàn)?，粉煤灰和硅灰摻量適宜時(shí)，粉煤灰的微珠效應(yīng)能有改善透水混凝土的工作性，此時(shí)膠凝材料能夠均勻地包裹在骨料的表面，不會(huì)產(chǎn)生離析或者泌水；但隨著硅灰摻量的進(jìn)一步增加，透水混凝土拌合物的工作性能逐漸降低，拌合物開始出現(xiàn)團(tuán)聚，從而導(dǎo)致透水混凝土的有效孔隙率降低。

2.2 粉煤灰和硅灰雙摻對(duì)透水混凝土透水系數(shù)的影響（見表5）

表5 粉煤灰和硅灰雙摻對(duì)透水混凝土透水系數(shù)的影響

由表5可見，在粉煤灰和硅灰總替代量不變的情況下，隨硅灰摻量的增加，雙摻粉煤灰和硅灰的透水混凝土的透水系數(shù)先增大后減小，與有效孔隙率變化一致。粉煤灰摻量為20%、硅灰摻量為5%時(shí)，透水混凝土的透水系數(shù)較未摻入摻合料的增大了22.2%；粉煤灰摻量為15%、硅灰摻量為10%時(shí)，透水混凝土的透水系數(shù)最大，達(dá)到3.1 mm/s，較未摻摻合料的增大了72.2%；粉煤灰摻量為10%、硅灰摻量為15%時(shí)，透水混凝土的透水系數(shù)較未摻入摻合料的增大了50.0%。

2.3 粉煤灰和硅灰雙摻對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響（見表6）

表6 粉煤灰和硅灰雙摻對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由表6可見，在粉煤灰和硅灰總替代量不變的情況下，隨硅灰摻量的增加，雙摻粉煤灰和硅灰的透水混凝土的抗壓強(qiáng)度呈先提高后降低的趨勢(shì)。粉煤灰摻量為20%、硅灰摻量為5%時(shí)，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度較未摻入摻合料的提高了2.3%；粉煤灰摻量為15%、硅灰摻量為10%時(shí)，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度最高，為18.2 MPa，較未摻摻合料的提高了6.4%；粉煤灰摻量為10%、硅灰摻量為15%時(shí)，透水混凝土的透水系數(shù)較未摻入摻合料的提高了4.1%。這是因?yàn)楣杌液头勖夯业募?xì)度較小，可以填充水泥顆粒的堆積空隙，使水泥石的結(jié)構(gòu)更加致密，同時(shí)由于粉煤灰和硅灰的火山灰效應(yīng)，能夠與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)生成硅酸鈣凝膠，增加了水化硅酸鈣的量，同時(shí)減少了氫氧化鈣的量，使水泥石的結(jié)構(gòu)更加致密。但硅灰摻量過高時(shí)，比表面積過大，潤(rùn)濕各顆粒表面所需水量增加，導(dǎo)致水泥水化程度不足，最終導(dǎo)致透水混凝土的強(qiáng)度降低。綜合考慮，當(dāng)硅灰摻量為10%、粉煤灰摻量為15%時(shí)，透水混凝土的性能較佳。

2.4 微觀形貌分析

4組試樣水化28 d齡期的SEM照片見圖2。

圖2 透水混凝土的SEM照片

由圖2可知，未摻粉煤灰和硅灰的透水混凝土，其水泥石中存在較大的孔隙，水泥石中除了有水化硅酸鈣等凝膠外還有低強(qiáng)度的氫氧化鈣；而雙摻粉煤灰和硅灰的透水混凝土水泥石結(jié)構(gòu)致密。隨著硅灰摻量的增加，水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣被二次水化反應(yīng)，骨料的表面進(jìn)一步被致密的水泥石包裹，這樣不僅發(fā)揮了硅灰的早期活性，又利用了粉煤灰對(duì)后期強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，此時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最高；但當(dāng)硅灰摻量超過某一適量范圍后，由于硅灰全部二次水化需要大量的氫氧化鈣，而水泥水化釋放的氫氧化鈣含量又是一定的，所以導(dǎo)致大量的自由水被硅灰所包裹，水泥未能完全水化，從而導(dǎo)致強(qiáng)度下降。

3 結(jié) 論

（1）在粉煤灰和硅灰總替代量不變的情況下，隨著硅灰摻量的增加，雙摻粉煤灰和硅灰透水混凝土的有效孔隙率和透水系數(shù)均先增大后減小，抗壓強(qiáng)度先提高后降低。

（2）雙摻粉煤灰和硅灰的最佳摻量為粉煤灰15%、硅灰10%，此時(shí)制得的透水混凝土抗壓強(qiáng)度為18.2 MPa，透水系數(shù)為3.1 mm/s。

（3）雙摻粉煤灰和硅灰透水混凝土強(qiáng)度增強(qiáng)的機(jī)理是由于硅灰和粉煤灰的火山灰效應(yīng)和微集料效應(yīng)，形成致密的水泥石，致密地包裹在集料的表面，增強(qiáng)了界面的強(qiáng)度，宏觀上表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度的提高。