硅灰-粉煤灰-廢石粉對(duì)透水混凝土性能的影響

陳 平, 劉中原a, 劉榮進(jìn), 周勝波, 鮑偉平a

(1.桂林理工大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院; b.廣西工業(yè)廢渣建材資源利用工程技術(shù)研究中心,廣西 桂林 541004; 2.廣西交通科學(xué)研究院有限公司, 南寧 530007)

0 引 言

混凝土具有原料易得、 經(jīng)濟(jì)性好、 易施工等特點(diǎn), 作為基礎(chǔ)建設(shè)材料廣泛應(yīng)用于交通、 建筑、 市政、 橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。傳統(tǒng)混凝土大量作為城市路面結(jié)構(gòu)材料, 結(jié)構(gòu)密實(shí), 但其無(wú)連通孔， 自然降水無(wú)法有效滲入地下, 嚴(yán)重影響了雨水的有效利用[1-2], 導(dǎo)致使用混凝土路面的城市中心溫度普遍高于周圍自然環(huán)境, 是形成“熱島效應(yīng)”的重要因素之一[2-3]。

透水混凝土是一種具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)，具有透氣、 透水特性的特種混凝土, 目前已廣泛應(yīng)用于道路工程。透水混凝土具有較高孔隙率, 這賦予其良好的滲透性能。借助連通孔隙形成的滲透通道, 雨水可以從地表就近滲透進(jìn)入地下土壤, 而且地面熱空氣和地下土壤可以進(jìn)行充分的熱交換, 從而降低地面溫度, 有效緩解“熱島效應(yīng)”[4]。透水混凝土由粗骨料和水泥等材料組成, 而水泥價(jià)格相對(duì)較高, 因此， 為調(diào)節(jié)透水混凝土的工作性, 通常采用一些性質(zhì)相近的摻合料代替水泥。目前, 硅灰、 粉煤灰、廢渣等作摻合料在水泥混凝土中研究廣泛[5-6], 在透水混凝土中的應(yīng)用已十分成熟, 并取得了一系列成果。

近年來(lái)， 國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)透水混凝土展開了大量的研究: 程娟等[7]以水膠比0.23、 設(shè)計(jì)孔隙率20%, 用粉煤灰和礦渣等量替代水泥制備混凝土, 研究表明雙摻粉煤灰和礦渣, 不僅能夠降低成本, 而且可以提高透水混凝土的抗壓強(qiáng)度； 張艷娟等[8]對(duì)透水混凝土進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究, 發(fā)現(xiàn)利用15%粉煤灰和5%硅灰等量替代水泥制備出性能良好的透水磚, 設(shè)計(jì)的透水磚透水系數(shù)達(dá)到1.18～160 mm/s, 抗壓強(qiáng)度超過了30 MPa； 村岸祐輔等[9]從環(huán)保角度出發(fā)用粉煤灰代替水泥配制透水混凝土, 認(rèn)為只要養(yǎng)護(hù)得當(dāng), 粉煤灰將會(huì)使結(jié)構(gòu)更加密實(shí), 并有助于后期強(qiáng)度的發(fā)展; Zerdi等[10]統(tǒng)一用10%的粉煤灰代替不同配合比下的水泥配置透水混凝土, 發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度高于相同配合比未摻粉煤灰的透水混凝土; Ramadhansyah等[11]與Yusak等[12]認(rèn)為傳統(tǒng)的透水混凝土路面不具有良好的強(qiáng)度, 而摻入納米材料二氧化硅將有助于改善透水混凝土路面的物理和化學(xué)性能; Mohd Ibrahim等[13]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 在水泥漿與砂漿中摻入適當(dāng)比例的納米二氧化硅不但可以改善兩者的力學(xué)性能, 而且可以改善骨料與水泥漿體間的界面性能; 付放華等[14]發(fā)現(xiàn)摻入硅灰對(duì)透水混凝土強(qiáng)度起到很好的增強(qiáng)作用, 但硅灰摻量并非越大越好。

隨著石材產(chǎn)量的增大, 產(chǎn)生的廢石粉逐年增加, 大量廢石粉無(wú)法得到充分利用。由于廢石粉顆粒較細(xì), 會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞, 從根本上解決廢石粉污染是目前廢石粉處理的重要問題?；炷林欣霉腆w廢棄物能夠有效節(jié)約資源, 保護(hù)環(huán)境, 創(chuàng)建環(huán)境友好型社會(huì)。廢石粉作摻合料在透水混凝土中應(yīng)用研究相對(duì)較少。本文利用桂林當(dāng)?shù)氐膹U石粉, 開發(fā)力學(xué)性能、 透水性能和工作性能良好的透水混凝土, 探討了在透水混凝土體系中, 采用硅灰-粉煤灰-廢石粉三元復(fù)合體系對(duì)透水混凝土漿體流動(dòng)度、 抗壓強(qiáng)度、 透水系數(shù)的影響， 以期有效改善廢石粉對(duì)空氣環(huán)境的污染, 為廢石粉資源化利用提供了新的思路, 為工程實(shí)踐提供參考。

1 試驗(yàn)原材料與方法

1.1 原材料

海螺水泥: P·O 42.5, 密度3.01 g/cm3, 比表面積為387 m2/kg； 硅灰: 平均粒徑0.1～0.3 μm, 比表面積15 000～20 000 m2/kg； 粉煤灰: Ⅱ級(jí)粉煤灰, 比表面積361 m2/kg, 密度2.35 g/cm3； 廢石粉: 取自桂林兆圓混凝土有限公司, 通過200目(0.075 mm)方孔篩, 密度為2.76 g/cm3。以上4種材料的化學(xué)成分見表1。 粗骨料: 粒徑5～10 mm, 堆積密度為1 560 kg/m3, 堆積孔隙率為41%。減水劑: 高效減水劑PCA4?-Ⅰ, 產(chǎn)自江蘇蘇博特新材料股份有限公司, 固含量10%, 減水率26%～28%。

表1 膠凝材料化學(xué)成分

從圖1a可以看到， 粉煤灰含有大量的球形微珠, 這些玻璃微珠可以填充在漿體和集料之間起到潤(rùn)滑作用, 因此摻加粉煤灰后對(duì)流動(dòng)性有提升作用[15]。從圖1b可以看出， 廢石粉的粉末粒徑大小不一, 形狀不規(guī)則, 能夠很好地填充骨料與漿體之間的孔隙, 改善透水混凝土的顆粒級(jí)配。

圖1 粉煤灰(a)和廢石粉(b)SEM圖

1.2 試驗(yàn)方法

按質(zhì)量比計(jì)算不同摻量硅灰、 粉煤灰、 廢石粉等量代替水泥, 研究三元復(fù)合體系不同摻量對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度、 透水系數(shù)、 砂漿流動(dòng)度的影響。參照《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 135—2009)設(shè)計(jì)配合比與混凝土的攪拌方式, 采用強(qiáng)制式攪拌機(jī), 將稱量好的碎石和50%用量水加入攪拌機(jī)拌合30 s, 再加入水泥、 摻和料、 外加劑拌合40 s, 最后加入剩余用量水拌合50 s以上, 錘擊成型, 將成型試塊放入溫度為(20±2)℃、 濕度為95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù), 一定齡期后取出測(cè)試其性能。力學(xué)性能檢驗(yàn)參照《普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50081—2002)進(jìn)行, 檢測(cè)儀器: DYE-2000型數(shù)字壓力試驗(yàn)機(jī)與100 mm×100 mm×100 mm模具, 壓力機(jī)精度不低于2%。砂漿流動(dòng)度測(cè)試方法參照《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》(GB/T 2419—2005)進(jìn)行, 測(cè)試儀器: NL-3型水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定儀, 使用跳桌法測(cè)定, 跳桌運(yùn)行25 s即跳25下, 再用直尺量?jī)蓚€(gè)互成90°方向漿體的長(zhǎng)度, 取平均值。根據(jù)《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 135—2009)測(cè)定透水系數(shù)， 并制作相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置， 把制備好的100 mm×100 mm×100 mm的試塊用薄膜與正方型管子連接, 保證密封性, 調(diào)節(jié)正方形管里的液面比水槽的液面高150 mm, 觀察出水口水量大小, 當(dāng)水量大小基本不變時(shí), 開始計(jì)時(shí), 在這個(gè)時(shí)間段, 保持出水速度不變, 測(cè)試30 s。計(jì)算透水系數(shù)P=V/(St)×103, mm/s; 其中：V—水的體積, mm3;S—混凝土面積, mm2;t—時(shí)間, s。 具體試驗(yàn)過程見圖2。

圖2 透水混凝土制作及測(cè)試過程

2 結(jié)果與討論

2.1 單摻硅灰對(duì)透水混凝土性能的影響

根據(jù)前期試配結(jié)果選取最佳基準(zhǔn)配合比為: 孔隙率20%, 水膠比0.23, 減水劑摻量1.8%, 錘擊成型, 帶模養(yǎng)護(hù), 7 d拆模, 養(yǎng)護(hù)條件(20±2) ℃, 濕度95%以上。在前期對(duì)摻合料研究的基礎(chǔ)上, 選取硅灰摻量為水泥質(zhì)量的2%、 4%、 6%、 8%等質(zhì)量替代水泥， 尋求最佳基準(zhǔn)配合比, 1 m3透水混凝土配合比為水泥350 kg, 粗骨料1 530 kg, 水80.5 kg, 減水劑6.3 kg。

據(jù)圖3a可知, 隨著硅灰摻量的增加, 砂漿流動(dòng)度先增加后減小, 透水系數(shù)先減小后增大。 在硅灰摻量小于4%時(shí), 硅灰起著良好的填充作用, 優(yōu)化了顆粒級(jí)配, 砂漿流動(dòng)度增加, 可使透水混凝土更加密實(shí), 此時(shí)透水系數(shù)逐漸降低。當(dāng)硅灰摻量超過4%到6%時(shí), 砂漿流動(dòng)度急劇減小, 主要原因是硅灰的摻量增大, 對(duì)砂漿的填充作用已飽和, 降低了砂漿流動(dòng)度, 此時(shí)透水系數(shù)急劇增加。當(dāng)硅灰摻量從6%增加到8%時(shí), 砂漿流動(dòng)度降低放緩, 透水系數(shù)增加也隨之放緩。由此可以看出砂漿流動(dòng)度與透水系數(shù)呈負(fù)相關(guān)。由圖3b可知, 當(dāng)硅灰摻量從4%增加至6%時(shí), 漿體與骨料結(jié)合較好, 7、 28 d透水混凝土抗壓強(qiáng)度都有不同程度提高, 當(dāng)硅灰摻量大于6%時(shí), 透水混凝土強(qiáng)度不再增加。綜合硅灰對(duì)砂漿流動(dòng)度、 透水混凝土抗壓強(qiáng)度與透水系數(shù)的影響, 建議在生產(chǎn)過程中硅灰摻量控制在6%左右。

圖3 硅灰摻量對(duì)砂漿流動(dòng)度和透水系數(shù)(a)以及混凝土抗壓強(qiáng)度(b)的影響

2.2 單摻粉煤灰對(duì)透水混凝土性能的影響

保持最佳基準(zhǔn)配合比不變, 研究粉煤灰摻量對(duì)砂漿和透水混凝土性能的影響, 選取粉煤灰摻量為水泥質(zhì)量的5%、 10%、 15%、 20%等質(zhì)量替代水泥, 1 m3透水混凝土配合比為水泥350 kg, 粗骨料1 530 kg, 水80.5 kg, 減水劑6.3 kg。

由圖4a可知, 隨著粉煤灰摻量的增加, 砂漿流動(dòng)度不斷增加, 透水系數(shù)則不斷減小。這是因?yàn)榉勖夯壹?xì)粉末一部分呈球形, 表面光滑, 起到滾珠作用, 減小漿體之間的摩擦力, 極大提高了砂漿流動(dòng)度。流動(dòng)度增大使?jié){體分布不均勻, 透水混凝土密實(shí)性增加, 極大影響了透水混凝土的透水性能。

由圖4b可知, 隨著粉煤灰摻量的增加, 透水混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸降低。這是因?yàn)榉勖夯仪捌诜磻?yīng)主要依靠水泥水化前期產(chǎn)生的Ca(OH)2, 由于水泥水化早期產(chǎn)生的Ca(OH)2較少, 不足以讓粉煤灰完全反應(yīng), 粉煤灰摻量越大, 本身活性發(fā)揮越不完全, 導(dǎo)致透水混凝土7、 28 d抗壓強(qiáng)度有不同程度的降低。綜合粉煤灰對(duì)砂漿流動(dòng)度、 透水混凝土抗壓強(qiáng)度與透水系數(shù)的影響, 建議在生產(chǎn)過程中粉煤灰摻量控制在10%左右。

圖4 粉煤灰摻量對(duì)砂漿流動(dòng)度和透水系數(shù)(a)以及混凝土抗壓強(qiáng)度(b)的影響

2.3 單摻廢石粉對(duì)透水混凝土的影響

保持最佳基準(zhǔn)配合比不變, 研究廢石粉摻量對(duì)砂漿和透水混凝土性能的影響, 選取廢石粉摻量為水泥質(zhì)量的5%、 10%、 15%、 20%等質(zhì)量替代水泥, 1 m3透水混凝土配合比為水泥350 kg, 粗骨料1 530 kg, 水80.5 kg, 減水劑6.3 kg。

如圖5a所示, 隨著廢石粉摻量的增加, 砂漿流動(dòng)度不斷增加, 透水系數(shù)不斷減小。 在廢石粉摻量為20%時(shí), 流動(dòng)度達(dá)到210 mm, 這是因?yàn)閺U石粉不僅有減水的作用, 而且具有很好的分散效果, 使得漿體內(nèi)部水分均勻分布, 大大增加了砂漿流動(dòng)度, 流動(dòng)度增加會(huì)導(dǎo)致透水混凝土密實(shí)性增加, 透水系數(shù)不斷減小, 此時(shí)的透水系數(shù)為0.3 mm/s, 說明此時(shí)透水混凝土的有效孔隙部分被堵。

圖5 廢石粉摻量對(duì)砂漿流動(dòng)度、 透水系數(shù)(a)以及混凝土抗壓強(qiáng)度(b)的影響

如圖5b所示, 隨著廢石粉的增加, 透水混凝土7、 28 d抗壓強(qiáng)度先增加后減小, 摻量為10%與15%時(shí), 同一齡期的透水混凝土抗壓強(qiáng)度差別不大, 當(dāng)摻量超過15%時(shí), 由于砂漿流動(dòng)度太大, 漿體容易流到透水混凝土底部, 漿體分布不均, 造成混凝土強(qiáng)度降低。

2.4 硅灰粉煤灰廢石粉對(duì)透水混凝土的影響

硅灰、 粉煤灰、 廢石粉三摻膠凝體系配合比及測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 硅灰-粉煤灰-廢石粉三摻制備透水混凝土的配合比及試驗(yàn)結(jié)果

可以看出, 綜合砂漿流動(dòng)度、 抗壓強(qiáng)度與透水系數(shù)來(lái)看, 當(dāng)摻6%硅灰、 10%粉煤灰、 10%廢石粉三元復(fù)摻時(shí)透水混凝土工作性與強(qiáng)度達(dá)到最好。

從圖6a可見， 6%硅灰、 10%粉煤灰、 10%廢石粉三元復(fù)合體系制備的透水混凝土, 7 d主要水化產(chǎn)物有水化硅酸鈣凝膠與少量板狀氫氧化鈣, 此外， 大部分粉煤灰玻璃微珠已經(jīng)溶解, 只有少部分的粉煤灰玻璃微珠未被溶解, 粉煤灰粉末起到很好的填充作用。從圖6b可以看出， 三元復(fù)摻制備的透水混凝土28 d主要水化產(chǎn)物有水化硅酸鈣凝膠和板狀氫氧化鈣, 還有少量針狀鈣礬石, 各水化產(chǎn)物之間連接較好, 水化比較充分, 孔隙小, 且填充更密實(shí)。

圖6 摻6%硅灰、 10%粉煤灰、 10%廢石粉透水混凝土7 d(a)、 28 d(b)水化SEM圖像

3 結(jié) 論

(1)隨著廢石粉摻量的增加, 砂漿流動(dòng)度增加比較明顯, 透水混凝土的抗壓強(qiáng)度先增加后減少,透水系數(shù)一直減小, 在摻量為15%時(shí)強(qiáng)度最高, 由于廢石粉對(duì)漿體流動(dòng)度的影響較大, 建議在實(shí)際生產(chǎn)過程中綜合各方面因素, 單摻時(shí)摻量應(yīng)控制在10%以內(nèi)。

(2)摻6%硅灰、 10%粉煤灰、 10%廢石粉的透水混凝土砂漿流動(dòng)度達(dá)到162 mm, 7、 28 d強(qiáng)度分別達(dá)到了24.1、 38.4 MPa, 透水系數(shù)達(dá)到4.4 mm/s, 三者復(fù)摻時(shí)強(qiáng)度均優(yōu)于單摻, 各項(xiàng)性能滿足透水混凝土的標(biāo)準(zhǔn)。

(3)用SEM分析三元復(fù)摻透水混凝土水化產(chǎn)物, 從微觀角度看出制備的透水混凝土水化7 d的主要水化產(chǎn)物有水化硅酸鈣凝膠, 還有少量板狀氫氧化鈣, 水化產(chǎn)物發(fā)育較好, 漿體水化較完全, 強(qiáng)度提升。