礦物摻合料對透水混凝土性能的影響研究進(jìn)展

郭振東，李 峰，高慶力，王耀強

(1.中交路橋建設(shè)有限公司，北京 100027；2.中交瑞通建筑工程有限公司，北京 101102；3.沈陽工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，沈陽 110870)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)的加快，城市建設(shè)用地擴(kuò)張帶來的城市內(nèi)澇和熱島效應(yīng)日益加劇，環(huán)境污染問題已經(jīng)引起了政府部門的高度關(guān)注?！昂＞d城市”的概念也因此提出。透水混凝土作為“海綿城市”建設(shè)中的關(guān)鍵建筑材料，具有減輕城市徑流、改善生態(tài)環(huán)境等作用，因此成為“海綿城市”建設(shè)的重點推廣內(nèi)容。傳統(tǒng)混凝土路面基本不透水，導(dǎo)致地下水得不到補充，同時也造成地表徑流量過大，近些年的城市內(nèi)澇情況明顯增多。透水混凝土路面具有較高的透水性能，有效的減少了城市內(nèi)澇[1]。透水混凝土的內(nèi)部多孔隙結(jié)構(gòu)具有一定的儲熱能力，對于緩解城市熱島效應(yīng)有著顯著的作用[2]。隨著綠色建筑理念的逐步推廣，透水混凝土作為傳統(tǒng)路面的最佳替代材料之一，受到了眾多國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[3]。

目前，對透水混凝土添加外摻材料的研究較多，主要集中在研究礦物摻料、纖維摻料、聚合物類摻料等[4]。不同外摻材料對透水混凝土的各項性影響較大，考慮到不同場所應(yīng)用需求及經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境問題等因素，在透水混凝土中外摻不同材料可以滿足這些要求。鑒于此，該文主要概述了礦物摻合料改性透水混凝土性能的研究成果，總結(jié)了礦物摻合料的作用效果和影響規(guī)律，為工程應(yīng)用礦物摻合料提供理論支持。

1 透水混凝土

透水混凝土(Permeable concrete)是由粗骨料表面包裹的漿體粘結(jié)而成的多孔輕質(zhì)混凝土，可以看作是一種特殊的“骨架-空隙”結(jié)構(gòu)[5]，其孔隙率是透水混凝土的重要指標(biāo)參數(shù)。透水混凝土一般采用單一級配或者間斷級配制備而成，不含細(xì)骨料或者含有較少細(xì)骨料。透水混凝土的這種特殊內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似于蜂窩，蜂窩孔隙使其具有了透水、透氣、吸聲和吸熱等性能[6]。其內(nèi)部大量的孔隙結(jié)構(gòu)使其具有較高的透水特性，但也造成了其強度相比普通混凝土較低，目前透水混凝土多用做道路鋪裝(輕荷載路面為主)。

透水混凝土在美國和日本等一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)形成了商業(yè)化的發(fā)展和應(yīng)用。在全球環(huán)境問題日趨嚴(yán)重的情況下，透水混凝土的應(yīng)用研究也受到越來越多國家的重視。隨著國內(nèi)綠色建筑理念的推廣，有關(guān)透水混凝土的試驗研究已經(jīng)較為豐富[7]。目前研究影響透水混凝土性能方面的因素主要有骨料種類和級配、水膠比、外摻材料、成型方式和養(yǎng)護(hù)方式等[8]。透水混凝土特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式，在荷載作用下更容易破壞，針對透水混凝土的這種劣勢，眾多學(xué)者和科研人員作了大量分析試驗，以制備具有高力學(xué)性能的透水混凝土。在透水混凝土中添加礦物摻合料能夠有效改善其各項性能，同時采用礦物摻合料這種改性方法具有較高的應(yīng)用價值，在實際工程中易于操作完成，是當(dāng)前研究的熱門方向。

2 礦物摻合料對透水混凝土性能的影響

礦物摻合料是一種輔助膠凝材料，在透水混凝土的制備過程中添加部分天然或人工的礦物摻合料，能夠有效提高透水混凝土的各項性能[9]，同時節(jié)省水泥用量，獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

2.1 單摻粉煤灰

作為一種傳統(tǒng)的礦物摻合料，在透水混凝土中添加粉煤灰是十分普遍的。粉煤灰的特性導(dǎo)致其對透水混凝土的早期強度增長效果一般甚至具有不利影響，而對后期強度的增長具有積極作用。這是因為粉煤灰具有的火山灰效應(yīng)能夠降低膠凝材料早期的放熱速率和放熱量[10]，在養(yǎng)護(hù)初期，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的Ca(OH)2并不多，未能完全與粉煤灰中的SiO2和Al2O3等活性物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長水化反應(yīng)產(chǎn)生的Ca(OH)2逐漸增多，粉煤灰與水泥的二次水化反應(yīng)完全，進(jìn)而提高了透水混凝土結(jié)構(gòu)的密實度。

劉肖凡等[11]通過研究發(fā)現(xiàn)對于骨料粒徑為5～10 mm的透水混凝土，當(dāng)粉煤灰摻量為20%時，其60 d抗壓強度相比28 d抗壓強度提高了10.7%，粉煤灰摻量為0時其60 d抗壓強度相比28 d抗壓強度提高了2.1%；吳堃[12]和張炯[13]的試驗表明摻入10%的粉煤灰透水混凝土，在經(jīng)過100～300次凍融循環(huán)后其質(zhì)量損失率和相對動彈模量損失最??；Ramkrishnan[14]研究了添加10%、15%和20%摻量的粉煤灰試驗，發(fā)現(xiàn)透水混凝土的28 d強度相比基準(zhǔn)組的28 d強度均降低且降幅較大，粉煤灰摻量為10%的試件抗壓強度下降了45%，三組不同摻量的粉煤灰試驗組在2%硫酸鹽溶液中浸泡14 d后，其抗壓強度損失率分別為9.1%、13.4%和13.9%，而空白組在相同條件下的抗壓強度損失率為46%；Vieira[15]的研究發(fā)現(xiàn)摻入10%的粉煤灰時透水混凝土28 d抗壓強度下降了25%，抗折強度則提高了32.9%，透水系數(shù)下降37.5%。

2.2 單摻硅灰

在透水混凝土的試驗中，硅灰一般都是按內(nèi)摻法添加，即用部分硅灰替代水泥摻量。同時對于摻硅灰的透水混凝土，其水膠比一般應(yīng)控制在0.30～0.35之間，且需要配合減水劑使用[16]。

蔣勇[17]的研究發(fā)現(xiàn)隨著硅灰摻量的增加，透水混凝土的抗壓強度均是先提高后降低，透水系數(shù)隨著硅灰摻量的增加會逐漸降低；Adil[18]研究了在給定混合物配比和摻合物的劑量下，當(dāng)硅灰摻量在5.5%時可以達(dá)到最佳工作性能,透水混凝土的強度和耐久性能最優(yōu)；許多學(xué)者研究了摻入硅灰的透水混凝土試驗，發(fā)現(xiàn)硅灰的摻入對于提高透水混凝土的強度有著顯著的效果，但隨著硅灰摻量的增加孔隙率會降低，進(jìn)而影響透水系數(shù)。硅灰的火山灰活性促進(jìn)了C-S-H凝膠的產(chǎn)生，減少了透水混凝土的離析和泌水，提高了強度。

2.3 單摻礦渣粉

礦渣粉是一種優(yōu)質(zhì)的礦物摻合料，礦渣粉通常以較大摻量替換水泥制備礦渣水泥膠凝材料，而經(jīng)過磨細(xì)處理后的礦渣粉則具有更高的活性，一般稱為礦粉以較少摻量替換水泥。張亞茹[19]研究發(fā)現(xiàn)礦粉的摻入能夠提高透水混凝土的強度，顯著提高其抗凍性能；王鋼[20]在單摻礦渣粉的試驗中研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)V渣粉摻量為15%時，透水混凝土在75次凍融循環(huán)后其質(zhì)量損失率為2.3%，不摻礦渣粉的對照組的損失率為3.8%。

何松松等人[21]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)V粉摻量為9%時，透水混凝土的抗壓強度相比對照組增加了20.4%，礦粉摻量為11%時的彎拉強度相比對照組增加了29.9%，隨著礦粉摻量的增加透水混凝土的透水系數(shù)逐漸下降；吳慶[22]采用SEM掃描電鏡和XRD圖譜分析發(fā)現(xiàn)礦粉的火山灰反應(yīng)在早期，且其水化反應(yīng)更徹底，使透水混凝土的結(jié)構(gòu)更加密實，進(jìn)而使得透水混凝土的透水性能降低，強度提高。一些研究人員采用大摻量的礦渣粉替換水泥，結(jié)果表明透水混凝土的強度會有所降低，但仍能滿足一定場合的強度要求，大幅度的減少了水泥用量，產(chǎn)生了更高的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

2.4 復(fù)合礦物摻合料

現(xiàn)在除了研究單摻礦物外摻料外，眾多學(xué)者熱衷于研究復(fù)摻礦物材料和其他材料，研究不同礦物摻料之間以及礦物摻料與其他摻料之間的協(xié)同作用，以期達(dá)到更優(yōu)的性能。Elango[23]研究了雙摻粉煤灰和石膏制備透水混凝土，結(jié)果表明雙摻二者能夠提高透水混凝土強度，具有較高經(jīng)濟(jì)效益；Bilal等人[24]研究了雙摻2.6%的硅灰和偏高嶺土，結(jié)果表明二者混合摻入提高了透水混凝土的抗壓強度，且在硝酸銨腐蝕性溶液下抗壓強度損失率最低；荀永寧[25]采用5%摻量的納米SiO2復(fù)配20%摻量的粉煤灰，發(fā)現(xiàn)其抗壓強度能夠達(dá)到33.2 MPa，這是因為不定形的SiO2與水泥發(fā)生火山灰反應(yīng)生成C-S-H凝膠，增強了透水混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)；Lo[26]通過研究復(fù)摻粉煤灰和稻殼灰，結(jié)果表明二者混合摻入有效提高了透水混凝土的抗壓強度，且透水系數(shù)滿足要求。

Ho[27]用礦渣和粉煤灰完全替代水泥作為膠凝材料，結(jié)果表明在礦渣與粉煤灰比例為7∶3時，制備得到的透水混凝土28 d抗壓強度可以達(dá)到水泥透水混凝土抗壓強度的90%，同時具有良好的透水性能；楊艷娟[28]的雙摻粉煤灰和硅灰試驗發(fā)現(xiàn)，在摻料總量不變的情況下，隨著硅灰摻量的增加，透水混凝土的有效孔隙率和抗壓強度均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢；焦凱等[29]研究了在清水、氯鹽和硫酸鹽條件下進(jìn)行凍融循環(huán)試驗，發(fā)現(xiàn)復(fù)摻硅灰和粉煤灰具有更高的抗凍性能，主要是因為礦物摻料的物理形態(tài)是納米微小顆粒，填充了水泥漿體的孔隙，從而提高了抗凍性能；肖力光等[30]用粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉和硅灰一同混合摻入組成復(fù)合膠凝材料，與基準(zhǔn)組相比其抗壓強度提高了43%，抗折強度提高了26%，結(jié)果表明多種礦物復(fù)合摻入對透水混凝土的力學(xué)性能提升顯著。張旭東[31]通過正交試驗研究了在雙摻礦渣和硅灰的條件下，不同因素對其性能的影響，發(fā)現(xiàn)雙摻礦渣和硅灰提高了透水混凝土的強度和透水性能。

3 結(jié)論與展望

a.單摻粉煤灰對提升透水混凝土強度效果較弱，單摻硅灰或礦渣粉對透水混凝土強度提升效果顯著。復(fù)摻礦物摻料、復(fù)摻礦物摻料和其他材料對透水混凝土的強度提升程度不同，單摻礦物摻料存在最佳摻量，復(fù)摻礦物摻料同樣存在最佳摻量和最佳比例；單摻或復(fù)摻礦物摻料均可提高透水混凝土的耐久性能，降低透水混凝土的透水性能，對透水性能的影響主要是考慮摻料的細(xì)度和比表面積，細(xì)度或比表面積越大，對透水性能的影響越顯著。

b.外摻材料對透水混凝土的力學(xué)性能和耐久性能通常是有利影響，對透水性能是不利影響。不同種類的礦物摻合料一般都存在最佳摻量，在最佳摻量條件下，透水混凝土的性能可以達(dá)到最佳，同時也能保證一定的透水性能。

c.目前研究主要集中在單摻某一類材料對透水混凝土的改性，今后研究可將多種不同材料組合添加，以充分利用各種材料的作用，通常外摻材料可以提高透水混凝土的某一項性能，針對不同場合的需求，可以有針對性的組合不同摻料，以達(dá)到預(yù)期目的。

d.對于透水混凝土的耐久性能研究較少，可以增加對耐久性能方面的試驗研究，如耐流水侵蝕試驗、抗硫酸鹽侵蝕試驗、耐磨性試驗、疲勞試驗和抗沖擊試驗等，完善透水混凝土耐久性能的評價與預(yù)測；同時對于耐久性能相關(guān)的試驗多以強度的損失來評價其耐久性能，但對于透水混凝土，還應(yīng)考慮透水性能的變化，所以應(yīng)增加耐久性試驗中透水性能的研究；現(xiàn)階段研究多以單因素為控制變量試驗，但在實際工程情況中，透水混凝土通常受到多因素作用，實驗室研究應(yīng)考慮在多因素條件下的試驗分析。