礦物摻合料透水混凝土微觀結(jié)構(gòu)及性能分析

劉 沛,姚素玲,董憲姝,付元鵬,李德浩

(太原理工大學礦業(yè)工程學院,太原 030024)

0 引 言

近年來,隨著城市化進程的加快,城市道路內(nèi)澇、水資源匱乏以及熱島效應等問題越來越突出,嚴重威脅人們的生活質(zhì)量和健康,“海綿城市”的發(fā)展理念由此被提出。作為“海綿城市”建設(shè)和發(fā)展的組成部分[1],有效孔隙率為15%～35%的透水混凝土,不僅可以起到緩解城市內(nèi)澇,促進雨水充分利用的作用,還可以降低地表溫度,緩解“熱島效應”。透水混凝土與傳統(tǒng)混凝土一樣,主要以水泥為膠凝材料,但是造價比較高,內(nèi)部存在孔隙,抗壓強度較低,所以其推廣應用受到一定的限制。由此,相關(guān)學者提出利用常見的工業(yè)固廢活性摻合料作為膠凝材料取代透水混凝土中的部分水泥,以實現(xiàn)廢物重新利用,緩解環(huán)境壓力,降低成本。

將多種礦物摻合料混合作為膠凝材料代替部分水泥,可以在保證混凝土透水功能的基礎(chǔ)上,改善混凝土性能。夏冬桃等[2]發(fā)現(xiàn)粉煤灰作為膠凝材料摻入透水混凝土雖會降低透水系數(shù)和孔隙率,但是可以提高透水混凝土的后期抗壓強度。周璐等[3]在一定水膠比、孔隙率條件下,用粉煤灰和礦渣等量替代水泥制備混凝土,發(fā)現(xiàn)復摻粉煤灰和礦渣,在降低成本以及提高透水混凝土抗壓強度方面有一定效果。蔣晨輝等[4]研究發(fā)現(xiàn),納米偏高嶺土因具有尺寸效應、填充效應、晶核誘導效應等而被廣泛應用于水泥基膠凝材料。施惠生等[5]指出粉煤灰、礦渣等不同礦物摻合料與水泥的水化活性不同,不同礦物摻合料組合混摻使膠凝材料水化歷程和反應機理復雜程度不同。為了使礦物摻合料更好地發(fā)揮膠凝材料性能,有必要對其水化機理及產(chǎn)物進行更深入的研究。

本文以透水混凝土為基礎(chǔ),通過摻加不同種類及配比的礦物摻合料(粉煤灰、礦渣、偏高嶺土),研究礦物摻合料對透水混凝土力學性能的影響,并且通過XRD、微量熱儀和SEM等分析透水混凝土的水化放熱、水化產(chǎn)物以及微觀結(jié)構(gòu),為礦物摻合料在透水混凝土中的應用推廣提供理論依據(jù)。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥(cement,C),礦物摻合料采用Ⅱ級粉煤灰(fly ash,FA)、S95級粒化高爐礦渣(slag,SL)和偏高嶺土(metakaolin,MK),其主要物理力學性能、礦物參數(shù)組成、主要化學成分見表1～3。粗骨料采用本地連續(xù)級配碎石,粒徑為5～10 mm,堆積密度為1 500 kg/m3,外加劑采用ZJ-PC8020型聚羧酸高效減水劑,試驗用水采用普通自來水。

表1 水泥的主要技術(shù)指標Table 1 Main technical indexes of cement

表2 礦物摻合料的主要技術(shù)指標Table 2 Main technical indexes of mineral admixtures

表3 礦物摻合料的主要化學成分Table 3 Main chemical composition of mineral admixtures

1.2 樣品制備

基于透水混凝土孔隙率的體積法[6]設(shè)計配合比,根據(jù)前期適配工作并結(jié)合文獻[7],采用內(nèi)摻方式,確定水灰比為0.32,減水劑摻量為1%(質(zhì)量分數(shù)),目標孔隙率為16%,各礦物摻合料配比如表4所示。

表4 試驗配比Table 4 Experimental mix proportion

在確定配合比的基礎(chǔ)上,參照《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 135—2009)采用強制式混凝土攪拌,將提前稱量好的粗骨料碎石與計算好的一半用水量放入其中攪拌30 s后,依次加入膠凝材料、外加劑拌合料攪拌40 s,最后加入剩余水攪拌50 s以上,取出混合料,裝入100 mm×100 mm×100 mm模具后錘擊成型,置于溫度為(20±2) ℃的水中養(yǎng)護,一定齡期后取出。

1.3 測試方法

透水混凝土透水系數(shù)測定參照《透水路面磚和透水路面板》(GB/T 25993—2010)進行,采用如圖1所示的實驗室自制裝置測定,該裝置采用亞克力玻璃制成一體式模型,尺寸為100 mm×100 mm×250 mm。通過測量在單位時間內(nèi)透過單位面積的滲透水量,計算透水系數(shù)。有效孔隙率測定采用排水法。

圖1 透水系數(shù)測試裝置Fig.1 Permeability coefficient test device

抗壓強度按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)進行,采用HCT306E型油電混合壓力試驗機進行,測得3個試件的算術(shù)平均值,作為該組試件的抗壓強度值。

采用捷克TESCAN MIRA LMS(分辨率達1.2 nm)進行SEM測試,觀察粗骨料之間硬化膠結(jié)材料的微觀形貌。

采用Mini Flex 600(X-ray diffraction XRD)型X射線衍射儀對透水混凝土研磨成的粉末進行物相分析,測試范圍為0°～80°,掃描速度為6 (°)/min。

水化熱采用C80微量熱儀測定,試驗樣品總質(zhì)量為0.3 g,水灰比為1∶1,測定溫度為30 ℃[8]。

2 結(jié)果與討論

2.1 礦物摻合料對透水混凝土性能的影響

2.1.1 透水性能

水泥體系、礦物摻合料膠凝體系對透水混凝土的28 d孔隙率和透水系數(shù)的影響分別如圖2(a)、(b)所示。

圖2 礦物摻合料對孔隙率和透水系數(shù)的影響Fig.2 Effects of mineral admixtures on porosity and water permeability coefficient

從圖2(a)可以看出,單摻粉煤灰體系(#1、#2、#3)透水混凝土孔隙率和透水系數(shù)隨著粉煤灰摻量增大而降低。與水泥基準組(#0)相比,分別摻10%、15%、20%粉煤灰時,28 d孔隙率分別變化了1.9%、0.6%、8.8%,28 d透水系數(shù)分別變化了4.0%、2.0%、6.3%,可見粉煤灰膠凝體系對透水混凝土的有效孔隙率和透水系數(shù)影響不大。單摻礦渣(#4、#5、#6)與單摻偏高嶺土(#7、#8、#9)體系呈現(xiàn)類似規(guī)律,隨著摻量增大,孔隙率與透水系數(shù)降低,相較水泥基準組,變化幅度較小。

由圖2(b)可知,多摻(復摻及三摻,下同)膠凝體系透水混凝土孔隙率與基準組持平或低于基準組,且透水系數(shù)與孔隙率呈一致趨勢。結(jié)合圖2(a)單摻體系,雖然多摻體系的透水性能下降,但仍大于行業(yè)標準《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T135—2009)中規(guī)定的連續(xù)孔隙率≥10%、透水系數(shù)≥0.5 mm/s的指標。

2.1.2 抗壓強度

圖3(a)～(d)分別是單摻、多摻不同配比礦物摻合料7、14、28 d的透水混凝土抗壓強度變化,其中水泥基準組透水混凝土體系7、14、28 d抗壓強度分別為11.52、13.24、14.45 MPa。

圖3 礦物摻合料對混凝土抗壓強度的影響Fig.3 Effects of mineral admixtures on compressive strength of concrete

從圖3(a)可知,單摻粉煤灰時,7 d透水混凝土的抗壓強度較基準組強度均處于較低水平,抗壓強度均不足10 MPa,因此單摻粉煤灰會降低透水混凝土前期抗壓強度。直至齡期達14、28 d時,透水混凝土的抗壓強度與粉煤灰摻量呈正相關(guān)關(guān)系。從圖3(b)可知,單摻礦渣組抗壓強度變化趨勢與單摻粉煤灰組相似,礦渣前期養(yǎng)護齡期內(nèi)抗壓強度雖低于基準對照組,但比粉煤灰前期強度高,隨著養(yǎng)護齡期延長,抗壓強度逐漸增長。當?shù)V渣摻量為15%、養(yǎng)護齡期為14 d時,透水混凝土的抗壓強度已超過了基準組,且礦渣在水化體系中的微晶核效應加速了水泥的水化作用,在水化前期,一定程度上提高了混凝土強度[9]。從圖3(c)可知,單摻偏高嶺土時,隨著摻量增加,透水混凝土抗壓強度增加,當偏高嶺土摻量為10%時,透水混凝土早期抗壓強度已略高于基準組,這一結(jié)果說明摻入適量偏高嶺土對提升透水混凝土的抗壓強度有利,摻入15%偏高嶺土的透水混凝土28 d強度提高了11%,對透水混凝土抗壓強度影響較為顯著。有研究[10]表明偏高嶺土可以加速水泥水化,在水化反應過程中形成水化鋁酸鈣(C3AH6)與水化鐵酸鈣(CFH),對混凝土的力學性能可以起到提升作用。

從圖3(d)可知,礦物摻合料復摻(#10、#11、#12)時,養(yǎng)護前期強度雖略低于基準組,但仍高于單摻時的強度,養(yǎng)護28 d時抗壓強度分別達到15.84、15.93、16.75 MPa,均高于水泥基準組強度14.45 MPa。相較于單摻礦物摻合料,復摻體系中兩種礦物摻合料的協(xié)同作用使透水混凝土強度較基準組及單摻時得到改善。三摻(#13、#14、#15)時透水混凝土的前期強度已高于同齡期基準組強度,且高于單摻、復摻礦物摻合料透水混凝土強度,當養(yǎng)護齡期達到28 d時,三摻體系透水混凝土強度較水泥基準組分別提高了50%、53%、35%,其對力學性能的改善作用優(yōu)于復摻、單摻體系,尤其當三摻試驗組為#14(粉煤灰15%、礦渣15%、偏高嶺土10%)時,抗壓強度最大,達到22.1 MPa。而在總摻量達到55%(#15)的條件下,透水混凝土抗壓強度雖高于基準組但呈下降趨勢,這說明礦物摻合料摻量超過一定限度時,將會對透水混凝土抗壓強度產(chǎn)生不利影響。這主要是因為隨著礦物摻合料的大量摻入,水泥用量減少,其水化產(chǎn)物Ca(OH)2的含量降低,強度也隨之降低。

2.2 礦物摻合料透水混凝土性能表征

2.2.1 早期放熱分析

圖4是水泥基準組以及力學性能最優(yōu)時單摻與三摻體系早期水化放熱速率曲線。在初始水化期,水泥熟料與水快速反應,在顆粒表面生成水化硅酸鈣(C-S-H)、水化鋁酸鈣(C-A-H)凝膠并向體系釋放Ca(OH)2[11],體系受凝膠包裹影響,水化速率降低,進入誘導期。由圖4也可以看出:水化初始階段反應劇烈,時間較短,隨后反應速度趨緩;在誘導期中,水化進行緩慢,體系逐漸形成C-S-H晶核。礦物摻合料因水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2增多,活性物質(zhì)水化反應受到激發(fā)[12]。

圖4 水泥與不同配比礦物摻合料體系的前期水化放熱曲線Fig.4 Pre-hydration exothermic curves of cement and mineral admixture systems with different proportion

對比#0、#2可知,加入粉煤灰與水泥水化放熱速率曲線相比,水化速率降低,速率峰值時間略延后。周蘭蘭等[13]認為在水化早期,粉煤灰的存在將延緩C3S水化。單摻礦渣(#5)時,水化放熱速率明顯高于水泥和粉煤灰,且達到峰值時間較粉煤灰提前,礦渣活性較粉煤灰高[14],且其活性激發(fā)需要水泥水化產(chǎn)物,所以礦渣水化伴隨著水泥水化反應同時進行,因此礦渣早期抗壓強度也高于粉煤灰。摻入偏高嶺土(#8)的試驗組較水泥基準組及粉煤灰、礦渣試驗組放熱速率均有提高,主要是由于在水泥膠凝材料水化初期,偏高嶺土較粉煤灰、礦渣所含活性Al2O3多,具有較高的火山灰活性,可以加速水泥早期水化[15]。

三摻體系(#14)中礦渣與偏高嶺土所占比例較高,活性物質(zhì)Al2O3含量高,能夠促進熟料水化,因此三摻體系的早期放熱速率較高[16]。

2.2.2 透水混凝土物相分析

XRD可以用來分析透水混凝土水化反應后的物相變化,定性分析礦物摻合料加入透水混凝土后的水化反應?；诳箟簭姸仍囼灲Y(jié)果,選取#0、#2、#5、#8、#14試樣不同齡期水化產(chǎn)物的XRD譜,見圖5。

圖5 不同礦物摻合料透水混凝土的XRD譜Fig.5 XRD patterns of pervious concrete with different mineral admixtures

從圖5可知,不同齡期試樣水化產(chǎn)物基本一致,主要水化產(chǎn)物為水化硅酸鈣(C-S-H)和Ca(OH)2。因#2、#5、#8、#14摻有礦物摻合料,鈣礬石(AFt)和Ca(OH)2特征峰較#0明顯。由于粉煤灰在水化前期水化較慢,水化產(chǎn)物較少,相比于其他樣品特征峰, #2試樣的C-S-H特征峰較低,與抗壓強度結(jié)果一致。同時,在水化過程中,礦物摻合料中活性SiO2和Al2O3與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生反應促進C-S-H等水化產(chǎn)物生成[17],#2試樣中,石英的特征峰較明顯,也表明粉煤灰前期火山灰效應較弱;與之對比,偏高嶺土、礦渣火山灰反應早于粉煤灰,宏觀上早期抗壓強度較粉煤灰高。隨水化時間延長,如圖5(b)所示, 28 d 較對應的7 d試樣 C-S-H和Ca(OH)2特征峰增強,這是因為樣品水化反應持續(xù)進行,水化產(chǎn)物增多,抗壓強度也高于7 d抗壓強度;#14樣品水化產(chǎn)物Ca(OH)2特征峰最高,結(jié)晶度較高,結(jié)合前述抗壓強度試驗數(shù)據(jù),其抗壓強度也較高。而粉煤灰在24°左右的特征峰降低,表明粉煤灰中的活性成分SiO2和Al2O3被水泥生成的Ca(OH)2激發(fā),生成了C-S-H凝膠[18],從水化產(chǎn)物角度分析,這也是混凝土后期強度升高的原因。

2.2.3 透水混凝土微觀形貌分析

三種礦物摻合料對透水混凝土28 d養(yǎng)護齡期抗壓強度影響程度不同,由此研究了礦物摻合料透水混凝土的水化產(chǎn)物微觀形貌和結(jié)構(gòu)特征,SEM照片如圖6所示。

圖6 透水混凝土水化28 d的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of pervious concrete hydrated at 28 d

水泥基準組(#0)透水混凝土水化程度處于偏低水平,在其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中,不僅存在較大的孔隙,而且存在片層狀Ca(OH)2晶體和較多的鈣礬石晶體,對透水混凝土強度不利,與XRD結(jié)果一致。單摻粉煤灰組(#2),呈現(xiàn)出較為疏松的狀態(tài),孔隙也相對偏大,并且在晶粒周圍還存在著少量絮狀凝膠產(chǎn)物,形成此狀態(tài)的主要原因是,在反應早期,粉煤灰表面的硅以及水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2的活性并沒有完全被激發(fā)出來[18],故凝膠產(chǎn)物產(chǎn)量偏低,直接影響孔隙的填充效果,在反應后期,粉煤灰水化消耗大量Ca(OH)2,此時整體結(jié)構(gòu)較為致密,這種差異也導致單摻粉煤灰試樣的后期抗壓強度高于其他單摻試樣。當在試樣中摻入礦粉(#5)時,透水混凝土基體表面的細小裂縫與氣孔的數(shù)量也隨之增加,此時,大量C-S-H凝膠分布于基體表面,改善了宏觀性能。而在摻入偏高嶺土(#8)后基體表面分布著較多的針棒狀鈣礬石,C-S-H凝膠顆粒的粒徑有所減小,顆粒之間的邊界也更加明顯,形貌變得規(guī)則,水化產(chǎn)物之間形成網(wǎng)狀組織結(jié)構(gòu),部分膠凝產(chǎn)物填充于晶體骨架,Ca(OH)2晶體含量相對基準組大大減少。形成該狀態(tài)的主要原因是:偏高嶺土的火山灰活性高,早期階段不僅能促進硅酸三鈣的水化,還能吸收水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2,C-S-H凝膠的產(chǎn)生進一步增加了混凝土試件的力學性能;此外,在養(yǎng)護28 d后的摻量為10%的偏高嶺土試樣結(jié)構(gòu)中仍可看到絮狀的未水化的顆粒,說明在水化后期,偏高嶺土仍能發(fā)揮火山灰效應。

由抗壓強度試驗結(jié)果可知,三摻礦物摻合料試塊的28 d力學性能優(yōu)于單摻時的力學性能,從圖6(#14)可以看出透水混凝土體系的孔隙變小,結(jié)構(gòu)較基準組、單摻礦物摻合料更加緊密,三摻(#14)體系中有大量片狀單硫型水化硫鋁酸鈣[11],水化比較完全,透水混凝土強度得到提升。

3 結(jié) 論

1)水泥體系透水性能較好,單摻體系透水性能與水泥體系基本持平,多摻體系透水性能略低于水泥、單摻體系,但是仍滿足行業(yè)標準。

2)水泥體系透水混凝土28 d抗壓強度為14.45 MPa;單摻粉煤灰體系透水混凝土的前期抗壓強度較低,后期抗壓強度提高,摻量為20%時,28 d抗壓強度為16.93 MPa;單摻礦渣與偏高嶺土體系透水混凝土28 d抗壓強度高于水泥體系;復摻與三摻體系抗壓強度較水泥體系、單摻體系均有所提高,且三摻體系(粉煤灰15%、礦渣15%、偏高嶺土10%)的28 d力學性能較單摻、復摻時有所提高,可達22.1 MPa。

3)單摻體系中,摻入粉煤灰體系的水化放熱速率降低,相較基準組水化放熱特征峰出現(xiàn)時間延后,而礦渣、偏高嶺土的摻入使膠凝體系水化放熱速率高于基準組。三摻體系膠凝材料水化放熱速率高于基準組和單摻體系,可知多種礦物摻合料配合作用提高了膠凝體系水化放熱速率。

4)礦粉、偏高嶺土的火山灰效應發(fā)生在早期,粉煤灰的火山灰效應發(fā)生在后期,三摻時Ca(OH)2晶體明顯減少,水化產(chǎn)物能夠很好地填充且硬化漿體結(jié)構(gòu),孔隙減小,這有利于增強透水混凝土宏觀力學性能。