堿激發(fā)礦渣－赤泥新型低碳透水混凝土性能研究

吳敏　王晨　王安輝　段偉　張潔雅　董曉強(qiáng)

摘 要：以粒化高爐礦渣與拜耳法赤泥兩種工業(yè)固廢作為膠凝材料，硅酸鈉溶液作為堿激發(fā)劑，石灰?guī)r碎石作為粗骨料，制備透水混凝土，研究了設(shè)計孔隙率、水膠比與骨料粒徑對透水混凝土強(qiáng)度與透水性能的影響。結(jié)果表明：隨設(shè)計孔隙率增大，試樣的強(qiáng)度逐漸減小，但透水性能逐漸增強(qiáng)。最優(yōu)水膠比受設(shè)計孔隙率和骨料粒徑的影響，當(dāng)透水混凝土設(shè)計孔隙率為１５％、骨料粒徑為４．７５～９．５０ ｍｍ 時，最優(yōu)水膠比為０．３６，其強(qiáng)度較高且具有良好的透水性能。堿礦渣－赤泥透水混凝土的力學(xué)與透水性能均優(yōu)于水泥透水混凝土，符合低碳綠色的發(fā)展理念。

關(guān)鍵詞：透水混凝土；赤泥；礦渣；設(shè)計孔隙率；水膠比；骨料粒徑

中圖分類號：ＴＵ５０２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０４．０２５

引用格式：吳敏，王晨，王安輝，等．堿激發(fā)礦渣－赤泥新型低碳透水混凝土性能研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（４）：１４８－１５２．

０ 引言

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市內(nèi)澇、水污染和城市熱島效應(yīng)等問題日益凸顯［１－２］ 。我國政府和學(xué)者提出以“海綿城市”建設(shè)來緩解上述問題，透水混凝土作為其建設(shè)的關(guān)鍵材料逐漸被重視起來［３］ 。

目前，透水混凝土已經(jīng)廣泛應(yīng)用于道路及市政工程中，用于路面材料時，能夠補(bǔ)充地下水資源，恢復(fù)土壤蓄水、滲水的功能，同時能夠降低城市的排水壓力，有效地調(diào)節(jié)城市地表的濕度和溫度，極大地緩解熱島效應(yīng)［４］ ；用作透水混凝土樁時，能夠加快超靜孔隙水壓力消散，減輕擠土效應(yīng)，提高地基抗震性能，防止地基液化［５］ 。但是目前透水混凝土中的膠凝材料主要采用水泥，而水泥作為膠凝材料其凝結(jié)硬化后強(qiáng)度偏低，另外，水泥在生產(chǎn)過程中消耗大量的化石能源和自然資源，排放大量ＣＯ２并污染環(huán)境，極大地限制了其廣泛應(yīng)用與綠色低碳發(fā)展［６］ 。

大量研究表明：赤泥、礦渣、粉煤灰等工業(yè)固廢在堿激發(fā)作用下可以發(fā)揮其較高的活性，并具有強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)［７］ ，可以替代水泥作為新的膠凝材料，受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Ｔｈｏ－Ｉｎ 等［８］利用堿激發(fā)粉煤灰作為膠凝材料制備出力學(xué)性能良好的透水混凝土。Ｓｕｎ 等［９］ 利用堿激發(fā)礦渣、偏高嶺土作為膠凝材料制作透水混凝土，進(jìn)行了骨料粒徑對透水混凝土抗壓強(qiáng)度及透水性能的影響與微觀機(jī)理的研究。邊偉等［１０］ 利用礦渣和粉煤灰作為膠凝材料，系統(tǒng)地研究了漿體層厚度、固液比對于透水混凝土強(qiáng)度以及透水性能的影響，并且評價了其長期耐久性能。孫科科等［１１］ 利用堿激發(fā)偏高嶺土制備透水混凝土，研究了ＳｉＯ２ ／ Ａｌ２Ｏ３、Ｎａ２Ｏ／ Ａｌ２Ｏ３和Ｈ２ Ｏ／ Ｎａ２ Ｏ 的物質(zhì)量比對透水混凝土抗凍性能的影響。上述研究表明，堿激發(fā)礦渣強(qiáng)度較高，但是體系凝結(jié)時間相對較短，極大限制了其使用與發(fā)展。摻入工業(yè)固廢赤泥后，能夠極大地改善了膠凝材料的工作性能，是水泥的良好替代品［１２－１３］ 。

本研究將拜耳法赤泥和礦渣作為膠凝材料、水玻璃作為激發(fā)劑來制作透水混凝土，系統(tǒng)地研究了透水混凝土力學(xué)與透水性能，以期為堿礦渣和赤泥作為膠凝材料來制作透水混凝土提供技術(shù)支持。

１ 原材料和試驗方法

１．１ 原材料

水泥為Ｐ·Ｏ ４２．５ 水泥，礦渣采用Ｓ９５ 礦渣，赤泥選自山西孝義市某鋁廠，性能指標(biāo)見表１。粗骨料為３種不同級配的石灰?guī)r碎石，基本性能指標(biāo)見表２，堿激發(fā)劑為水玻璃（模數(shù)為２．２３，產(chǎn)自河南某公司，Ｎａ２ Ｏ·２．２３ＳｉＯ２），利用ＮａＯＨ 進(jìn)行模數(shù)調(diào)配。

１．２ 試驗方案

主要研究設(shè)計孔隙率（ｅ）、水膠比（ｃ）與骨料粒徑（ＰＳ）對透水混凝土強(qiáng)度、透水性能的影響。３ 種變量的具體參數(shù)見表３。

１．３ 試樣制備

經(jīng)預(yù)實驗分析及參考已有研究結(jié)果，膠凝材料中赤泥與礦渣比例設(shè)置為３ ∶ ７，水玻璃模數(shù)為２．０，水玻璃摻量為５％［１４］ 。首先，將水玻璃倒入水中攪拌均勻；其次，將粗骨料和５０％的水玻璃溶液加入攪拌機(jī)中，攪拌３０ ｓ，使得粗骨料表面充分浸濕，倒入赤泥和礦渣，攪拌９０ ｓ，使膠凝材料均勻包裹石子；最后，將剩余的水玻璃溶液加入攪拌機(jī)中，繼續(xù)攪拌９０ ｓ，稱取混合料分別裝入１００ ｍｍ×１００ ｍｍ×１００ ｍｍ 的方形模具與Φ１００ ｍｍ×Ｈ５０ ｍｍ 的圓柱形模具中，插搗成型。在試塊表面覆蓋一層塑料薄膜養(yǎng)護(hù)２４ ｈ 后拆模。將試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中，養(yǎng)護(hù)２８ ｄ。

２ 試驗方法

參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（ＧＢ／Ｔ ５００８１—２０１９）［１５］ 進(jìn)行力學(xué)性能測試，參照《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》（ＣＪＪ／ Ｔ １３５—２００９）［１６］ 規(guī)定的方法進(jìn)行透水性能測試。將試樣置于有機(jī)玻璃套筒中間位置，測試前須將試塊充分飽水，通過在試塊側(cè)壁涂抹凡士林，然后敷上橡膠墊層，防止試塊邊緣漏水，試樣及測試儀器如圖１ 所示。

３ 試驗結(jié)果與分析

３．１ 力學(xué)性能

３．１．１ 設(shè)計孔隙率對透水混凝土強(qiáng)度的影響

當(dāng)ＰＳ 為４．７５～９．５０ ｍｍ 時，ｅ 對透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見圖２。

由圖２ 可知，隨著ｅ 的增大，透水混凝土的強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)ｅ 為１０％時，不同ｃ（０．３２、０．３４、０．３６、０．３８）值情況下，透水混凝土的強(qiáng)度達(dá)到最高，分別為２３．１、２４．７、２０．８、１８．６ ＭＰａ。其原因可能是在利用體積法進(jìn)行配合比計算時，利用粗骨料緊密堆積密度確定其單位體積的用量，即通過改變膠凝材料用量來改變透水混凝土的設(shè)計孔隙率，當(dāng)ｅ 為１０％時，膠凝材料用量較多，漿體層較厚，粗骨料之間的接觸面積較大［見圖３（ａ）］，使得其機(jī)械咬合力和摩擦力增大，因此其強(qiáng)度較高。隨著透水混凝土ｅ 增大，膠凝材料用量變少，骨料之間的接觸面積變?。垡妶D３（ｂ）］，當(dāng)ｅ 為２５％時，骨料間的接觸近似點(diǎn)與點(diǎn)接觸，其內(nèi)部形成大量的薄弱面，易導(dǎo)致應(yīng)力集中，因此其強(qiáng)度較低，分別為５．９、６．５、７．９、８．８ ＭＰａ。

３．１．２ 水膠比對透水混凝土強(qiáng)度的影響

當(dāng)ＰＳ 為４．７５～９．５０ ｍｍ 時，ｃ 對透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見圖４。從圖４ 可以看出ｃ 對于透水混凝土力學(xué)性能的影響不同于普通混凝土。隨著ｃ 的增大，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢，存在一個最佳ｃ 值使得其抗壓強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)，與陳守開等［１７］ 的研究結(jié)果一致。對水膠比與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線進(jìn)行分析，可得：

ｙ ＝ａｘ２ ＋ｂｘ＋ｄ （１）

式中：ａ、ｂ、ｄ 為擬合參數(shù)（見表４）。

在水膠比一定時，孔隙率越小，強(qiáng)度越高。當(dāng)設(shè)計孔隙率為１５％、２０％時，最優(yōu)水膠比為０．３６，此時透水混凝土強(qiáng)度達(dá)到最大（分別為１８．２、１４．２ ＭＰａ）。由圖２ 可知，ＰＳ ＝４．７５～９．５０ ｍｍ，ｅ ＝１０％時，最優(yōu)ｃ 為０．３４。

上述現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是在膠凝材料一定的情況下，水膠比較低時，膠凝材料拌和物流動性較差，膠凝材料不能完全水化，出現(xiàn)積聚成團(tuán)的現(xiàn)象，以致骨料不能完全被膠凝材料包裹［見圖５（ａ）］；隨著水膠比增大，拌和物的狀態(tài)有所改善，膠凝材料均勻包裹石子，表面呈現(xiàn)出金屬光澤［見圖５（ｂ）］。當(dāng)水膠比較大時，膠凝材料漿體過于稀疏，導(dǎo)致大量膠凝材料沉底，甚至失去透水性能［見圖５（ｃ）］。

對比圖２、圖４ 可知，不同設(shè)計孔隙率條件下，水膠比對于透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響存在差異，說明孔隙率與水膠比對抗壓強(qiáng)度均有一定的影響、可能存在交互作用，因此需同時考慮設(shè)計孔隙率和水膠比這兩個因素，將設(shè)計孔隙率、水膠比、強(qiáng)度三者繪制在三維空間中（見圖６），分析三者的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)行曲面擬合，數(shù)據(jù)點(diǎn)較為均勻地分布在曲面的兩側(cè)，可用二元二次模型表示為

ｚ ＝－１ ５１７．８５ｅ２ ＋０．００５ ８ｃ２ ＋９６７ｅ－３．５ｃ＋６．７ｅｃ－１１９（Ｒ２ ＝０．９５） （２）

式中：ｚ 為抗壓強(qiáng)度。

式（２）確定性系數(shù)Ｒ２ 為０．９５，說明該模型的準(zhǔn)確性較高，可通過該模型進(jìn)行透水混凝土的強(qiáng)度估算。

３．１．３ 骨料粒徑對抗壓強(qiáng)度的影響

粗骨料是透水混凝土的結(jié)構(gòu)骨架，對透水混凝土的力學(xué)性能有著重要影響。當(dāng)ｅ 為１５％時，不同ＰＳ 對透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如圖７ 所示。由圖７ 可知，隨著ＰＳ 的增大，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸減小，當(dāng)水膠比為０．３４、ＰＳ 由４．７５～９．５０ ｍｍ 增大至９．５０～１３．２０ ｍｍ時，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度從１５． ６ ＭＰａ 減小到１４．３ ＭＰａ，降低了８％，抗壓強(qiáng)度減小趨勢較弱；當(dāng)ＰＳ 為１３．２０～１６．００ ｍｍ 時，抗壓強(qiáng)度為１０．２ ＭＰａ，降低了２９％。主要原因為：粗骨料粒徑越大，其比表面積就會越小，單位面積粗骨料表面包裹的膠凝凝材料將會減少，同時隨著骨料粒徑的增大，透水混凝土內(nèi)部的孔隙將會變大，骨料間的接觸點(diǎn)減少，最終導(dǎo)致其強(qiáng)度降低［１８］ 。

由圖７ 可知，當(dāng)ｃ ＝ ０．３２、ｅ ＝ １５％時，隨著ＰＳ 的增大，抗壓強(qiáng)度有增大的趨勢。這是因為水膠比是透水混凝土的重要影響因素，當(dāng)目標(biāo)孔隙率一定時，不同ＰＳ 對應(yīng)的最優(yōu)水膠比不同。當(dāng)ＰＳ 為１３．２０～１６．００ ｍｍ 時，最優(yōu)ｃ 為０．３２，而在此水膠比下，ＰＳ 為４．７５～９．５０ ｍｍ 的透水混凝土拌和效果較差［見圖５（ａ）］，且強(qiáng)度較低。

３．２ 透水性能

３．２．１ 設(shè)計孔隙率對透水性能的影響

當(dāng)ＰＳ 為４．７５～９．５０ ｍｍ 時，ｅ 對透水混凝土透水系數(shù)的影響如圖８ 所示。隨著ｅ 的增大，透水系數(shù)逐漸增大。ｅ 反映透水混凝土的密實程度，當(dāng)ｅ 較小時，透水混凝土的密實程度較高，透水性能差；當(dāng)ｅ 較大時，透水混凝土的密實度較低，結(jié)構(gòu)內(nèi)部具有較多的有效孔隙，但是其薄弱面較多，導(dǎo)致應(yīng)力集中，容易破壞。其中ｅ 為１５％時，透水系數(shù)為０．３２ ｃｍ／ ｓ、遠(yuǎn)高于規(guī)范要求［１６］ 。

由圖８ 與圖２ 對比可知，透水混凝土的力學(xué)與透水性能不可兼得，因此找尋合適的設(shè)計孔隙率，同時滿足較高的強(qiáng)度且有良好的透水性能是關(guān)鍵所在。

３．２．２ 水膠比對透水性能的影響

當(dāng)ＰＳ 為４．７５～９．５０ ｍｍ 時，ｃ 對于透水混凝土透水系數(shù)的影響如圖９ 所示。與圖４ 對比可知，ｃ 對透水混凝土的力學(xué)與透水性能的影響呈現(xiàn)出相同趨勢，最優(yōu)水膠比使得透水混凝土的力學(xué)與透水性能達(dá)到最優(yōu)。

在最優(yōu)ｃ、ＰＳ 為４．７５～９．５０ ｍｍ 時，不同ｅ 的透水混凝土抗壓強(qiáng)度分別為２３．１、１８．２、１４．２、８．８ ＭＰａ，透水系數(shù)分別為０．１３、０．３２、０．４１、０．５３ ｃｍ／ ｓ，ｅ 為１０％時，雖然強(qiáng)度較高，但透水性能較差，而當(dāng)ＰＳ 為２５％時，抗壓強(qiáng)度只有８．８ ＭＰａ。從圖２ 和圖８ 中可以看出，設(shè)計孔隙率從１０％增加至１５％時，抗壓強(qiáng)度降低了２１％，有效地改善了其透水性能。當(dāng)設(shè)計孔隙率從１５％增加至２０％時，抗壓強(qiáng)度從１８．２ ＭＰａ 減小至１４．２ ＭＰａ、降低了２２％，透水系數(shù)從０．３２ ｃｍ／ ｓ 增大至０．４１ ｃｍ／ ｓ，增大了２８％，且透水混凝土孔隙率越大、越容易堵塞［１９］ 。因此，當(dāng)ｅ 為１５％，其抗壓強(qiáng)度為１８．２ ＭＰａ、透水系數(shù)為０．３２ ｃｍ／ ｓ、有效孔隙率為１６．８％，透水混凝土既有較高的抗壓強(qiáng)度又有良好的透水性能。

３．２．３ 骨料粒徑對透水性能的影響

當(dāng)ｅ ＝１５％時，不同骨料粒徑對透水系數(shù)的影響如圖１０ 所示。由圖１０ 可知，透水混凝土的透水系數(shù)隨著骨料粒徑的增大而逐漸增大。當(dāng)水膠比大于０．３４時，ＰＳ ＝９．５０～１３．２０ ｍｍ 與ＰＳ ＝１３．２０～１６．００ ｍｍ 的透水混凝土存在漿體沉底的現(xiàn)象。

對比圖１０ 與圖７ 可知，隨著骨料粒徑的增大，透水混凝土的透水性能有所改善，但是其強(qiáng)度在逐漸下降。

當(dāng)ＰＳ ＝４．７５～９．５０ ｍｍ、ｅ ＝１５％、ｃ ＝０．３６ 時，堿礦渣赤泥透水混凝土的抗壓強(qiáng)度為１８．２ ＭＰａ，透水系數(shù)為０．３２ ｃｍ／ ｓ，既有較高的強(qiáng)度又能保證其透水性能。在同一配比下，利用水泥作為膠凝材料制作透水混凝土，其２８ ｄ 抗壓強(qiáng)度為１６．３ ＭＰａ，透水系數(shù)為０．２７ ｃｍ／ ｓ，表明堿礦渣赤泥透水混凝土［見圖１１（ａ）］的綜合性能優(yōu)于水泥透水混凝土［見圖１１（ｂ）］。

４ 結(jié)論

１）透水混凝土力學(xué)與透水性能是不能完全兼得的。隨著強(qiáng)度的增大，其透水性能逐漸降低。當(dāng)堿礦渣透水混凝土的設(shè)計孔隙率為１５％、水膠比為０．３６、骨料粒徑為４．７５～９．５０ ｍｍ 時，其強(qiáng)度為１８．２ ＭＰａ、透水系數(shù)為０．３２ ｃｍ／ ｓ，既有較高的強(qiáng)度又能保證其透水性能。

２）設(shè)計孔隙率、水膠比與骨料粒徑是影響透水混凝土的重要因素，且三者相互影響。當(dāng)骨料粒徑為４．７５～９．５０ ｍｍ、設(shè)計孔隙率為１０％時，最優(yōu)的水膠比為０．３２；設(shè)計孔隙率為１５％、２０％時，最優(yōu)水膠比為０．３６；設(shè)計孔隙率為２５％時，最優(yōu)水膠比為０．３８。

３）孔隙率與水膠比對透水混凝土強(qiáng)度存在交互作用，同時考慮設(shè)計孔隙率和水膠比兩個因素，建立了基于設(shè)計孔隙率、水膠比的透水混凝土強(qiáng)度預(yù)測二元二次模型。

４）堿礦渣赤泥透水混凝土的力學(xué)與透水性能均優(yōu)于傳統(tǒng)的水泥透水混凝土，符合低碳、綠色的發(fā)展理念，可大力推廣。

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【責(zé)任編輯 簡 群】

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（５２１０８３３２）；江蘇省自然科學(xué)基金資助項目（ＢＫ２０２１００５１）；南京市建設(shè)系統(tǒng)科技計劃項目（Ｋｓ２１５３）；山西住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳２０２１ 年科學(xué)技術(shù)計劃項目