粉煤灰和礦粉對(duì)透水混凝土強(qiáng)度的影響

何玉龍

（長(zhǎng)春冀東水泥混凝土有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130031）

0 前言

隨著城市化進(jìn)程的加速，城市道路逐漸被混凝土覆蓋，由于普通瀝青混凝土不透氣、不透水，地表很難與大氣進(jìn)行熱交換，有研究表明城市的熱島效應(yīng)逐年加劇[1]。由于城市排水能力有限，雨后經(jīng)常出現(xiàn)大面積積水出現(xiàn)城市內(nèi)澇現(xiàn)象，由此會(huì)導(dǎo)致交通癱瘓和人民財(cái)產(chǎn)的損失[2]。為了提高人們生活的舒適度，解決城市路面的透水、透氣問(wèn)題已經(jīng)迫在眉睫。透水混凝土具有優(yōu)良的透氣、透水性能，若能較好的應(yīng)用于城市路面，則可很大程度上改善上述現(xiàn)象[3]。不僅能解決城市道路快速排水問(wèn)題，而且可以促進(jìn)地下水循環(huán)，凈化地表徑流，改善生態(tài)環(huán)境[4]。

透水混凝土通常不含有細(xì)骨料，主要由膠凝材料包覆粗骨料相互粘結(jié)而成。透水混凝土呈均勻蜂窩狀，與普通混凝土相比較其孔隙率較大。透水混凝土主要應(yīng)用于公園人行道、停車(chē)場(chǎng)、綠化帶、城市廣場(chǎng)等[5]。對(duì)改善城市區(qū)域熱島效應(yīng)、減少地表徑流和水資源治理、促進(jìn)城市空氣循環(huán)有明顯作用[6]。透水混凝土骨料之間主要靠膠凝材料相互粘結(jié)，因其孔隙率一般都在 20% 左右所以抗壓強(qiáng)度較低，因此摻合料改性膠材一直是透水混凝土研究的熱點(diǎn)[7-8]。為降低成本并改善膠材的粘結(jié)強(qiáng)度和膠材與骨料的包裹效果，本文主要以粉煤灰和礦粉作為摻合料，考察摻合料單摻和復(fù)摻后對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。為摻合料在透水混凝土中的應(yīng)用提供一些實(shí)際參考價(jià)值。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥：采用唐山冀東 P·O42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，具體性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

粉煤灰：采用Ⅱ級(jí)灰，細(xì)度（45μm篩余）12.5%，需水量比為 100%。

表1 水泥性能指標(biāo)

礦粉：采用 S75 級(jí)，密度 2890kg/m3，比表面積416m2/kg，燒失量＜1.6%。

外加劑：聚羧酸系母液復(fù)配，減水率不小于 22%。

粗骨料：5～10mm 細(xì)石，表觀密度 2780kg/m3，堆積密度 1640kg/m3，壓碎值＜8%。

1.2 試件制備

為使膠材充分包裹骨料，攪拌時(shí)先投入骨料再投入20% 水，使骨料表面潤(rùn)濕，再將膠凝材料一次性投料，然后將外加劑摻入水中投料。當(dāng)骨料表面完全包裹膠材且泛有光澤時(shí)停止加水，整個(gè)攪拌時(shí)間控制在 90s 內(nèi)。將拌合物分層裝入模具中并充分插搗模具邊緣。為使骨料充分填裝模具且顆粒之間接觸充分，本試驗(yàn)采用壓制成型并分三層填裝，成型壓力為 1MPa，恒定壓力時(shí)間為 30s。成型模具尺寸為邊長(zhǎng) 150mm 的立方體，3 個(gè)為一組，24h 后拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)。

1.3 試驗(yàn)方法

透水混凝土的抗壓強(qiáng)度 TYE-2000A 型壓力機(jī)上進(jìn)行，加載速度為 0.3～0.5MPa/s。試驗(yàn)結(jié)果根據(jù) GB/T 50107—2010《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行評(píng)定。透水系數(shù)的測(cè)定采用常水頭法進(jìn)行測(cè)定，即排水口和給水口始終保持恒定水頭，為了保證測(cè)量的穩(wěn)定性并具有可比較性，測(cè)量時(shí)始終保持水流為層流狀態(tài)[8]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)前期試配研究，細(xì)石取 1620kg/m3，膠材總量為 400kg/m3，外加劑摻量 1%，水灰比為 0.24，考察粉煤灰和礦粉摻量分別在 10%、20%、30%、40%、50%時(shí)對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，其中編號(hào) C-0 為不用摻合料的對(duì)比試驗(yàn)，具體配合比和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 透水混凝土配合比及力學(xué)性能

2.1 單摻粉煤灰對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

單摻粉煤灰對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1 可見(jiàn)，透水混凝土 28d 和 60d 抗壓強(qiáng)度均隨粉煤灰摻量的增加先增加而后降低。其中 28d和 60d 的抗壓強(qiáng)度分別在粉煤灰摻量為 20% 和 30% 時(shí)達(dá)到最大值，分別為 28.1MPa 和 30.4MPa。從兩條折線的走勢(shì)來(lái)看粉煤灰摻量在 30% 時(shí)后期強(qiáng)度增加幅度較大，當(dāng)摻量超過(guò) 30% 后，后期強(qiáng)度增加幅度逐漸減小。試驗(yàn)證明透水混凝土中摻入適量粉煤灰對(duì)其抗壓強(qiáng)度有益，但摻量過(guò)大反而會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度的下降。

摻粉煤灰后透水混凝土抗壓強(qiáng)度增加主要?dú)w功于粉煤灰的火山灰效應(yīng)，粉煤灰在混凝土中之所以表現(xiàn)出火山灰活性主要原因是粉煤灰中的活性 SiO2和 Al2O3玻璃體與水泥水化產(chǎn)生的堿性物質(zhì) Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等凝膠。水化產(chǎn)物填充水泥空隙更加致密，增加骨料與水泥石界面粘結(jié)區(qū)域的密實(shí)度，表現(xiàn)在宏觀力學(xué)上抗壓強(qiáng)度的提高。隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的推移，活性 SiO2和 Al2O3玻璃體不斷被 Ca(OH)2激發(fā)，生成更多的凝膠體，所以 60d 的抗壓強(qiáng)度均高于 28d 的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)粉煤灰摻量過(guò)多時(shí)，水泥相對(duì)減少，水泥水化產(chǎn)生的 Ca(OH)2含量相對(duì)減少，不足以激發(fā)粉煤灰中的活性 SiO2和 Al2O3玻璃體，所以水化后的C-H-S 凝膠體相對(duì)減少，增加了過(guò)渡區(qū)的微觀缺陷，表現(xiàn)出大摻量粉煤灰導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度的降低。所以當(dāng)粉煤灰摻量超過(guò) 30% 時(shí) 60d 抗壓強(qiáng)度曲線出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖1 粉煤灰對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.2 單摻礦粉對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

不同摻量礦粉對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖2，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。由圖2 可知，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度隨礦粉摻量的增加先增大后減小，28d 和 60d 抗壓強(qiáng)度在 30% 摻量時(shí)達(dá)到最大，分別為 29.4MPa 和33.5MPa。隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度均有不同程度的增加。究其原因，礦粉主要活性成分為 CaO、SiO2和 Al2O3，隨水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，礦渣粉中的活性成分被水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物 Ca(OH)2所激發(fā)，生成 C-H-S 凝膠和纖維狀的 AFt。礦渣粉水化生成的C-H-S 凝膠具有非常致密的特性，填充水泥水化后產(chǎn)生的空隙，增加了硬化體的抗壓強(qiáng)度。另外礦渣粉的微集料效應(yīng)也是混凝土抗壓強(qiáng)度增加的原因之一，因?yàn)榈V渣粉比表面積比水泥小，磨細(xì)礦渣粉可填充水泥顆粒間隙，改變水泥顆粒級(jí)配，使混凝土水化產(chǎn)物形成自密實(shí)體，所以混凝土抗壓強(qiáng)度較空白試驗(yàn)增加。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，水化產(chǎn)物逐漸增多，硬化體孔隙率減小，所以透水混凝土隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)抗壓強(qiáng)度增加。從圖中可見(jiàn)，當(dāng)?shù)V渣粉產(chǎn)量超過(guò) 30% 時(shí)透水混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸下降。原因是當(dāng)?shù)V渣粉取代水泥量過(guò)多時(shí)，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的 Ca(OH)2不足以將礦渣粉中的活性組分完全激發(fā)，所以有部分礦渣粉在短期內(nèi)沒(méi)有發(fā)生水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物相對(duì)減少，所以宏觀上表現(xiàn)出混凝土抗壓強(qiáng)度降低。

圖2 礦粉對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 兩種摻合料復(fù)摻的協(xié)同作用

綜合粉煤灰與礦粉單摻數(shù)據(jù)，兩種摻合料復(fù)摻后代替水泥的 30%，研究粉煤灰和礦粉的不同比例對(duì)混凝土28d 抗壓強(qiáng)度的影響結(jié)果見(jiàn)表3 和圖3。

由圖表可知，當(dāng)粉煤灰與礦粉比例在 6∶4 時(shí)，28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值 32.2MPa。究其原因，水泥水化后生成大量的堿性 Ca(OH)2，pH 可達(dá)到 12，可激發(fā)粉煤灰和礦粉中的活性物質(zhì)，生成致密的水化產(chǎn)物 C-H-S 凝膠和少量的 AFt，填充水泥因水化產(chǎn)生的空隙。同時(shí)礦粉水化產(chǎn)物聚集在粉煤灰玻璃體周?chē)勺鳛榫Ш舜龠M(jìn)粉煤灰的水化進(jìn)程。另外水泥、粉煤灰、礦粉的比表面積依次增大，三種膠凝材料之間可形成緊密堆積效應(yīng)，少量的未水化顆粒可作為微集料進(jìn)行填充，減少體系的孔隙率，使硬化體強(qiáng)度更高。當(dāng)?shù)V粉摻量過(guò)高時(shí)水泥摻量相對(duì)減少，短期內(nèi)礦粉和粉煤灰無(wú)法完全水化，水化產(chǎn)物相對(duì)減少，所以表相出抗壓強(qiáng)度降低。所以復(fù)摻兩種礦物摻合料時(shí)粉煤灰與礦粉的比例在 6∶4 為宜。

表3 粉煤灰和礦粉復(fù)摻比例對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

圖3 粉煤灰與礦粉復(fù)摻比例與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系

3 結(jié)論

單摻粉煤灰的 28d 和 60d 的抗壓強(qiáng)度分別在20% 和 30% 摻量時(shí)達(dá)到最大值，分別為 27.9MPa 和30.4MPa。當(dāng)摻量超過(guò) 30% 時(shí)抗壓強(qiáng)度曲線出現(xiàn)下降趨勢(shì)。所以單摻粉煤灰應(yīng)控制在 30% 以內(nèi)。

單摻礦粉時(shí)透水混凝土的抗壓強(qiáng)度隨礦粉摻量的增加先增大后減小，28d 和 60d 抗壓強(qiáng)度在 30% 摻量時(shí)達(dá)到最大，分別為 28.9MPa 和 33.5MPa。當(dāng)摻量超過(guò)30% 時(shí)抗壓強(qiáng)度逐漸降低。所以單摻礦粉時(shí)應(yīng)控制在30% 以內(nèi)。

從經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)際強(qiáng)度來(lái)看，粉煤灰與礦粉比例為6∶4 為宜。當(dāng)抗壓強(qiáng)度要求低時(shí)可繼續(xù)增大兩種摻合料的總摻量，此時(shí)可很大程度上節(jié)約成本。

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