雙摻礦渣和硅灰透水混凝土性能試驗研究

張旭東，馮 晨，馮竟竟，楊進波

(山東農業大學水利土木工程學院，山東 泰安 271018)

透水混凝土是一種由粗骨料表面被水泥漿體包裹，進而相互黏結而成的多孔結構。其特有的多孔結構可以在其上栽種植物，綠化環境，改善生態。透水混凝土具有較大的透水性，較小的毛細作用，是一種良好的地坪材料[1]。同時透水混凝土由于其適應植物生長、美化環境景觀的優點，現已經逐漸應用于河涌整治護岸工程等水利護坡工程[2]。

透水混凝土雖然具有控制雨水徑流，補充地下水，改善生態環境的優點[3]，但是目前透水混凝土配合比的設計還不夠完善，配合比設計需要考慮諸多因素。礦物摻合料已經成為現代混凝土所必需的一種獨立組分和功能性材料，對透水混凝土物理力學性能也具有積極作用。有研究表明單摻礦渣和單摻硅灰能提高透水混凝土的性能，認為小摻量礦渣或硅灰對透水混凝土的強度和透水性能有增強作用[4,5]。本試驗在固定20%目標孔隙率前提下，雙摻礦渣和硅灰，采用正交試驗的方法，研究雙摻礦渣和硅灰等不同因素對透水混凝土的物理力學性能和內部孔隙特征的影響。

1 試驗設計

1.1 原材料

水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，具體指標見表1；粗骨料采用當地4.75～9.5、9.5～16.0、16.0～19.0 mm3種單粒徑石子，性能測試指標見表2。S95級磨細礦渣，密度為2.99 g/cm3，比表面積為499 m2/kg；硅灰，其中SiO2含量≥94%，密度為380 kg/m3；減水劑采用萘系減水劑，減水效果為0.4%。

表1 P.O 42.5普通硅酸鹽水泥物理性能Tab.1 Physical properties of P.O 42.5 ordinary Portland cement

表2 粗骨料性能指標Tab.2 Performance indexes of coarse aggregate

1.2 試驗配合比

透水混凝土配合比設計計算步驟主要參照《透水水泥混凝土路面技術規程》(CJJ/T135-2009)、王智[6]等透水混凝土配合比設計方法，采用絕對體積法進行透水混凝土配合比計算，在確定目標孔隙率的情況下，確定水泥漿體的用量。

透水混凝土水膠比選擇范圍為0.25～0.35，本研究選取0.25、0.30、0.35共3個水膠比，分別用不同比例的礦渣和硅灰等質量代替水泥。正交試驗具體水平因素見表3，透水混凝土配合比設計見表4。

表3 透水混凝土水平因素Tab.3 Factors of pervious concrete level

表4 透水混凝土配合比Tab.4 Mix proportion of pervious concrete

根據設計配合比稱量各種原材料及外加劑、水泥、礦渣和硅灰。本實驗采用水泥裹石法[7]進行攪拌，采用人工插倒的方式成型。

1.3 試驗方法

1.3.1 孔隙率和平均孔徑

(1)有效孔隙率。有效孔隙率基于重量法原理進行測量。根據公式(1)計算試件的有效孔隙率，以3個試件的平均值作為透水混凝土的孔隙率：

(1)

式中：n為試件的孔隙率，%；m1為試件浸泡在水中的質量，kg；m0為試件烘干恒重后的質量，kg；ρ為水的密度，kg/m3；V為試件的體積，m3。

(2)平面孔隙率。平面孔隙率是指透水混凝土界面圖像上各孔隙總面積與截面面積的比值[8]。首先通過SCQ-4型巖石切割機將透水混凝土試塊切成3等份，取中間切片，對切片上下兩面進行平面孔隙率和平均等效孔徑分析研究。將試塊進行染色處理，用相機采集切片的圖像信息，通過MATLAB軟件進行灰度處理，最后將處理好的圖像導入Image-pro plus軟件中，統計孔徑的數量和面積(見圖1)。并根據公式(2)計算出平面孔隙率：

圖1 平面孔隙率分析方法Fig.1 Method of plane porosity analysis

(2)

式中：ni為平面孔隙率；Ai為截面上第i個孔的孔隙面積；A為截面圖像總面積。

(3)平均等效孔徑。平均等效孔徑是指切平面上，與目標孔隙率具有相同面積圓的直徑(Dp)，它是描述孔隙尺寸的主要途徑，可以反應孔隙的大小特征，同時也能很好地反應透水混凝土的孔隙級配特征，按公式(3)計算：

(3)

1.3.2 透水系數

試驗儀器參照《透水水泥混凝土路面技術規程》(CJJ/T135-2009)制作如圖2的試驗裝置，采用定水頭法[19,10]，成型3組φ150 mm×150 mm圓柱體試件進行測定。

圖2 透水系數試驗儀Fig.2 Permeameter 注：1-供水系統；2-圓筒的溢流口；3-溢流水槽；4-支架；5-試樣；6-量筒；7-水槽的溢流口；8-水位差；9-水圓筒。

根據公式(4)計算試件的透水系數，以3個試件的平均值作為透水混凝土的透水系數：

(4)

式中：k為透水系數，mm/s；Q為試件t內滲出的水量，mm3；L為試件的厚度，mm；A為試樣的上表面積，mm2；H為水位差，mm；t為時間，s。

1.3.3 抗壓強度

成型3組150 mm×150 mm×150 mm透水混凝土立方體試塊養護至7 d、28 d 齡期后，按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2002)測定。

2 試驗結果與分析

每組試件3塊，取測試結果平均值。透水混凝土的有效孔隙率、平均等效孔徑、平面孔隙率、透水系數和抗壓強度測試結果見表5。

表5 孔隙率、透水系數和抗壓強度測試結果Tab.5 Test results of porosity, permeability and compressive strength

2.1 采用極差法對試驗結果進行分析

為了研究不同因素對透水混凝土物理力學性能的影響順序，對試驗結果進行極差分析，結果見表6和表7。

表6 孔隙率和平均等效孔徑試驗結果極差分析Tab.6 Range analysis of porosity and average equivalent aperture test results

通過極差分析可以看出，不同因素影響透水混凝土有效孔隙率的順序為：水膠比>礦渣>骨料粒級>硅灰；影響平面孔隙率的因素主次順序為：水膠比>礦渣>骨料粒級>硅灰；影響透水混凝土內部孔徑的因素主次順序為：骨料粒級>硅灰>水膠比>礦渣。目標孔隙率20%時，水膠比是影響透水混凝土有效孔隙率和平面孔隙率的主要影響因素，骨料粒級是影響透水混凝土內部孔徑大小的主要影響因素。

表7 透水系數和抗壓強度試驗結果極差分析Tab.7 Range analysis of test results of water permeability and compressive strength

影響透水混凝土7 d透水系數的因素主次順序為：水膠比>骨料粒級>礦渣>硅灰；影響28 d透水系數的因素主次順序為：水膠比>骨料粒級>硅灰>礦渣；影響7 d抗壓強度的因素主次順序為：水膠比>骨料粒級>硅灰>礦渣；影響28 d抗壓強度的因素主次順序為：水膠比>骨料粒級>礦渣>硅灰。

由極差分析可知，目標孔隙率20%的情況下，水膠比通過影響透水混凝土內部的孔隙率，改變內部孔隙結構影響透水混凝土的物理力學性能。骨料粒級通過影響內部孔徑大小，來影響透水混凝土的透水能力和強度。

2.2 孔隙率與平均等效孔徑影響分析

水膠比由0.25增加到0.30，有效孔隙率減少，平面孔隙率和平均等效孔徑呈現增長的趨勢；水膠比由0.30增加到0.35，有效孔隙率降低20%，平均等效孔徑減低超過1 mm，下降較為明顯。當水膠比增大時，水泥漿體和易性增強，在混凝土成型時，水泥漿體在包裹骨料之外，會填充骨料孔隙，降低了連通孔隙率。

有效孔隙率隨著骨料粒級的增大先減小后增大，但總體減小。平面孔隙率和平均等效孔徑呈現增加的趨勢。骨料粒級逐漸增大，骨料之間的孔隙增大，在控制目標孔隙的同時，孔徑增加超過3 mm，漿體在孔隙間更容易形成大孔徑，并形成更多孔隙，最終使平面孔隙率和平均等效孔徑的增大。

當礦渣摻量由15%增加到25%時，有效孔隙率減少了3%左右，而摻量35%時，對有效孔隙影響不大。隨著礦渣摻量的增加，平面孔隙率和平均等效孔徑呈現先降低后增加的趨勢。礦渣比表面積大于水泥，顆粒更小，摻量逐漸增大時，調整了水泥漿體的和易性，保證了內部孔隙的形成，使平面孔隙率有一個較低程度的增加。

硅灰摻量小于5%時，硅灰對透水混凝土有效孔隙率影響較小，平面孔隙率和平均孔徑呈現增長的趨勢；當硅灰摻量從5%增加到7%時，對有效孔隙率有一定的增長，但是增長的范圍在0.5%左右，影響非常小，但平面孔隙和平均孔徑降低。硅灰的比表面積比礦渣更小，摻量逐漸增加，內部孔隙結構得到調整，使孔徑和平面孔隙率增加，硅灰摻量增加到7%時，平面孔隙率降低了0.5%，平均等效孔徑降低了1 mm左右。

2.3 透水系數和抗壓強度影響分析

當水膠比從0.25增加到0.30時，透水混凝土水泥漿體的流動性增強，能夠較好地包裹粗骨料而不會產生流動，7和28 d透水系數呈現增長趨勢，抗壓強度明顯增加。水膠比增加到0.35，透水混凝土內部水泥漿體和易性過大，在內部孔隙間流動，影響孔隙的形成，7和28 d透水系數下降了50%，28 d強度雖然增加，但是增長很小，增長1 MPa左右。

骨料粒級從4.75～9.50 mm增加到9.50～16.00 mm，骨料之間的機械咬合力增加，7和28 d透水系數逐漸增大， 7 d抗壓強度增長較小，但總體呈現增長的趨勢，28 d抗壓強度呈現先增大后減小的趨勢。當粒級增加到16.00～19.00 mm，大粒徑骨料增加，7和28 d透水系數持續增加，但骨料的機械咬合力減小，28 d強度發生下降。

礦渣摻量從15%增加到25%時，7和28 d透水系數增加0.5 mm/s，7 d抗壓強度變化不明顯，28 d抗壓強度減小3 MPa左右。摻量繼續增加到35%，28 d透水系數出現降低的趨勢，28 d抗壓強度有增長趨勢。礦渣的比表面積要小于水泥，顆粒更小的礦渣水化時填充了水泥之間的顆粒，調整了水泥漿體的和易性，改善了內部孔隙，使透水性能增強，但等量替代部分水泥，降低了水泥漿體的強度，從而影響透水混凝土的強度。

硅灰的顆粒要遠小于水泥和礦渣，能夠有效填充水泥顆粒的孔隙，改善孔結構和界面強度，硅灰摻量從3%增加到7%時，7 d和28 d透水系數呈現緩慢增長的趨勢，增加0.5%左右，7 d抗壓強度呈現降低的趨勢， 28 d抗壓強度總體有增加的趨勢。摻加硅灰能夠一定程度提高透水性能和抗壓強度。

3 結 語

(1)雙摻礦渣和硅灰可以改善水泥漿體的和易性，提高透水混凝土的透水能力，礦渣和硅灰能夠填充水泥漿體孔隙，增加密實程度，增強透水混凝土界面黏結力 ，改善透水混凝土的性能。

(2)圖像法對孔隙率的分析與實測結果 相近，能夠較好描述孔隙特征。在20%目標孔隙率下，水膠比是影響有效孔隙率和平面孔隙率的主要因素，骨料粒級是通過影響內部孔徑大小進而影響透水混凝土的性能。

(3)雙摻礦渣和硅灰能一定程度提高透水混凝土性能，在實際生產中可以適當摻加礦渣和硅灰，在充分利用工業廢渣的同時，使透水混凝土的性能得到改善。

□