含偏高嶺土的多孔混凝土可持續城市道路路面的物理和力學性能研究

申益銘

(黑龍江省泰斯特森工程檢測有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000)

0 引 言

可持續問題是目前建筑相關行業研究人員的主要研究問題之一，該行業占全球能源使用量的36%，二氧化碳排放量的40%。由于道路所造成的影響以及它們所能提供的環境效益，道路問題已經得到相當多的關注。21世紀初，地球總面積的3%已被人行道覆蓋。這帶來了許多問題，例如阻礙水文循環，造成徑流和水污染，以及由于人行道的太陽能吸收而導致城市地區溫度升高(城市熱島)。

在這些情況下，可持續城市排水系統(SUDS)的概念已經提出用來處理雨水管理。多孔路面是最廣泛使用的SUDS類型，并且可以通過適當的設計，以處理熱島效應和空氣污染。多孔路面最常用的材料是瀝青和水泥混凝土。后者被認為是減少水和溫度環境影響的良好解決方案，如果與多孔瀝青相比，它還對施工過程有利。少量使用多孔路面的問題仍然存在于其結構中，其設計目的是保持高孔隙率，約為1%～30%，這導致承載能力低，限制了其在交通荷載下的抗壓能力。

因此，最近研究了不同替代材料，以部分或全部取代多孔混凝土中的水泥，從而獲得一種更加環保的路面。地質聚合物開發就是這類研究。在激發劑提供的強堿性條件下，使用特定的粉末(如偏高嶺土、飛灰等)，可以產生化學反應，形成膠凝材料。而偏高嶺土作為地聚合物因其早期抗性和良好的耐化學性以及其他優點如良好的耐火性而引起了相當大的關注。此外，一些研究強調，地聚合物生產過程中產生的溫室氣體排放量比硅酸鹽水泥低40%左右，使這種材料比傳統水泥混凝土對環境更友好。至于路面，地質聚合物混合物的使用仍在研究中。偏高嶺土是粘土礦物高嶺土的一種脫水形態，在500～800 ℃溫度下煅燒得到，作為火山灰質材料，被認為是普通硅酸鹽水泥的良好替代品。

1 實驗設計

1.1 設計方法論

對于多孔樣品的制備，采用了多孔混凝土設計方法，該過程可參考。該方法以ACI522R-10標準為基礎，消除了粗集料與砂的關系，將粗集料與砂的關系引入水泥凈漿的設計中，從而得到砂漿。因此，砂量改變了水泥和混合料的水量。粗集料的比例取決于其顆粒密度和孔隙率。同時，多孔混凝土設計從設計的建議孔隙率(AV)、砂灰比(S/C)和水灰比(W/C)開始。然后確定粗骨料重量。據此，可以計算砂漿的體積和重量，最終得到水、水泥和砂的用量。

采用EN1097-3標準計算骨料的空隙率。為了確定混合料設計中空隙率含量的參數，進行了兩次試驗(壓實和疏松集料)。根據多孔混凝土設計方法，骨料的空隙率有助于確定材料用量，其中骨料的空隙率越高，在混合料設計中提供的粗集料數量越少，而砂漿的摻量越高。當考慮較低的骨料的空隙率量時，性能表現相反。

1.2 材料和混合物

采用石灰石集料并對所有混合料進行5～10 mm級的精細化處理。對照混合料采用425型硅酸鹽水泥，水灰比為0.30。試驗用偏高嶺土部分取代水泥，分別占水泥質量的5%和10%，w/c為0.30。第一種混合物標記為95c～5 mk，第二種標記為90c～10 mk。

此外，還利用堿活化工藝制備了另外三種實驗混合物，用于制備最終混凝土的粘結劑。沒有使用水和分級分布保持恒定使用上述相同的設計參數。以100%偏高嶺土為待激發產物，采用硅酸鈉和氫氧化鈉按3∶1的比例混合作為活化劑，制備了標記為100 mk的第一種混合物。這些材料的化學成份可以產生堿活化過程，正如先前的研究所得到的結論。由于材料的可加工性，所以采用了0.87的激發比。另外，在50 mk～50 bas和25 mk～75 bas兩種試驗混合物中，分別用玄武巖粉代替50%和75%偏高嶺土。總共生產了六種不同的混合物，并進行了測試。石灰石骨料和材料特性分別見表1和表2。

表1 石灰石骨料特性

表2 材料特性

樣品的設計直徑為10 cm和6.5 cm高，壓縮在馬歇爾裝置內，符合EN 12697-30標準。水泥混合物浸泡在水中養護28 d。地質聚合物混合物被置于烤箱中，在70 ℃下烘烤12 h，然后在室溫下烘烤21 d。對于地聚物混合物，烘箱養護是一個常用的手段，以前的研究已經驗證了相同的合成混合物的凝固時間和溫度。

1.3 地聚物砂漿的表征

為了表征地聚物漿料，對每種配合比澆鑄了3個4 cm×4 cm×4 cm的立方體，并在不同的養護時間(7 d和21 d)下進行了測試。值得注意的是，沒有針對地質聚合物的特定測試或標準。因此，通常通過評估立方樣品的抗壓強度來分析力學性能，這些樣品符合標準，即硬化砂漿。從圖1中可以看出，從固化的第7 d到第21 d，含100%偏高嶺土的混合物和含50%偏高嶺土和50%玄武巖粉末的混合物的值似乎恒定，在10 MPa內變化。由于偏高嶺土含量低，含有25%偏高嶺土和75%玄武巖粉的混合物在固化21 d時效果較差，因為玄武巖粉對聚集體顆粒沒有良好的附著力。總體而言，混合物在7 d后即可固化。

圖1 不同固化時間后的地質聚合物混合物的抗壓強度

這進一步證實了堿活化材料的早期強度。而且，在養護7 d后，可以達到100 MK的抗壓強度甚至高于傳統波特蘭水泥混凝土的特征抗壓強度。由于所使用的材料和劑量不同，混合物的性能差異，決定對每種混合物僅測試一個樣品，因為目的是在相同的方法下觀察混合物的行為。

試驗方案是在評價混合料的總孔隙度(體積特性)、滲透率(水力性能)和間接拉伸強度(力學性能)的基礎上提出的。根據ASTM C1688標準，孔隙度(AV)可用公式(1)計算

(1)

式中：ρt對應于體積密度，由按照EN1097-3標準制作混合物所用材料的總質量之和除以模具體積計算，而ρ是從樣品的凈質量除以容器體積得到的實際密度。

混合物的滲透率是用根據西班牙NLT 327/00標準改裝成實驗室用的下降水頭滲透儀獲得的。它由一個直徑10 cm的甲基丙烯酸酯管子組成，放在樣品的頂部，允許水流入樣品進行測試。這根管子是為20 cm的水柱校準的。然后，利用達西定律，可以計算滲透率。

2 結果與討論

2.1 孔隙率和滲透率

總孔隙率(AV)和滲透率(k)，結果表明，用偏高嶺土(95C～5 MK和90C～10 MK)取代部分水泥后，孔隙率增加，滲透率提高。在這種情況下，用偏高嶺土代替5%的水泥可使滲透率加倍。但是，偏高嶺土摻量增加10%可以認為是過量的，砂漿覆蓋集料更多，滲透率開始下降，表現出與對照混合料相同的結果。可以說，偏高嶺土取代5%以上的水泥似乎對混合料的滲透性有負面影響。

2.2 密度和間接拉伸強度

由于具有較高的孔隙率，與水泥混合物相比，地聚合物混合物獲得的結果較低。在水泥混合料中，用偏高嶺土(95 C～5 MK)取代5%水泥時，其結果與對照混合料相比提高了18%，而當偏高嶺土摻量增加到10%(90 C～10 MK)時，其結果降低到與對照混合料幾乎相同的值。在水泥混合料中，用偏高嶺土(95 C～5 MK)取代5%的水泥時，其結果與對照混合料相比提高了18%，密度沒有變化。

3 結 論

(1)根據劑量的評價得出的結果，土聚合物混合物適用于低荷載的路面，如占城市較大面積的步行街，并且可以減少水泥的使用量，還可以在降雨期間防止徑流。

(2)根據目前的研究結果，可以考慮將水泥基混合料用于中等交通量的城市道路(二級街道)，這些道路占城市路面的比例很高，減少了一定數量的水泥，增加了土壤的滲透能力，特別是在降雨期間。

(3)含偏高嶺土的水泥混合物和含地聚合物漿體的混合物都是可持續路面的良好替代品，減少了水泥的使用。