一種新型透水混凝土的性能研究

呂新鋒，谷向民，孫健，王敏

（山東魯碧建材有限公司，山東 濟(jì)南 271100）

0 引言

透水混凝土是由一系列相連通的孔隙和混凝土實體部分骨架構(gòu)成的具有透氣透水性的多孔水泥基混凝土，其作為路面材料，具有透水、透氣、凈化水質(zhì)等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為建設(shè)生態(tài)海綿城市最有效的技術(shù)手段之一。但是，目前透水混凝土主要存在硬化后強(qiáng)度偏低的問題[1,2]。膠結(jié)層強(qiáng)度對透水混凝土強(qiáng)度具有較大影響，如何在不影響透水性能的前提下提高透水混凝土強(qiáng)度是亟待解決的問題。堿激發(fā)膠凝材料是由粒化高爐礦渣微粉和堿性激發(fā)劑制備而成，其具有抗壓強(qiáng)度高、耐酸堿腐蝕等優(yōu)異性能，符合節(jié)能減排、綠色低碳環(huán)境友好的要求。邊偉[3]等以磨細(xì)礦渣和粉煤灰為原料、鈉水玻璃為堿激發(fā)劑制備透水混凝土，其力學(xué)性能高于硅酸鹽水泥配制的透水混凝土（OPC），但透水性能略低于OPC。徐慶[4]等采用氫氧化鈉及水玻璃作為堿激發(fā)液來激發(fā)高爐礦粉體系，主要探討了堿激發(fā)劑模數(shù)對透水混凝土性能的影響。

本文采用礦渣微粉和粉煤灰作為膠凝材料，鈉水玻璃作為堿激發(fā)劑來制備透水混凝土，對其抗壓強(qiáng)度、透水性能進(jìn)行研究，為制備透水混凝土提供一定的技術(shù)支持。

1 試驗用原材料

粗骨料：單一粒徑 4.75～9.5mm 的普通石灰石碎石，表觀密度為 2685kg/m3，堆積密度為 1580kg/m3。

硅酸鈉：市售工業(yè)級硅酸鈉粉末，模數(shù)為 2.31，ω(Na2O)=24.1，ω(SiO2)=54.0。

氫氧化鈉：市售片狀氫氧化鈉，純度為 99%。

水泥：山東魯碧建材有限公司生產(chǎn)的 P·O42.5 水泥，其化學(xué)成分如表 1 所示。

礦渣微粉：用山東魯碧建材有限公司生產(chǎn)的 S95級礦渣微粉，經(jīng)過深加工得到的產(chǎn)品，其表觀密度為2880kg/m3，比表面積不小于 700m2/kg。其化學(xué)成分如表 1 所示。

粉煤灰：濟(jì)南市萊蕪區(qū)南電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，表觀密度為 2540kg/m3，比表面積為 480m2/kg，其化學(xué)成分如表 1 所示。

表1 水泥、礦粉、粉煤灰化學(xué)成分及組成 %

2 試驗內(nèi)容

2.1 配合比設(shè)計

透水混凝土配合比設(shè)計是將各原材料的體積與孔隙體積之和作為混凝土的體積來計算。據(jù)此，可以根據(jù)不同組分的體積分?jǐn)?shù)推導(dǎo)堿激發(fā)膠凝材料透水混凝土的配合比設(shè)計公式，公式如下：

式中：

Mg、Mc、Mf、Mw、Ms、Mw水玻璃——分別為 1 立方體積內(nèi)骨料、水泥、礦物摻合料、水、細(xì)骨料、水玻璃溶液的質(zhì)量，kg；

ρg、ρc、ρf、ρw、ρs、ρw水玻璃——分別為骨料、水泥、礦物摻合料、水、細(xì)骨料、水玻璃溶液的表觀密度，kg/m3；

Vvoid——目標(biāo)孔隙率[5]。

2.2 試驗制備與試驗方法

水玻璃溶液：按照一定的比例稱取硅酸鈉粉末、片狀氫氧化鈉和水，經(jīng)混合、攪拌、陳化，制得模數(shù)為1.2、1.3、1.4 的水玻璃溶液備用。水玻璃溶液的主要性能指標(biāo)見表 2 所示。為了研究堿激發(fā)膠凝材料對透水混凝土性能的影響，利用上述原料，固定水灰比為 0.3，水玻璃溶液質(zhì)量與礦粉和粉煤灰總質(zhì)量之比為 0.4。采用正交試驗，使用三因素、三水平：水玻璃溶液模數(shù)（1.2，1.3，1.4）、礦粉用量（200，220，240）、粉煤灰用量（60，80，100），設(shè)計試驗方案及結(jié)果見表3（其中，A10 為使用純水泥的透水混凝土對比組），正交試驗極差分析結(jié)果見表 4。

表2 水玻璃溶液的主要性能指標(biāo)

表3 透水混凝土抗壓強(qiáng)度正交試驗結(jié)果

表4 透水混凝土抗壓強(qiáng)度正交試驗極差分析結(jié)果

在混凝土攪拌鍋中，先將粗骨料和礦物摻合料干拌一分鐘，隨后將水玻璃溶液和水加入并攪拌兩分鐘，完成攪拌后將新拌混凝土采用插搗法裝入模具。每組配比使用 100mm×100mm×100mm 模具成型 6 個立方體試件用于測試透水混凝土 7 天、28 天抗壓強(qiáng)度；每組配比使用 100mm×100mm×100mm 模具成型 3 個立方體試件用于測試透水混凝土的透水系數(shù)。成型完成后，覆蓋薄膜，24 小時內(nèi)拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

透水混凝土 7 天、28 天抗壓強(qiáng)度依據(jù) GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中抗壓強(qiáng)度試驗進(jìn)行試驗和計算。透水混凝土的透水系數(shù)依據(jù) JC/T 2558—2020《透水混凝土》中附錄 A 透水系數(shù)試驗方法進(jìn)行試驗計算。

2.3 試驗結(jié)果

由表 3 和表 4 結(jié)果可知，對透水混凝土 7 天抗壓強(qiáng)度影響，水玻璃模數(shù)＞礦粉＞粉煤灰；對透水混凝土28 天抗壓強(qiáng)度影響為：礦粉＞粉煤灰＞水玻璃模數(shù)。當(dāng)水玻璃溶液模數(shù) 1.2、礦粉摻量 240kg/m3、粉煤灰摻量 100 kg/m3時，透水混凝土 7 天、28 天抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到 21.5MPa、28.5MPa。

2.4 結(jié)果分析

（1）當(dāng)水玻璃溶液模數(shù) 1.2、礦粉摻量 240kg/m3、粉煤灰摻量 100kg/m3時，透水混凝土 7 天、28 天抗壓強(qiáng)度最高。分析原因可能是隨著水玻璃溶液模數(shù)降低，溶液的 pH 值升高，促進(jìn)了堿激發(fā)膠凝材料的凝結(jié)硬化過程。同時礦渣微粉主要顆粒粒徑集中在 10μm以下，從而提高了堿激發(fā)膠凝材料中活性成分的含量，并且其在早期就發(fā)生水化作用，提高了透水混凝土的早期抗壓強(qiáng)度。

（2）當(dāng)水玻璃溶液模數(shù)逐漸降低時，透水混凝土早期抗壓強(qiáng)度逐漸升高，后期抗壓強(qiáng)度及透水系數(shù)基本穩(wěn)定。分析原因可能是水玻璃溶液模數(shù)逐漸降低，則堿激發(fā)膠凝材料中堿含量逐漸升高，對礦渣微粉和粉煤灰中水化礦物的堿激發(fā)效果逐漸增強(qiáng)，從而增強(qiáng)了膠結(jié)層的強(qiáng)度，使透水混凝土的早期抗壓強(qiáng)度升高。

（3）當(dāng)?shù)V渣微粉的摻量逐漸增加時，透水混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸升高，透水系數(shù)略微降低。分析原因可能是礦渣微粉主要顆粒粒徑集中在 10μm 以下，并且礦渣微粉水化礦物的早期活性較高，其在早期就發(fā)生水化作用，提高了透水混凝土的早期抗壓強(qiáng)度。隨著礦粉摻量增加，伴隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，透水混凝土體系的致密程度逐漸增加，進(jìn)而導(dǎo)致透水混凝土的透水系數(shù)略微降低。

（4）當(dāng)粉煤灰摻量逐漸增加時，透水混凝土抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)基本保持不變。分析原因可能是粉煤灰本身早期活性不高，且比表面積不高，在 28 天之前水化礦物水化反應(yīng)比率較低，所以對透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)影響較小。

3 膠凝材料對比分析

（1）強(qiáng)度效果對比。當(dāng)水玻璃溶液模數(shù)為 1.2、礦粉摻量 240kg/m3、粉煤灰摻量 100kg/m3時，堿激發(fā)膠凝材料制備透水混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯高于純水泥制備的透水混凝土，具有較好的力學(xué)性能。

（2）透水系數(shù)分析。當(dāng)利用上述堿激發(fā)膠凝材料配比時，堿激發(fā)膠凝材料制備透水混凝土的透水系數(shù)要略低于純水泥制備的透水混凝土，但仍能滿足 JC/T 2558—2020《透水混凝土》中 K2 等級的指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)水玻璃溶液模數(shù) 1.2、礦粉摻量 240kg/m3、粉煤灰摻量 100kg/m3時，透水混凝土 7 天、28 天抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到 21.5MPa、28.5MPa。相較純水泥透水混凝土，該透水混凝土具有較高的強(qiáng)度力學(xué)性能，同時具有節(jié)能減排、綠色低碳環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)。

（2）當(dāng)水玻璃溶液模數(shù)超過 1.2 時，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸下降。

（3）當(dāng)?shù)V渣微粉摻量逐漸增加時，透水混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸升高，透水系數(shù)略微降低。

（4）在堿激發(fā)膠凝材料中，粉煤灰對透水混凝土抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)影響不大。