礦物摻合料對透水混凝土性能的影響研究進展

郭振東，李 峰，高慶力，王耀強

(1.中交路橋建設有限公司，北京 100027；2.中交瑞通建筑工程有限公司，北京 101102；3.沈陽工業大學建筑與土木工程學院，沈陽 110870)

隨著我國經濟的快速發展和城鎮化建設的加快，城市建設用地擴張帶來的城市內澇和熱島效應日益加劇，環境污染問題已經引起了政府部門的高度關注。“海綿城市”的概念也因此提出。透水混凝土作為“海綿城市”建設中的關鍵建筑材料，具有減輕城市徑流、改善生態環境等作用，因此成為“海綿城市”建設的重點推廣內容。傳統混凝土路面基本不透水，導致地下水得不到補充，同時也造成地表徑流量過大，近些年的城市內澇情況明顯增多。透水混凝土路面具有較高的透水性能，有效的減少了城市內澇[1]。透水混凝土的內部多孔隙結構具有一定的儲熱能力，對于緩解城市熱島效應有著顯著的作用[2]。隨著綠色建筑理念的逐步推廣，透水混凝土作為傳統路面的最佳替代材料之一，受到了眾多國內外學者的廣泛關注[3]。

目前，對透水混凝土添加外摻材料的研究較多，主要集中在研究礦物摻料、纖維摻料、聚合物類摻料等[4]。不同外摻材料對透水混凝土的各項性影響較大，考慮到不同場所應用需求及經濟效益和環境問題等因素，在透水混凝土中外摻不同材料可以滿足這些要求。鑒于此，該文主要概述了礦物摻合料改性透水混凝土性能的研究成果，總結了礦物摻合料的作用效果和影響規律，為工程應用礦物摻合料提供理論支持。

1 透水混凝土

透水混凝土(Permeable concrete)是由粗骨料表面包裹的漿體粘結而成的多孔輕質混凝土，可以看作是一種特殊的“骨架-空隙”結構[5]，其孔隙率是透水混凝土的重要指標參數。透水混凝土一般采用單一級配或者間斷級配制備而成，不含細骨料或者含有較少細骨料。透水混凝土的這種特殊內部結構類似于蜂窩，蜂窩孔隙使其具有了透水、透氣、吸聲和吸熱等性能[6]。其內部大量的孔隙結構使其具有較高的透水特性，但也造成了其強度相比普通混凝土較低，目前透水混凝土多用做道路鋪裝(輕荷載路面為主)。

透水混凝土在美國和日本等一些發達國家已經形成了商業化的發展和應用。在全球環境問題日趨嚴重的情況下，透水混凝土的應用研究也受到越來越多國家的重視。隨著國內綠色建筑理念的推廣，有關透水混凝土的試驗研究已經較為豐富[7]。目前研究影響透水混凝土性能方面的因素主要有骨料種類和級配、水膠比、外摻材料、成型方式和養護方式等[8]。透水混凝土特殊的內部結構形式，在荷載作用下更容易破壞，針對透水混凝土的這種劣勢，眾多學者和科研人員作了大量分析試驗，以制備具有高力學性能的透水混凝土。在透水混凝土中添加礦物摻合料能夠有效改善其各項性能，同時采用礦物摻合料這種改性方法具有較高的應用價值，在實際工程中易于操作完成，是當前研究的熱門方向。

2 礦物摻合料對透水混凝土性能的影響

礦物摻合料是一種輔助膠凝材料，在透水混凝土的制備過程中添加部分天然或人工的礦物摻合料，能夠有效提高透水混凝土的各項性能[9]，同時節省水泥用量，獲得較高的經濟效益和環境效益。

2.1 單摻粉煤灰

作為一種傳統的礦物摻合料，在透水混凝土中添加粉煤灰是十分普遍的。粉煤灰的特性導致其對透水混凝土的早期強度增長效果一般甚至具有不利影響，而對后期強度的增長具有積極作用。這是因為粉煤灰具有的火山灰效應能夠降低膠凝材料早期的放熱速率和放熱量[10]，在養護初期，水泥水化反應產生的Ca(OH)2并不多，未能完全與粉煤灰中的SiO2和Al2O3等活性物質產生反應，隨著養護齡期的增長水化反應產生的Ca(OH)2逐漸增多，粉煤灰與水泥的二次水化反應完全，進而提高了透水混凝土結構的密實度。

劉肖凡等[11]通過研究發現對于骨料粒徑為5～10 mm的透水混凝土，當粉煤灰摻量為20%時，其60 d抗壓強度相比28 d抗壓強度提高了10.7%，粉煤灰摻量為0時其60 d抗壓強度相比28 d抗壓強度提高了2.1%；吳堃[12]和張炯[13]的試驗表明摻入10%的粉煤灰透水混凝土，在經過100～300次凍融循環后其質量損失率和相對動彈模量損失最小；Ramkrishnan[14]研究了添加10%、15%和20%摻量的粉煤灰試驗，發現透水混凝土的28 d強度相比基準組的28 d強度均降低且降幅較大，粉煤灰摻量為10%的試件抗壓強度下降了45%，三組不同摻量的粉煤灰試驗組在2%硫酸鹽溶液中浸泡14 d后，其抗壓強度損失率分別為9.1%、13.4%和13.9%，而空白組在相同條件下的抗壓強度損失率為46%；Vieira[15]的研究發現摻入10%的粉煤灰時透水混凝土28 d抗壓強度下降了25%，抗折強度則提高了32.9%，透水系數下降37.5%。

2.2 單摻硅灰

在透水混凝土的試驗中，硅灰一般都是按內摻法添加，即用部分硅灰替代水泥摻量。同時對于摻硅灰的透水混凝土，其水膠比一般應控制在0.30～0.35之間，且需要配合減水劑使用[16]。

蔣勇[17]的研究發現隨著硅灰摻量的增加，透水混凝土的抗壓強度均是先提高后降低，透水系數隨著硅灰摻量的增加會逐漸降低；Adil[18]研究了在給定混合物配比和摻合物的劑量下，當硅灰摻量在5.5%時可以達到最佳工作性能,透水混凝土的強度和耐久性能最優；許多學者研究了摻入硅灰的透水混凝土試驗，發現硅灰的摻入對于提高透水混凝土的強度有著顯著的效果，但隨著硅灰摻量的增加孔隙率會降低，進而影響透水系數。硅灰的火山灰活性促進了C-S-H凝膠的產生，減少了透水混凝土的離析和泌水，提高了強度。

2.3 單摻礦渣粉

礦渣粉是一種優質的礦物摻合料，礦渣粉通常以較大摻量替換水泥制備礦渣水泥膠凝材料，而經過磨細處理后的礦渣粉則具有更高的活性，一般稱為礦粉以較少摻量替換水泥。張亞茹[19]研究發現礦粉的摻入能夠提高透水混凝土的強度，顯著提高其抗凍性能；王鋼[20]在單摻礦渣粉的試驗中研究發現，當礦渣粉摻量為15%時，透水混凝土在75次凍融循環后其質量損失率為2.3%，不摻礦渣粉的對照組的損失率為3.8%。

何松松等人[21]研究發現當礦粉摻量為9%時，透水混凝土的抗壓強度相比對照組增加了20.4%，礦粉摻量為11%時的彎拉強度相比對照組增加了29.9%，隨著礦粉摻量的增加透水混凝土的透水系數逐漸下降；吳慶[22]采用SEM掃描電鏡和XRD圖譜分析發現礦粉的火山灰反應在早期，且其水化反應更徹底，使透水混凝土的結構更加密實，進而使得透水混凝土的透水性能降低，強度提高。一些研究人員采用大摻量的礦渣粉替換水泥，結果表明透水混凝土的強度會有所降低，但仍能滿足一定場合的強度要求，大幅度的減少了水泥用量，產生了更高的經濟效益和環境效益。

2.4 復合礦物摻合料

現在除了研究單摻礦物外摻料外，眾多學者熱衷于研究復摻礦物材料和其他材料，研究不同礦物摻料之間以及礦物摻料與其他摻料之間的協同作用，以期達到更優的性能。Elango[23]研究了雙摻粉煤灰和石膏制備透水混凝土，結果表明雙摻二者能夠提高透水混凝土強度，具有較高經濟效益；Bilal等人[24]研究了雙摻2.6%的硅灰和偏高嶺土，結果表明二者混合摻入提高了透水混凝土的抗壓強度，且在硝酸銨腐蝕性溶液下抗壓強度損失率最低；荀永寧[25]采用5%摻量的納米SiO2復配20%摻量的粉煤灰，發現其抗壓強度能夠達到33.2 MPa，這是因為不定形的SiO2與水泥發生火山灰反應生成C-S-H凝膠，增強了透水混凝土內部的孔隙結構；Lo[26]通過研究復摻粉煤灰和稻殼灰，結果表明二者混合摻入有效提高了透水混凝土的抗壓強度，且透水系數滿足要求。

Ho[27]用礦渣和粉煤灰完全替代水泥作為膠凝材料，結果表明在礦渣與粉煤灰比例為7∶3時，制備得到的透水混凝土28 d抗壓強度可以達到水泥透水混凝土抗壓強度的90%，同時具有良好的透水性能；楊艷娟[28]的雙摻粉煤灰和硅灰試驗發現，在摻料總量不變的情況下，隨著硅灰摻量的增加，透水混凝土的有效孔隙率和抗壓強度均呈現先升高后降低的趨勢；焦凱等[29]研究了在清水、氯鹽和硫酸鹽條件下進行凍融循環試驗，發現復摻硅灰和粉煤灰具有更高的抗凍性能，主要是因為礦物摻料的物理形態是納米微小顆粒，填充了水泥漿體的孔隙，從而提高了抗凍性能；肖力光等[30]用粉煤灰、磨細礦渣粉和硅灰一同混合摻入組成復合膠凝材料，與基準組相比其抗壓強度提高了43%，抗折強度提高了26%，結果表明多種礦物復合摻入對透水混凝土的力學性能提升顯著。張旭東[31]通過正交試驗研究了在雙摻礦渣和硅灰的條件下，不同因素對其性能的影響，發現雙摻礦渣和硅灰提高了透水混凝土的強度和透水性能。

3 結論與展望

a.單摻粉煤灰對提升透水混凝土強度效果較弱，單摻硅灰或礦渣粉對透水混凝土強度提升效果顯著。復摻礦物摻料、復摻礦物摻料和其他材料對透水混凝土的強度提升程度不同，單摻礦物摻料存在最佳摻量，復摻礦物摻料同樣存在最佳摻量和最佳比例；單摻或復摻礦物摻料均可提高透水混凝土的耐久性能，降低透水混凝土的透水性能，對透水性能的影響主要是考慮摻料的細度和比表面積，細度或比表面積越大，對透水性能的影響越顯著。

b.外摻材料對透水混凝土的力學性能和耐久性能通常是有利影響，對透水性能是不利影響。不同種類的礦物摻合料一般都存在最佳摻量，在最佳摻量條件下，透水混凝土的性能可以達到最佳，同時也能保證一定的透水性能。

c.目前研究主要集中在單摻某一類材料對透水混凝土的改性，今后研究可將多種不同材料組合添加，以充分利用各種材料的作用，通常外摻材料可以提高透水混凝土的某一項性能，針對不同場合的需求，可以有針對性的組合不同摻料，以達到預期目的。

d.對于透水混凝土的耐久性能研究較少，可以增加對耐久性能方面的試驗研究，如耐流水侵蝕試驗、抗硫酸鹽侵蝕試驗、耐磨性試驗、疲勞試驗和抗沖擊試驗等，完善透水混凝土耐久性能的評價與預測；同時對于耐久性能相關的試驗多以強度的損失來評價其耐久性能，但對于透水混凝土，還應考慮透水性能的變化，所以應增加耐久性試驗中透水性能的研究；現階段研究多以單因素為控制變量試驗，但在實際工程情況中，透水混凝土通常受到多因素作用，實驗室研究應考慮在多因素條件下的試驗分析。