堿激發礦渣－赤泥新型低碳透水混凝土性能研究

吳敏　王晨　王安輝　段偉　張潔雅　董曉強

摘 要：以粒化高爐礦渣與拜耳法赤泥兩種工業固廢作為膠凝材料，硅酸鈉溶液作為堿激發劑，石灰巖碎石作為粗骨料，制備透水混凝土，研究了設計孔隙率、水膠比與骨料粒徑對透水混凝土強度與透水性能的影響。結果表明：隨設計孔隙率增大，試樣的強度逐漸減小，但透水性能逐漸增強。最優水膠比受設計孔隙率和骨料粒徑的影響，當透水混凝土設計孔隙率為１５％、骨料粒徑為４．７５～９．５０ ｍｍ 時，最優水膠比為０．３６，其強度較高且具有良好的透水性能。堿礦渣－赤泥透水混凝土的力學與透水性能均優于水泥透水混凝土，符合低碳綠色的發展理念。

關鍵詞：透水混凝土；赤泥；礦渣；設計孔隙率；水膠比；骨料粒徑

中圖分類號：ＴＵ５０２ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０４．０２５

引用格式：吳敏，王晨，王安輝，等．堿激發礦渣－赤泥新型低碳透水混凝土性能研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（４）：１４８－１５２．

０ 引言

隨著城市化進程的推進，城市內澇、水污染和城市熱島效應等問題日益凸顯［１－２］ 。我國政府和學者提出以“海綿城市”建設來緩解上述問題，透水混凝土作為其建設的關鍵材料逐漸被重視起來［３］ 。

目前，透水混凝土已經廣泛應用于道路及市政工程中，用于路面材料時，能夠補充地下水資源，恢復土壤蓄水、滲水的功能，同時能夠降低城市的排水壓力，有效地調節城市地表的濕度和溫度，極大地緩解熱島效應［４］ ；用作透水混凝土樁時，能夠加快超靜孔隙水壓力消散，減輕擠土效應，提高地基抗震性能，防止地基液化［５］ 。但是目前透水混凝土中的膠凝材料主要采用水泥，而水泥作為膠凝材料其凝結硬化后強度偏低，另外，水泥在生產過程中消耗大量的化石能源和自然資源，排放大量ＣＯ２并污染環境，極大地限制了其廣泛應用與綠色低碳發展［６］ 。

大量研究表明：赤泥、礦渣、粉煤灰等工業固廢在堿激發作用下可以發揮其較高的活性，并具有強度高、耐高溫、耐腐蝕等優點［７］ ，可以替代水泥作為新的膠凝材料，受到了國內外學者的廣泛關注。Ｔｈｏ－Ｉｎ 等［８］利用堿激發粉煤灰作為膠凝材料制備出力學性能良好的透水混凝土。Ｓｕｎ 等［９］ 利用堿激發礦渣、偏高嶺土作為膠凝材料制作透水混凝土，進行了骨料粒徑對透水混凝土抗壓強度及透水性能的影響與微觀機理的研究。邊偉等［１０］ 利用礦渣和粉煤灰作為膠凝材料，系統地研究了漿體層厚度、固液比對于透水混凝土強度以及透水性能的影響，并且評價了其長期耐久性能。孫科科等［１１］ 利用堿激發偏高嶺土制備透水混凝土，研究了ＳｉＯ２ ／ Ａｌ２Ｏ３、Ｎａ２Ｏ／ Ａｌ２Ｏ３和Ｈ２ Ｏ／ Ｎａ２ Ｏ 的物質量比對透水混凝土抗凍性能的影響。上述研究表明，堿激發礦渣強度較高，但是體系凝結時間相對較短，極大限制了其使用與發展。摻入工業固廢赤泥后，能夠極大地改善了膠凝材料的工作性能，是水泥的良好替代品［１２－１３］ 。

本研究將拜耳法赤泥和礦渣作為膠凝材料、水玻璃作為激發劑來制作透水混凝土，系統地研究了透水混凝土力學與透水性能，以期為堿礦渣和赤泥作為膠凝材料來制作透水混凝土提供技術支持。

１ 原材料和試驗方法

１．１ 原材料

水泥為Ｐ·Ｏ ４２．５ 水泥，礦渣采用Ｓ９５ 礦渣，赤泥選自山西孝義市某鋁廠，性能指標見表１。粗骨料為３種不同級配的石灰巖碎石，基本性能指標見表２，堿激發劑為水玻璃（模數為２．２３，產自河南某公司，Ｎａ２ Ｏ·２．２３ＳｉＯ２），利用ＮａＯＨ 進行模數調配。

１．２ 試驗方案

主要研究設計孔隙率（ｅ）、水膠比（ｃ）與骨料粒徑（ＰＳ）對透水混凝土強度、透水性能的影響。３ 種變量的具體參數見表３。

１．３ 試樣制備

經預實驗分析及參考已有研究結果，膠凝材料中赤泥與礦渣比例設置為３ ∶ ７，水玻璃模數為２．０，水玻璃摻量為５％［１４］ 。首先，將水玻璃倒入水中攪拌均勻；其次，將粗骨料和５０％的水玻璃溶液加入攪拌機中，攪拌３０ ｓ，使得粗骨料表面充分浸濕，倒入赤泥和礦渣，攪拌９０ ｓ，使膠凝材料均勻包裹石子；最后，將剩余的水玻璃溶液加入攪拌機中，繼續攪拌９０ ｓ，稱取混合料分別裝入１００ ｍｍ×１００ ｍｍ×１００ ｍｍ 的方形模具與Φ１００ ｍｍ×Ｈ５０ ｍｍ 的圓柱形模具中，插搗成型。在試塊表面覆蓋一層塑料薄膜養護２４ ｈ 后拆模。將試件置于標準養護箱中，養護２８ ｄ。

２ 試驗方法

參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（ＧＢ／Ｔ ５００８１—２０１９）［１５］ 進行力學性能測試，參照《透水水泥混凝土路面技術規程》（ＣＪＪ／ Ｔ １３５—２００９）［１６］ 規定的方法進行透水性能測試。將試樣置于有機玻璃套筒中間位置，測試前須將試塊充分飽水，通過在試塊側壁涂抹凡士林，然后敷上橡膠墊層，防止試塊邊緣漏水，試樣及測試儀器如圖１ 所示。

３ 試驗結果與分析

３．１ 力學性能

３．１．１ 設計孔隙率對透水混凝土強度的影響

當ＰＳ 為４．７５～９．５０ ｍｍ 時，ｅ 對透水混凝土抗壓強度的影響見圖２。

由圖２ 可知，隨著ｅ 的增大，透水混凝土的強度逐漸降低。當ｅ 為１０％時，不同ｃ（０．３２、０．３４、０．３６、０．３８）值情況下，透水混凝土的強度達到最高，分別為２３．１、２４．７、２０．８、１８．６ ＭＰａ。其原因可能是在利用體積法進行配合比計算時，利用粗骨料緊密堆積密度確定其單位體積的用量，即通過改變膠凝材料用量來改變透水混凝土的設計孔隙率，當ｅ 為１０％時，膠凝材料用量較多，漿體層較厚，粗骨料之間的接觸面積較大［見圖３（ａ）］，使得其機械咬合力和摩擦力增大，因此其強度較高。隨著透水混凝土ｅ 增大，膠凝材料用量變少，骨料之間的接觸面積變小［見圖３（ｂ）］，當ｅ 為２５％時，骨料間的接觸近似點與點接觸，其內部形成大量的薄弱面，易導致應力集中，因此其強度較低，分別為５．９、６．５、７．９、８．８ ＭＰａ。

３．１．２ 水膠比對透水混凝土強度的影響

當ＰＳ 為４．７５～９．５０ ｍｍ 時，ｃ 對透水混凝土抗壓強度的影響見圖４。從圖４ 可以看出ｃ 對于透水混凝土力學性能的影響不同于普通混凝土。隨著ｃ 的增大，透水混凝土的抗壓強度呈現先上升后降低的趨勢，存在一個最佳ｃ 值使得其抗壓強度達到最優，與陳守開等［１７］ 的研究結果一致。對水膠比與抗壓強度關系曲線進行分析，可得：

ｙ ＝ａｘ２ ＋ｂｘ＋ｄ （１）

式中：ａ、ｂ、ｄ 為擬合參數（見表４）。

在水膠比一定時，孔隙率越小，強度越高。當設計孔隙率為１５％、２０％時，最優水膠比為０．３６，此時透水混凝土強度達到最大（分別為１８．２、１４．２ ＭＰａ）。由圖２ 可知，ＰＳ ＝４．７５～９．５０ ｍｍ，ｅ ＝１０％時，最優ｃ 為０．３４。

上述現象出現的原因是在膠凝材料一定的情況下，水膠比較低時，膠凝材料拌和物流動性較差，膠凝材料不能完全水化，出現積聚成團的現象，以致骨料不能完全被膠凝材料包裹［見圖５（ａ）］；隨著水膠比增大，拌和物的狀態有所改善，膠凝材料均勻包裹石子，表面呈現出金屬光澤［見圖５（ｂ）］。當水膠比較大時，膠凝材料漿體過于稀疏，導致大量膠凝材料沉底，甚至失去透水性能［見圖５（ｃ）］。

對比圖２、圖４ 可知，不同設計孔隙率條件下，水膠比對于透水混凝土抗壓強度的影響存在差異，說明孔隙率與水膠比對抗壓強度均有一定的影響、可能存在交互作用，因此需同時考慮設計孔隙率和水膠比這兩個因素，將設計孔隙率、水膠比、強度三者繪制在三維空間中（見圖６），分析三者的相關關系，進行曲面擬合，數據點較為均勻地分布在曲面的兩側，可用二元二次模型表示為

ｚ ＝－１ ５１７．８５ｅ２ ＋０．００５ ８ｃ２ ＋９６７ｅ－３．５ｃ＋６．７ｅｃ－１１９（Ｒ２ ＝０．９５） （２）

式中：ｚ 為抗壓強度。

式（２）確定性系數Ｒ２ 為０．９５，說明該模型的準確性較高，可通過該模型進行透水混凝土的強度估算。

３．１．３ 骨料粒徑對抗壓強度的影響

粗骨料是透水混凝土的結構骨架，對透水混凝土的力學性能有著重要影響。當ｅ 為１５％時，不同ＰＳ 對透水混凝土抗壓強度的影響如圖７ 所示。由圖７ 可知，隨著ＰＳ 的增大，透水混凝土的抗壓強度逐漸減小，當水膠比為０．３４、ＰＳ 由４．７５～９．５０ ｍｍ 增大至９．５０～１３．２０ ｍｍ時，透水混凝土的抗壓強度從１５． ６ ＭＰａ 減小到１４．３ ＭＰａ，降低了８％，抗壓強度減小趨勢較弱；當ＰＳ 為１３．２０～１６．００ ｍｍ 時，抗壓強度為１０．２ ＭＰａ，降低了２９％。主要原因為：粗骨料粒徑越大，其比表面積就會越小，單位面積粗骨料表面包裹的膠凝凝材料將會減少，同時隨著骨料粒徑的增大，透水混凝土內部的孔隙將會變大，骨料間的接觸點減少，最終導致其強度降低［１８］ 。

由圖７ 可知，當ｃ ＝ ０．３２、ｅ ＝ １５％時，隨著ＰＳ 的增大，抗壓強度有增大的趨勢。這是因為水膠比是透水混凝土的重要影響因素，當目標孔隙率一定時，不同ＰＳ 對應的最優水膠比不同。當ＰＳ 為１３．２０～１６．００ ｍｍ 時，最優ｃ 為０．３２，而在此水膠比下，ＰＳ 為４．７５～９．５０ ｍｍ 的透水混凝土拌和效果較差［見圖５（ａ）］，且強度較低。

３．２ 透水性能

３．２．１ 設計孔隙率對透水性能的影響

當ＰＳ 為４．７５～９．５０ ｍｍ 時，ｅ 對透水混凝土透水系數的影響如圖８ 所示。隨著ｅ 的增大，透水系數逐漸增大。ｅ 反映透水混凝土的密實程度，當ｅ 較小時，透水混凝土的密實程度較高，透水性能差；當ｅ 較大時，透水混凝土的密實度較低，結構內部具有較多的有效孔隙，但是其薄弱面較多，導致應力集中，容易破壞。其中ｅ 為１５％時，透水系數為０．３２ ｃｍ／ ｓ、遠高于規范要求［１６］ 。

由圖８ 與圖２ 對比可知，透水混凝土的力學與透水性能不可兼得，因此找尋合適的設計孔隙率，同時滿足較高的強度且有良好的透水性能是關鍵所在。

３．２．２ 水膠比對透水性能的影響

當ＰＳ 為４．７５～９．５０ ｍｍ 時，ｃ 對于透水混凝土透水系數的影響如圖９ 所示。與圖４ 對比可知，ｃ 對透水混凝土的力學與透水性能的影響呈現出相同趨勢，最優水膠比使得透水混凝土的力學與透水性能達到最優。

在最優ｃ、ＰＳ 為４．７５～９．５０ ｍｍ 時，不同ｅ 的透水混凝土抗壓強度分別為２３．１、１８．２、１４．２、８．８ ＭＰａ，透水系數分別為０．１３、０．３２、０．４１、０．５３ ｃｍ／ ｓ，ｅ 為１０％時，雖然強度較高，但透水性能較差，而當ＰＳ 為２５％時，抗壓強度只有８．８ ＭＰａ。從圖２ 和圖８ 中可以看出，設計孔隙率從１０％增加至１５％時，抗壓強度降低了２１％，有效地改善了其透水性能。當設計孔隙率從１５％增加至２０％時，抗壓強度從１８．２ ＭＰａ 減小至１４．２ ＭＰａ、降低了２２％，透水系數從０．３２ ｃｍ／ ｓ 增大至０．４１ ｃｍ／ ｓ，增大了２８％，且透水混凝土孔隙率越大、越容易堵塞［１９］ 。因此，當ｅ 為１５％，其抗壓強度為１８．２ ＭＰａ、透水系數為０．３２ ｃｍ／ ｓ、有效孔隙率為１６．８％，透水混凝土既有較高的抗壓強度又有良好的透水性能。

３．２．３ 骨料粒徑對透水性能的影響

當ｅ ＝１５％時，不同骨料粒徑對透水系數的影響如圖１０ 所示。由圖１０ 可知，透水混凝土的透水系數隨著骨料粒徑的增大而逐漸增大。當水膠比大于０．３４時，ＰＳ ＝９．５０～１３．２０ ｍｍ 與ＰＳ ＝１３．２０～１６．００ ｍｍ 的透水混凝土存在漿體沉底的現象。

對比圖１０ 與圖７ 可知，隨著骨料粒徑的增大，透水混凝土的透水性能有所改善，但是其強度在逐漸下降。

當ＰＳ ＝４．７５～９．５０ ｍｍ、ｅ ＝１５％、ｃ ＝０．３６ 時，堿礦渣赤泥透水混凝土的抗壓強度為１８．２ ＭＰａ，透水系數為０．３２ ｃｍ／ ｓ，既有較高的強度又能保證其透水性能。在同一配比下，利用水泥作為膠凝材料制作透水混凝土，其２８ ｄ 抗壓強度為１６．３ ＭＰａ，透水系數為０．２７ ｃｍ／ ｓ，表明堿礦渣赤泥透水混凝土［見圖１１（ａ）］的綜合性能優于水泥透水混凝土［見圖１１（ｂ）］。

４ 結論

１）透水混凝土力學與透水性能是不能完全兼得的。隨著強度的增大，其透水性能逐漸降低。當堿礦渣透水混凝土的設計孔隙率為１５％、水膠比為０．３６、骨料粒徑為４．７５～９．５０ ｍｍ 時，其強度為１８．２ ＭＰａ、透水系數為０．３２ ｃｍ／ ｓ，既有較高的強度又能保證其透水性能。

２）設計孔隙率、水膠比與骨料粒徑是影響透水混凝土的重要因素，且三者相互影響。當骨料粒徑為４．７５～９．５０ ｍｍ、設計孔隙率為１０％時，最優的水膠比為０．３２；設計孔隙率為１５％、２０％時，最優水膠比為０．３６；設計孔隙率為２５％時，最優水膠比為０．３８。

３）孔隙率與水膠比對透水混凝土強度存在交互作用，同時考慮設計孔隙率和水膠比兩個因素，建立了基于設計孔隙率、水膠比的透水混凝土強度預測二元二次模型。

４）堿礦渣赤泥透水混凝土的力學與透水性能均優于傳統的水泥透水混凝土，符合低碳、綠色的發展理念，可大力推廣。

參考文獻：

［１］ 陶濤，肖濤，王林森，等．海綿城市低影響開發設施多目標優化設計［Ｊ］．同濟大學學報（自然科學版），２０１９，４７（１）：９２－９６．

［２］ 徐宗學，陳浩，任梅芳，等．中國城市洪澇致災機理與風險評估研究進展［Ｊ］．水科學進展，２０２０，３１（５）：７１３－７２４．

［３］ ＸＩＡ Ｊ，ＺＨＡＮＧ Ｙ，ＸＩＯＮＧ Ｌ，ｅｔ ａｌ．Ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｉｅｓ ａｎｄ Ｃｈａｌ?ｌｅｎｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｐｏｎｇｅ Ｃｉｔｙ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ＵｒｂａｎＷａｔｅｒ Ｉｓｓｕｅｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｃｈｉｎａ（Ｅａｒｔｈ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ），２０１７，６０（４）：６５２－６５８．

［４］ 楊鋒．利用固廢材料制備透水混凝土及其性能影響因素研究［Ｄ］．南京：東南大學，２０２０：１－２．

［５］ 孫長申．透水剛性樁復合地基模型試驗研究［Ｄ］．南京：東南大學，２０１９：９－１３．

［６］ 羅雷，郭旸旸，李寅明，等．碳中和下水泥行業低碳發展技術路徑及預測研究［Ｊ］．環境科學研究，２０２２，３５（６）：１５２７－１５３７．

［７］ 鄭文忠，鄒夢娜，王英．堿激發膠凝材料研究進展［Ｊ］．建筑結構學報，２０１９，４０（１）：２８－３９．

［８］ ＴＨＯ?ＩＮ Ｔ，ＳＡＴＡＶ，ＣＨＩＮＤＡＰＲＡＳＩＲＴＰ，ｅｔ ａｌ．Ｐｅｒｖｉｏｕｓ Ｈｉｇｈ?Ｃａｌｃｉｕｍ Ｆｌｙ Ａｓｈ Ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ［Ｊ］．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０１２，３０：３６６－３７１．

［９］ ＳＵＮ Ｚ，ＬＩＮ Ｘ，ＶＯＬＬＰＲＡＣＨＴ Ａ．Ｐｅｒｖｉｏｕｓ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｍａｄｅ ｏｆＡｌｋａｌｉ Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｓｌａｇ ａｎｄ Ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒｓ［Ｊ］．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０１８，１８９：７９７－８０３．

［１０］ 邊偉，馬昆林，龍廣成，等．堿激發礦渣粉煤灰透水混凝土性能研究［Ｊ］．鐵道科學與工程學報，２０２０，１７（２）：３４９－３５７．

［１１］ 孫科科，彭小芹，冉鵬，等．地聚合物混凝土抗凍性影響因素［Ｊ］．材料導報，２０２１，３５（２４）：２４０９５－２４１００，２４１０６．

［１２］ ＫＵＭＡＲ Ａ，ＳＡＲＡＶＡＮＡＮ Ｔ Ｊ，ＢＩＳＨＴ Ｋ，ｅｔ ａｌ．Ａ Ｒｅｖｉｅｗｏｎ ｔｈｅ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｅｄ Ｍｕｄ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆＧｅｏｐｏｌｙｍｅｒ ａｎｄ Ａｌｋａｌｉ Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ［Ｊ］．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０２１，３０２：１２４１７０．

［１３］ 高海浪，蔣林華，喻驍，等．堿激發礦渣混凝土耐久性研究進展［Ｊ］．混凝土，２０１５（８）：４９－５２．

［１４］ 丁鑄，洪鑫，朱繼翔，等．堿激發赤泥－礦渣地聚合物水泥的研究［Ｊ］．電子顯微學報，２０１８，３７（２）：１４５－１５３．

［１５］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部．混凝土物理力學性能試驗方法標準：ＧＢ／ Ｔ ５０８１—２０１９［Ｓ］．北京：中國建筑工業出版社，２０１９：５－３６．

［１６］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部．透水水泥混凝土路面技術規程：ＣＪＪ／ Ｔ １３５—２００９［Ｓ］．北京：中國建筑工業出版社，２００９：２３－２５．

［１７］ 陳守開，陳家林，符永淇文，等．再生骨料透水混凝土性能的統計規律分析［Ｊ］．人民黃河，２０１９，４１（８）：１４８－１５２．

［１８］ 蔣正武，孫振平，王培銘．若干因素對多孔透水混凝土性能的影響［Ｊ］．建筑材料學報，２００５，８（５）：５１３－５１９．

［１９］ 崔新壯，張炯，黃丹，等．暴雨作用下透水混凝土路面快速堵塞試驗模擬［Ｊ］．中國公路學報，２０１６，２９（１０）：１－１１，１９．

【責任編輯 簡 群】

基金項目：國家自然科學基金資助項目（５２１０８３３２）；江蘇省自然科學基金資助項目（ＢＫ２０２１００５１）；南京市建設系統科技計劃項目（Ｋｓ２１５３）；山西住房和城鄉建設廳２０２１ 年科學技術計劃項目