堿激發(fā)礦渣粉煤灰透水混凝土性能研究

邊偉，馬昆林，龍廣成，劉婉婉，張傳芹

堿激發(fā)礦渣粉煤灰透水混凝土性能研究

邊偉1, 2，馬昆林2，龍廣成2，劉婉婉2，張傳芹3

(1. 山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032；2. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；3. 江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 徐州 221116)

以磨細礦渣(SL)和粉煤灰(FA)為原料、鈉水玻璃為堿激發(fā)劑，石灰石碎石為粗骨料，制備堿激發(fā)礦渣粉煤灰透水混凝土(AASFPC)。研究漿體層厚度與液固比對AASFPC抗壓強度、有效孔隙率及透水系數(shù)的影響，并對比AASFPC與普通透水水泥混凝土(OPC)的力學、透水及耐酸雨侵蝕性能。研究結(jié)果表明：液固比為0.45，包裹骨料的漿體層厚度為0.40～0.50 mm時，隨漿體層厚度增加，AASFPC的抗壓強度增大，有效孔隙率和透水系數(shù)減?。划敯橇系臐{體層厚度為0.50 mm，液固比在0.45～0.55時，隨液固比增加，AASFPC的抗壓強度減小，有效孔隙率和透水系數(shù)稍有增大；包裹骨料的漿體層厚度對AASFPC性能的影響力要顯著于液固比，可將其作為AASFPC配合比設(shè)計重要指標參數(shù)；漿體層厚度相同時，AASFPC的力學性能和耐酸雨性能均優(yōu)于硅酸鹽水泥配制的透水混凝土(OPC)，透水性能略低于OPC但仍滿足規(guī)范要求，堿激發(fā)礦渣-粉煤灰膠凝材料可用于制備高性能綠色透水混凝土。

堿激發(fā)；透水混凝土；漿體層厚度；液固比；性能

透水混凝土是一種新型多孔路面材料，具有透水、透氣、吸熱、降噪以及凈化水質(zhì)等諸多優(yōu)點[1?4]，已成為建設(shè)生態(tài)海綿城市最有效的技術(shù)手段之 一[5]。但是，目前透水混凝土的制備主要采用水泥基膠凝材料，硬化后存在強度偏低問題，如何在不影響透水性能的前提下提高透水混凝土強度仍是一個亟待解決的問題。堿激發(fā)膠凝材料是近年來發(fā)展起來的一種新型無機非金屬膠凝材料，是由硅鋁酸鹽原料在堿激發(fā)作用下形成的具有無定型三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的無機聚合物[6]。堿激發(fā)膠凝材料的原材料主要為粉煤灰、礦渣和偏高嶺土，不含水泥，減少了生產(chǎn)水泥過程中的CO2的排放[7]，同時有效地提高了礦渣、粉煤灰等工業(yè)廢料的資源化利用，將堿激發(fā)膠凝材料應(yīng)用于建筑工程、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域符合節(jié)能減排、綠色低碳可持續(xù)發(fā)展的要求。與普通Portland水泥相比，堿激發(fā)膠凝材料具有水化熱低、早期強度高、耐久性好、綠色環(huán)保、成本低等諸多優(yōu)點[8?10]，被認為是一種具有廣闊應(yīng)用前景的新型綠色膠凝材料。國內(nèi)外學者基本采用水泥基膠凝材料制備透水混凝土，而將堿激發(fā)膠凝材料應(yīng)用于透水混凝土的研究甚少。Tho-In等[11?13]均采用堿激發(fā)粉煤灰膠凝材料成功制備出透水混凝土，但其抗壓強度均偏低。徐慶等[14]采用堿激發(fā)礦渣制備了透水混凝土，主要研究了堿激發(fā)劑模數(shù)對其性能的影響。SUN等[15]利用礦渣、偏高嶺土制備了地聚合物透水混凝土，并對其強度、密度和透水性進行了研究，結(jié)果表明采用堿激發(fā)膠凝材料透水混凝土不僅環(huán)保，而且比透水水泥混凝土具有更好的力學性能和透水性能。從上述研究結(jié)果可以看出，雖然已有研究人員成功將堿激發(fā)膠凝材料應(yīng)用于透水混凝土，但仍存在試件強度與透水性之間關(guān)系，耐久性等問題需要進一步研究。同時，礦渣作為堿激發(fā)原材料時會造成快凝、收縮大現(xiàn)象[16]，粉煤灰作為堿激發(fā)原材料時需要比較高的養(yǎng)護溫度[17]。因此，如何更好地將堿激發(fā)膠凝材料用于制備綠色透水混凝土極具研究意義。鑒于此，本文將采用礦渣、粉煤灰雙組分作為膠凝材料，鈉水玻璃作為堿激發(fā)劑來制備透水混凝土，較系統(tǒng)地對其抗壓強度、透水性能以及其耐酸雨侵蝕性能進行研究，為今后采用堿激發(fā)膠凝材料制備透水混凝土提供一定的技術(shù)支持。

1 試驗

1.1 原材料

水泥(C)為兆山新星集團湖南有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5水泥，礦渣(SL)采用湖南湘潭鋼廠提供的磨細礦渣，粉煤灰(FA)采用湖南湘潭電廠的F類粉煤灰，其主要技術(shù)指標見表1所示。粗骨料(G)為單一粒徑為4.75~9.5 mm的普通石灰石碎石，表觀密度為2 700 kg/m3，堆積密度為1 600 kg/m3，空隙率為40.7%。堿激發(fā)溶液(AA)為采用由水玻璃、固態(tài)NaOH和水調(diào)配而成的鈉水玻璃，其基本性質(zhì)見表2。拌合用水(W)為自來水。減水劑(SP)為湖南金華達建材有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，減水率 20.1%，固體含量 25.4%，比重為1.04。

1.2 試驗方法

1.2.1 配合比設(shè)計

透水混凝土在結(jié)構(gòu)和性能方面均與普通混凝土有很大的區(qū)別，適用于普通混凝土的基于強度的鮑羅米公式也將不再適用于透水混凝土配合比設(shè)計。采用基于漿體層厚度的透水混凝土配合比設(shè)計方法[18]設(shè)計透水混凝土。此方法認為膠凝漿體對骨料顆粒僅有包裹作用而無填充骨料間隙作用。其設(shè)計原理是：首先計算在緊密堆積狀態(tài)下單位體積透水混凝土的骨料顆?？倲?shù)目和總表面積；然后結(jié)合體積法通過有效孔隙率需求確定漿體層厚度范圍，預設(shè)漿體層厚度確定漿體體積；最后由漿體體積和液固比確定各原材料的用量。表3為試驗所用粗骨料比表面積計算表。

表1 水泥、礦渣、粉煤灰的主要性能指標

表2 堿激發(fā)溶液的主要性能指標

有研究[18]認為漿體層厚度介于0.14~0.55 mm時可保證透水混凝土硬化后孔隙率在15%~35%之內(nèi)。因此，為了研究漿體層厚度對AASFPC各項性能的影響，本文選用了3種漿體層厚度(0.50，0.45和0.40 mm)。

為了確定AASFPC的液固比(堿激發(fā)溶液與礦渣/粉煤灰的質(zhì)量比)的合理范圍，本文在前期進行了探究性試驗。結(jié)果表明，聚羧酸高效減水劑對硅酸鹽水泥具有良好的減水效果但對AASFPC無效；當液固比低于0.45時，AASFPC拌合物過于干稠，黏聚性差，難以成型密實。因此，為了研究液固比對AASFPC各項性能的影響，選取了3種液固比(0.45，0.50，0.55)。

同時，本文還設(shè)置普通透水水泥混凝土(OPC)作為對照組(CG)。試驗配合比見表4。

表3 粗骨料比表面積計算表

表4 堿激發(fā)礦渣粉煤灰透水混凝土配合比

1.2.2 制備方法

透水混凝土的投料方式采用二次投料法(圖1)。成型方式采用人工夯擊法，分2層裝料，裝好第1層后用模具夯擊5次壓實，用鏟子將表面刨毛，再裝第2層，用模具夯擊10次壓實，夯擊高度為200 mm，最后加以整平。最后放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至規(guī)定齡期。

圖1 二次投料法

1.2.3 測試方法

1) 抗壓強度

透水混凝土試件的抗壓強度依據(jù)GB/T 50081—2016《普通混凝土力學性能測試方法》中的混凝土立方體抗壓強度試驗方法進行測試。

2) 有效孔隙率

透水混凝土的有效孔隙率采用排水法進行測定，測試裝置見圖2。按下式計算試件的孔隙率：

式中：P為有效孔隙率，%；m1為試件在水中的質(zhì)量，g；m2為試件烘干后的質(zhì)量，g；ρw為水的密度，g/cm3；V為試件的體積，cm3。

3) 透水系數(shù)

透水系數(shù)是表征透水混凝土排水性能的最直接指標，測試方法根據(jù)水頭狀況可分為2種：常水頭法和變水頭法。變水頭法適用于測試流量小的滲透性能差的材料，而常水頭法適用于測試滲透系數(shù)較大的材料[19]。本試驗研究的透水混凝土孔隙率都在20%以上，滲透能力較強，采用變水頭法測試發(fā)現(xiàn)滲水速度太快，難以精確測試時間，因此采用常水頭法測試透水系數(shù)，測試裝置示意圖見圖3。按下式計算試件的透水系數(shù)：

式中：K為透水系數(shù)，mm/s；Q為T時間內(nèi)的出水量，cm3；L為試件厚度，mm；A為試件底面積，cm2；H為水位差，cm；T為測試時間，s。

4) 耐酸雨侵蝕性能

透水混凝土的耐酸雨侵蝕性通過質(zhì)量損失率和抗壓強度耐蝕系數(shù)表征。質(zhì)量損失率和抗壓強度耐蝕系數(shù)分別按式(3)和式(4)計算。

式中：K為透水混凝土質(zhì)量損失率，%；0為透水混凝土試樣侵蝕前的質(zhì)量，g；M為透水混凝土試樣侵蝕次后的質(zhì)量，g。

式中：K為透水混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)，%；f0為與酸雨侵蝕試樣相同齡期的標準養(yǎng)護試樣的抗壓強度，MPa；f為侵蝕次后的試樣抗壓強 度，MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學性能

圖4為漿體層厚度與齡期對透水混凝土抗壓強度的影響。當液固比均為0.45時，AA1~AA3組的 28 d抗壓強度分別為16.4，18.0和24.7 MPa，可見隨著漿體層厚度的增加，AASFPC的抗壓強度隨之增大。當漿體層厚度較薄時(AA1)，此時透水混凝土處于圖5(a)結(jié)構(gòu)，骨料顆粒之間幾乎都是點接觸C1，當漿體層厚度變厚時(AA3)，此時透水混凝土處于圖5(b)結(jié)構(gòu)，骨料顆粒之間變成面接觸C2，其機械咬合力和摩擦力均變大，黏結(jié)力增大，透水混凝土的整體強度也隨之增大。

圖4 漿體層厚度與齡期對透水混凝土抗壓強度的影響

圖5 透水混凝土結(jié)構(gòu)模型圖

對比AA3和CG組，當漿體層厚度相同均為0.50 mm時，AASFPC的28 d抗壓強度可達25 MPa，遠大于OPC的15.6 MPa，且AASFPC的抗壓強度增長速率也略大于OPC。一方面，堿激發(fā)膠凝材料與水泥漿相比具有凝結(jié)硬化快特點；另一方面，AASFPC的水化產(chǎn)物沒有Ga(OH)2[21]，同時粗骨料中的鋁硅成分在堿激發(fā)條件下參與聚合反應(yīng)[22]，消除了界面過渡區(qū)，漿體與骨料之間的黏結(jié)力顯著提高。基于上述2方面原因，使得AASFPC的抗壓強度增長速度與絕對值均遠大于OPC。

對比AA5與CG組可知，AA5組的漿體層厚度低于CG組，AA5組漿體量為470.1 kg/m3，CG 組的漿體量為533.9 kg/m3，但二者的7 d和28 d的強度卻相差不大，可見當需求強度相同時AASFPC的原材料投入量遠低于OPC。

圖6為液固比與齡期對透水混凝土抗壓強度的影響。當漿體層厚度相同均為0.50 mm時，AA3~ AA5組的28 d抗壓強度分別為24.7，21.1和17.6 MPa，可見隨著液固比的增大，AASFPC的抗壓強度隨之減小。AA3~AA5組的28 d抗壓強度均大于CG組，可見漿體層厚度相同時，盡管AASFPC的液固比遠大于OPC的液固比，但其強度要高于OPC。

圖6 液固比與齡期對透水混凝土抗壓強度的影響

結(jié)合圖5和圖6可以看出，當漿體層厚度從0.50 mm減小到0.45 mm和0.40 mm時，AASFPC的28 d抗壓強度分別減小了6.7 MPa和8.3 MPa；當液固比從0.45增大到0.50和0.55時，AASFPC的28 d抗壓強度分別減小了3.6 MPa和7.1 MPa。由此可見，漿體層厚度對AASFPC的抗壓強度影響力要略微顯著于液固比。顯然，從強度需求來說，可將漿體層厚度作為透水混凝土配合比設(shè)計的首要要素。

2.2 透水性能

圖7和圖8分別為漿體層厚度和液固比對透水混凝土有效孔隙率和透水系數(shù)的影響。結(jié)合2圖可以看出，透水混凝土的有效孔隙率和透水系數(shù)的變化趨勢具有很好的一致性。

對比圖7 中AA1~AA3組，當液固比相同均為0.50時，隨著漿體層厚度的增加，AASFPC的有效孔隙率和透水系數(shù)隨之減小。當漿體層厚度不大于0.50 mm時，AASFPC的有效孔隙率不低于20%，透水系數(shù)不低于4.5 mm/s，遠大于行業(yè)標準CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的連續(xù)孔隙率≥10%，透水系數(shù)≥0.5 mm/s。

圖7 漿體層厚度對透水混凝土有效孔隙率和透水系數(shù)的影響

對比圖8 中AA3~AA5組，當漿體層厚度相同均為0.50 mm時，隨著液固比的增加，AASFPC的有效孔隙率和透水系數(shù)均隨之小幅度增大。AA3~ AA5組的有效孔隙率和透水系數(shù)均小于CG組，可見當漿體層厚度相同時，AASFPC的透水性能要略低于OPC。

結(jié)合圖7和圖8可以看出，當漿體層厚度從0.50 mm減小到0.45 mm和0.40 mm時，AASFPC的28 d有效孔隙率和透水系數(shù)分別增大3.34%，7.98%和0.5 mm/s，1.68 mm/s；當液固比從0.45增大到0.50和0.55時，AASFPC的28 d有效孔隙率和透水系數(shù)分別增大0.93%，1.55%和0.07 mm/s，0.24 mm/s。由此可見，漿體層厚度對AASFPC的透水性能影響力要遠遠顯著于液固比。顯然，從透水需求來說，也可將漿體層厚度作為透水混凝土配合比設(shè)計的首要要素。

圖8 液固比對透水混凝土有效孔隙率和透水系數(shù)的影響

2.3 耐酸雨侵蝕性能

選取AA3與CG組分別代表OPC和AASFPC進行耐酸雨侵蝕試驗。圖9為OPC和AASFPC受酸雨侵蝕不同時期的外觀形貌。

對于OPC，在酸雨侵蝕15 d時，試件外表幾乎無明顯變化；當侵蝕時間達到30 d時，試件表面泛黃，部分集料棱邊棱角裸露；隨著侵蝕時間的延長達到45 d時，部分集料表面漿體大面積溶蝕；當侵蝕時間達到60 d后，試件表面漿體大部分溶蝕，集料裸露，部分小粒徑集料剝落。對于AASFPC，外觀形貌變化規(guī)律與OPC基本相同，但在經(jīng)歷相同侵蝕時間，OPC的形貌變化相比AASFPC更 嚴重。

圖10為OPC與AASFPC在酸雨侵蝕下質(zhì)量損失率的變化曲線。從圖10可知，隨著侵蝕的不斷進行，OPC與AASFPC的質(zhì)量損失隨之增大，且AASFPC的質(zhì)量損失率明顯慢于OPC。當侵蝕15 d時，OPC和AASFPC的質(zhì)量損失率分別為3.0%和2.0%，而當侵蝕進行到60 d時，OPC和AASFPC的質(zhì)量損失率分別為5.0%和3.7%。由此可見，在侵蝕的前期階段(≤15 d)，質(zhì)量損失速度較快，但在侵蝕后期(＞15 d)質(zhì)量損失速度減緩，這一規(guī)律與普通混凝土相反。對于普通混凝土，酸雨侵蝕由表及里，而對于透水混凝土，在侵蝕前期酸雨可以通過孔隙直接進入混凝土的內(nèi)部，初始與漿體的接觸面積就比較大，加進入到侵蝕后期，部分漿體已被完全侵蝕，反而使酸雨與混凝土的接觸面積減小，從而減緩了腐蝕速度。

圖9 OPC與AASFPC在酸雨侵蝕下外觀形貌變化

圖11為OPC與AASFPC受酸雨侵蝕后強度耐蝕系數(shù)變化曲線。從圖11 可知，隨著侵蝕的不斷進行，OPC的抗壓強度一直降低，而AASFPC的抗壓強度在前期(≤15 d)略有增加而后期(＞15 d)逐漸降低，但在相同侵蝕時間下AASFPC的抗壓強度耐蝕系數(shù)要高于OPC。當經(jīng)歷60 d酸雨侵蝕時，OPC與AASFPC的抗壓強度耐蝕系數(shù)分別為67.6%和85.4%。這主要是AASFPC不存在界面過渡區(qū)，減緩酸雨侵蝕介質(zhì)的侵入和腐蝕速度。在經(jīng)歷15 d侵蝕時，AASFPC的抗壓強度反而略有增大，相比同齡期標準養(yǎng)護試件提高5%左右；當酸雨侵蝕進行到30 d，AASFPC的強度耐蝕系數(shù)為100.8%，基本與同齡期標準養(yǎng)護試件強度一致。可見對于AASFPC，其內(nèi)部粉煤灰二次水化反應(yīng)引起的強度增長可以緩解酸雨侵蝕造成的強度損失，間接地延長了其耐酸雨侵蝕壽命。

圖10 OPC與AASFPC在酸雨侵蝕下質(zhì)量損失率變化曲線

圖11 OPC與AASFPC在酸雨侵蝕下強度耐蝕系數(shù)變化曲線

綜合外觀形貌、質(zhì)量以及抗壓強度的變化可以看出，當漿體層厚度相同均為0.50 mm時，AASFPC的耐酸雨侵蝕性能遠遠優(yōu)于OPC。

3 結(jié)論

1) 漿體層厚度在0.40~0.50 mm范圍內(nèi)時，隨著漿體層厚度的增加，AASFPC的抗壓強度隨之增大，有效孔隙率和透水系數(shù)隨之減??；當漿體層厚度為0.50 mm，液固比在0.45~0.55范圍內(nèi)時，隨著液固比的增加，AASFPC的抗壓強度隨之減小，有效孔隙率和透水系數(shù)均隨之小幅度增大。

2) 漿體層厚度對AASFPC性能的影響力要顯著于液固比，可將其作為AASFPC配合比設(shè)計重要指標參數(shù)。

3) 漿體層厚度相同時，AASFPC的力學性能和耐酸雨性能均優(yōu)于OPC，透水性能略低于OPC但仍滿足規(guī)范要求。

4) 堿激發(fā)礦渣?粉煤灰膠凝材料合理利用廢棄物且不含水泥，節(jié)能減排，低碳環(huán)保，綜合性能良好，可用于制備高性能綠色透水混凝土。

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Study on properties of pervious concrete with alkali-activated slag-fly ash

BIAN Wei1, 2, MA Kunlin2, LONG Guangcheng2, LIU Wanwan2, ZHANG Chuanqin3

(1. Shanxi Transportation Technology Research & Development Co., Ltd, Taiyuan 030032, China;2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;3. Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology, Xuzhou 221116, China)

Pervious concrete specimens with alkali-activated slag-fly ash (AASFPC) were prepared with slag (SL) and fly ash (FA) as raw materials, sodium silicate as an activator, and limestone gravel as coarse aggregate. The effects of slurry layer thickness and liquid-solid ratio on the compressive strength, effective porosity and permeability coefficient of AASFPC were investigated. The properties of mechanical, permeability and erosion resistance to acid rain of AASFPC and ordinary permeable concrete (OPC) were compared. The results show that when the liquid-solid ratio is 0.45 and the thickness of slurry layer covering aggregate is between 0.40 mm and 0.50 mm, as the slurry layer thickness increases, the compressive strength of AASFPC increases, and the effective porosity and permeability coefficient decrease. When the thickness of the slurry layer covering aggregate is 0.50 mm and the liquid-solid ratio is between 0.45 and 0.55, as the liquid-solid ratio increases, the compressive strength of AASFPC decreases, and the effective porosity and permeability coefficient increase slightly. The influence of the thickness of slurry layer covering aggregate on the properties of AASFPC is significantly higher than that of liquid-solid ratio, so the slurry layer thickness can be used as the important indicator of the mix design of pervious concrete. When the thickness of the slurry layer is identical, the properties of mechanical and erosion resistance to acid rain of AASFPC are better than that of OPC, and the permeability of AASFPC is slightly lower than that of OPC but far satisfies the specification requirements. The alkali-activated slag-fly ash cementitious material can be used to prepare high performance pervious concrete.

alkali-activated; pervious concrete; slurry layer thickness; liquid-solid ratio; property

TU528

A

1672 ? 7029(2020)02 ? 0349 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.20190365

2019?04?29

國家自然科學基金資助項目(51808329)；山西省重點研發(fā)計劃項目(201803D31216-1)；山西省優(yōu)秀人才項目科技創(chuàng)新項目(201705D211030)；江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學院一般項目(JYA318-01)

馬昆林(1976?)，男，云南昆明人，教授，博士，從事土木工程材料研究；E?mail：makunlin@csu.edu.cn

(編輯 涂鵬)