碱激发矿渣粉煤灰透水混凝土性能研究

边伟，马昆林，龙广成，刘婉婉，张传芹

碱激发矿渣粉煤灰透水混凝土性能研究

边伟1, 2，马昆林2，龙广成2，刘婉婉2，张传芹3

(1. 山西省交通科技研发有限公司，山西 太原 030032；2. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；3. 江苏建筑职业技术学院，江苏 徐州 221116)

以磨细矿渣(SL)和粉煤灰(FA)为原料、钠水玻璃为碱激发剂，石灰石碎石为粗骨料，制备碱激发矿渣粉煤灰透水混凝土(AASFPC)。研究浆体层厚度与液固比对AASFPC抗压强度、有效孔隙率及透水系数的影响，并对比AASFPC与普通透水水泥混凝土(OPC)的力学、透水及耐酸雨侵蚀性能。研究结果表明：液固比为0.45，包裹骨料的浆体层厚度为0.40～0.50 mm时，随浆体层厚度增加，AASFPC的抗压强度增大，有效孔隙率和透水系数减小；当包裹骨料的浆体层厚度为0.50 mm，液固比在0.45～0.55时，随液固比增加，AASFPC的抗压强度减小，有效孔隙率和透水系数稍有增大；包裹骨料的浆体层厚度对AASFPC性能的影响力要显著于液固比，可将其作为AASFPC配合比设计重要指标参数；浆体层厚度相同时，AASFPC的力学性能和耐酸雨性能均优于硅酸盐水泥配制的透水混凝土(OPC)，透水性能略低于OPC但仍满足规范要求，碱激发矿渣-粉煤灰胶凝材料可用于制备高性能绿色透水混凝土。

碱激发；透水混凝土；浆体层厚度；液固比；性能

透水混凝土是一种新型多孔路面材料，具有透水、透气、吸热、降噪以及净化水质等诸多优点[1−4]，已成为建设生态海绵城市最有效的技术手段之 一[5]。但是，目前透水混凝土的制备主要采用水泥基胶凝材料，硬化后存在强度偏低问题，如何在不影响透水性能的前提下提高透水混凝土强度仍是一个亟待解决的问题。碱激发胶凝材料是近年来发展起来的一种新型无机非金属胶凝材料，是由硅铝酸盐原料在碱激发作用下形成的具有无定型三维网络结构的无机聚合物[6]。碱激发胶凝材料的原材料主要为粉煤灰、矿渣和偏高岭土，不含水泥，减少了生产水泥过程中的CO2的排放[7]，同时有效地提高了矿渣、粉煤灰等工业废料的资源化利用，将碱激发胶凝材料应用于建筑工程、交通运输等领域符合节能减排、绿色低碳可持续发展的要求。与普通Portland水泥相比，碱激发胶凝材料具有水化热低、早期强度高、耐久性好、绿色环保、成本低等诸多优点[8−10]，被认为是一种具有广阔应用前景的新型绿色胶凝材料。国内外学者基本采用水泥基胶凝材料制备透水混凝土，而将碱激发胶凝材料应用于透水混凝土的研究甚少。Tho-In等[11−13]均采用碱激发粉煤灰胶凝材料成功制备出透水混凝土，但其抗压强度均偏低。徐庆等[14]采用碱激发矿渣制备了透水混凝土，主要研究了碱激发剂模数对其性能的影响。SUN等[15]利用矿渣、偏高岭土制备了地聚合物透水混凝土，并对其强度、密度和透水性进行了研究，结果表明采用碱激发胶凝材料透水混凝土不仅环保，而且比透水水泥混凝土具有更好的力学性能和透水性能。从上述研究结果可以看出，虽然已有研究人员成功将碱激发胶凝材料应用于透水混凝土，但仍存在试件强度与透水性之间关系，耐久性等问题需要进一步研究。同时，矿渣作为碱激发原材料时会造成快凝、收缩大现象[16]，粉煤灰作为碱激发原材料时需要比较高的养护温度[17]。因此，如何更好地将碱激发胶凝材料用于制备绿色透水混凝土极具研究意义。鉴于此，本文将采用矿渣、粉煤灰双组分作为胶凝材料，钠水玻璃作为碱激发剂来制备透水混凝土，较系统地对其抗压强度、透水性能以及其耐酸雨侵蚀性能进行研究，为今后采用碱激发胶凝材料制备透水混凝土提供一定的技术支持。

1 试验

1.1 原材料

水泥(C)为兆山新星集团湖南有限公司生产的P·O 42.5水泥，矿渣(SL)采用湖南湘潭钢厂提供的磨细矿渣，粉煤灰(FA)采用湖南湘潭电厂的F类粉煤灰，其主要技术指标见表1所示。粗骨料(G)为单一粒径为4.75~9.5 mm的普通石灰石碎石，表观密度为2 700 kg/m3，堆积密度为1 600 kg/m3，空隙率为40.7%。碱激发溶液(AA)为采用由水玻璃、固态NaOH和水调配而成的钠水玻璃，其基本性质见表2。拌合用水(W)为自来水。减水剂(SP)为湖南金华达建材有限公司生产的聚羧酸高效减水剂，减水率 20.1%，固体含量 25.4%，比重为1.04。

1.2 试验方法

1.2.1 配合比设计

透水混凝土在结构和性能方面均与普通混凝土有很大的区别，适用于普通混凝土的基于强度的鲍罗米公式也将不再适用于透水混凝土配合比设计。采用基于浆体层厚度的透水混凝土配合比设计方法[18]设计透水混凝土。此方法认为胶凝浆体对骨料颗粒仅有包裹作用而无填充骨料间隙作用。其设计原理是：首先计算在紧密堆积状态下单位体积透水混凝土的骨料颗粒总数目和总表面积；然后结合体积法通过有效孔隙率需求确定浆体层厚度范围，预设浆体层厚度确定浆体体积；最后由浆体体积和液固比确定各原材料的用量。表3为试验所用粗骨料比表面积计算表。

表1 水泥、矿渣、粉煤灰的主要性能指标

表2 碱激发溶液的主要性能指标

有研究[18]认为浆体层厚度介于0.14~0.55 mm时可保证透水混凝土硬化后孔隙率在15%~35%之内。因此，为了研究浆体层厚度对AASFPC各项性能的影响，本文选用了3种浆体层厚度(0.50，0.45和0.40 mm)。

为了确定AASFPC的液固比(碱激发溶液与矿渣/粉煤灰的质量比)的合理范围，本文在前期进行了探究性试验。结果表明，聚羧酸高效减水剂对硅酸盐水泥具有良好的减水效果但对AASFPC无效；当液固比低于0.45时，AASFPC拌合物过于干稠，黏聚性差，难以成型密实。因此，为了研究液固比对AASFPC各项性能的影响，选取了3种液固比(0.45，0.50，0.55)。

同时，本文还设置普通透水水泥混凝土(OPC)作为对照组(CG)。试验配合比见表4。

表3 粗骨料比表面积计算表

表4 碱激发矿渣粉煤灰透水混凝土配合比

1.2.2 制备方法

透水混凝土的投料方式采用二次投料法(图1)。成型方式采用人工夯击法，分2层装料，装好第1层后用模具夯击5次压实，用铲子将表面刨毛，再装第2层，用模具夯击10次压实，夯击高度为200 mm，最后加以整平。最后放入标准养护室养护至规定龄期。

图1 二次投料法

1.2.3 测试方法

1) 抗压强度

透水混凝土试件的抗压强度依据GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能测试方法》中的混凝土立方体抗压强度试验方法进行测试。

2) 有效孔隙率

透水混凝土的有效孔隙率采用排水法进行测定，测试装置见图2。按下式计算试件的孔隙率：

式中：P为有效孔隙率，%；m1为试件在水中的质量，g；m2为试件烘干后的质量，g；ρw为水的密度，g/cm3；V为试件的体积，cm3。

3) 透水系数

透水系数是表征透水混凝土排水性能的最直接指标，测试方法根据水头状况可分为2种：常水头法和变水头法。变水头法适用于测试流量小的渗透性能差的材料，而常水头法适用于测试渗透系数较大的材料[19]。本试验研究的透水混凝土孔隙率都在20%以上，渗透能力较强，采用变水头法测试发现渗水速度太快，难以精确测试时间，因此采用常水头法测试透水系数，测试装置示意图见图3。按下式计算试件的透水系数：

式中：K为透水系数，mm/s；Q为T时间内的出水量，cm3；L为试件厚度，mm；A为试件底面积，cm2；H为水位差，cm；T为测试时间，s。

4) 耐酸雨侵蚀性能

透水混凝土的耐酸雨侵蚀性通过质量损失率和抗压强度耐蚀系数表征。质量损失率和抗压强度耐蚀系数分别按式(3)和式(4)计算。

式中：K为透水混凝土质量损失率，%；0为透水混凝土试样侵蚀前的质量，g；M为透水混凝土试样侵蚀次后的质量，g。

式中：K为透水混凝土抗压强度耐蚀系数，%；f0为与酸雨侵蚀试样相同龄期的标准养护试样的抗压强度，MPa；f为侵蚀次后的试样抗压强 度，MPa。

2 结果与讨论

2.1 力学性能

图4为浆体层厚度与龄期对透水混凝土抗压强度的影响。当液固比均为0.45时，AA1~AA3组的 28 d抗压强度分别为16.4，18.0和24.7 MPa，可见随着浆体层厚度的增加，AASFPC的抗压强度随之增大。当浆体层厚度较薄时(AA1)，此时透水混凝土处于图5(a)结构，骨料颗粒之间几乎都是点接触C1，当浆体层厚度变厚时(AA3)，此时透水混凝土处于图5(b)结构，骨料颗粒之间变成面接触C2，其机械咬合力和摩擦力均变大，黏结力增大，透水混凝土的整体强度也随之增大。

图4 浆体层厚度与龄期对透水混凝土抗压强度的影响

图5 透水混凝土结构模型图

对比AA3和CG组，当浆体层厚度相同均为0.50 mm时，AASFPC的28 d抗压强度可达25 MPa，远大于OPC的15.6 MPa，且AASFPC的抗压强度增长速率也略大于OPC。一方面，碱激发胶凝材料与水泥浆相比具有凝结硬化快特点；另一方面，AASFPC的水化产物没有Ga(OH)2[21]，同时粗骨料中的铝硅成分在碱激发条件下参与聚合反应[22]，消除了界面过渡区，浆体与骨料之间的黏结力显著提高。基于上述2方面原因，使得AASFPC的抗压强度增长速度与绝对值均远大于OPC。

对比AA5与CG组可知，AA5组的浆体层厚度低于CG组，AA5组浆体量为470.1 kg/m3，CG 组的浆体量为533.9 kg/m3，但二者的7 d和28 d的强度却相差不大，可见当需求强度相同时AASFPC的原材料投入量远低于OPC。

图6为液固比与龄期对透水混凝土抗压强度的影响。当浆体层厚度相同均为0.50 mm时，AA3~ AA5组的28 d抗压强度分别为24.7，21.1和17.6 MPa，可见随着液固比的增大，AASFPC的抗压强度随之减小。AA3~AA5组的28 d抗压强度均大于CG组，可见浆体层厚度相同时，尽管AASFPC的液固比远大于OPC的液固比，但其强度要高于OPC。

图6 液固比与龄期对透水混凝土抗压强度的影响

结合图5和图6可以看出，当浆体层厚度从0.50 mm减小到0.45 mm和0.40 mm时，AASFPC的28 d抗压强度分别减小了6.7 MPa和8.3 MPa；当液固比从0.45增大到0.50和0.55时，AASFPC的28 d抗压强度分别减小了3.6 MPa和7.1 MPa。由此可见，浆体层厚度对AASFPC的抗压强度影响力要略微显著于液固比。显然，从强度需求来说，可将浆体层厚度作为透水混凝土配合比设计的首要要素。

2.2 透水性能

图7和图8分别为浆体层厚度和液固比对透水混凝土有效孔隙率和透水系数的影响。结合2图可以看出，透水混凝土的有效孔隙率和透水系数的变化趋势具有很好的一致性。

对比图7 中AA1~AA3组，当液固比相同均为0.50时，随着浆体层厚度的增加，AASFPC的有效孔隙率和透水系数随之减小。当浆体层厚度不大于0.50 mm时，AASFPC的有效孔隙率不低于20%，透水系数不低于4.5 mm/s，远大于行业标准CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》中规定的连续孔隙率≥10%，透水系数≥0.5 mm/s。

图7 浆体层厚度对透水混凝土有效孔隙率和透水系数的影响

对比图8 中AA3~AA5组，当浆体层厚度相同均为0.50 mm时，随着液固比的增加，AASFPC的有效孔隙率和透水系数均随之小幅度增大。AA3~ AA5组的有效孔隙率和透水系数均小于CG组，可见当浆体层厚度相同时，AASFPC的透水性能要略低于OPC。

结合图7和图8可以看出，当浆体层厚度从0.50 mm减小到0.45 mm和0.40 mm时，AASFPC的28 d有效孔隙率和透水系数分别增大3.34%，7.98%和0.5 mm/s，1.68 mm/s；当液固比从0.45增大到0.50和0.55时，AASFPC的28 d有效孔隙率和透水系数分别增大0.93%，1.55%和0.07 mm/s，0.24 mm/s。由此可见，浆体层厚度对AASFPC的透水性能影响力要远远显著于液固比。显然，从透水需求来说，也可将浆体层厚度作为透水混凝土配合比设计的首要要素。

图8 液固比对透水混凝土有效孔隙率和透水系数的影响

2.3 耐酸雨侵蚀性能

选取AA3与CG组分别代表OPC和AASFPC进行耐酸雨侵蚀试验。图9为OPC和AASFPC受酸雨侵蚀不同时期的外观形貌。

对于OPC，在酸雨侵蚀15 d时，试件外表几乎无明显变化；当侵蚀时间达到30 d时，试件表面泛黄，部分集料棱边棱角裸露；随着侵蚀时间的延长达到45 d时，部分集料表面浆体大面积溶蚀；当侵蚀时间达到60 d后，试件表面浆体大部分溶蚀，集料裸露，部分小粒径集料剥落。对于AASFPC，外观形貌变化规律与OPC基本相同，但在经历相同侵蚀时间，OPC的形貌变化相比AASFPC更 严重。

图10为OPC与AASFPC在酸雨侵蚀下质量损失率的变化曲线。从图10可知，随着侵蚀的不断进行，OPC与AASFPC的质量损失随之增大，且AASFPC的质量损失率明显慢于OPC。当侵蚀15 d时，OPC和AASFPC的质量损失率分别为3.0%和2.0%，而当侵蚀进行到60 d时，OPC和AASFPC的质量损失率分别为5.0%和3.7%。由此可见，在侵蚀的前期阶段(≤15 d)，质量损失速度较快，但在侵蚀后期(＞15 d)质量损失速度减缓，这一规律与普通混凝土相反。对于普通混凝土，酸雨侵蚀由表及里，而对于透水混凝土，在侵蚀前期酸雨可以通过孔隙直接进入混凝土的内部，初始与浆体的接触面积就比较大，加进入到侵蚀后期，部分浆体已被完全侵蚀，反而使酸雨与混凝土的接触面积减小，从而减缓了腐蚀速度。

图9 OPC与AASFPC在酸雨侵蚀下外观形貌变化

图11为OPC与AASFPC受酸雨侵蚀后强度耐蚀系数变化曲线。从图11 可知，随着侵蚀的不断进行，OPC的抗压强度一直降低，而AASFPC的抗压强度在前期(≤15 d)略有增加而后期(＞15 d)逐渐降低，但在相同侵蚀时间下AASFPC的抗压强度耐蚀系数要高于OPC。当经历60 d酸雨侵蚀时，OPC与AASFPC的抗压强度耐蚀系数分别为67.6%和85.4%。这主要是AASFPC不存在界面过渡区，减缓酸雨侵蚀介质的侵入和腐蚀速度。在经历15 d侵蚀时，AASFPC的抗压强度反而略有增大，相比同龄期标准养护试件提高5%左右；当酸雨侵蚀进行到30 d，AASFPC的强度耐蚀系数为100.8%，基本与同龄期标准养护试件强度一致。可见对于AASFPC，其内部粉煤灰二次水化反应引起的强度增长可以缓解酸雨侵蚀造成的强度损失，间接地延长了其耐酸雨侵蚀寿命。

图10 OPC与AASFPC在酸雨侵蚀下质量损失率变化曲线

图11 OPC与AASFPC在酸雨侵蚀下强度耐蚀系数变化曲线

综合外观形貌、质量以及抗压强度的变化可以看出，当浆体层厚度相同均为0.50 mm时，AASFPC的耐酸雨侵蚀性能远远优于OPC。

3 结论

1) 浆体层厚度在0.40~0.50 mm范围内时，随着浆体层厚度的增加，AASFPC的抗压强度随之增大，有效孔隙率和透水系数随之减小；当浆体层厚度为0.50 mm，液固比在0.45~0.55范围内时，随着液固比的增加，AASFPC的抗压强度随之减小，有效孔隙率和透水系数均随之小幅度增大。

2) 浆体层厚度对AASFPC性能的影响力要显著于液固比，可将其作为AASFPC配合比设计重要指标参数。

3) 浆体层厚度相同时，AASFPC的力学性能和耐酸雨性能均优于OPC，透水性能略低于OPC但仍满足规范要求。

4) 碱激发矿渣−粉煤灰胶凝材料合理利用废弃物且不含水泥，节能减排，低碳环保，综合性能良好，可用于制备高性能绿色透水混凝土。

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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

国家自然科学基金资助项目(51808329)；山西省重点研发计划项目(201803D31216-1)；山西省优秀人才项目科技创新项目(201705D211030)；江苏建筑职业技术学院一般项目(JYA318-01)

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

(编辑 涂鹏)