粉煤灰和礦粉對透水混凝土強度的影響

何玉龍

（長春冀東水泥混凝土有限公司，吉林 長春 130031）

0 前言

隨著城市化進程的加速，城市道路逐漸被混凝土覆蓋，由于普通瀝青混凝土不透氣、不透水，地表很難與大氣進行熱交換，有研究表明城市的熱島效應(yīng)逐年加劇[1]。由于城市排水能力有限，雨后經(jīng)常出現(xiàn)大面積積水出現(xiàn)城市內(nèi)澇現(xiàn)象，由此會導(dǎo)致交通癱瘓和人民財產(chǎn)的損失[2]。為了提高人們生活的舒適度，解決城市路面的透水、透氣問題已經(jīng)迫在眉睫。透水混凝土具有優(yōu)良的透氣、透水性能，若能較好的應(yīng)用于城市路面，則可很大程度上改善上述現(xiàn)象[3]。不僅能解決城市道路快速排水問題，而且可以促進地下水循環(huán)，凈化地表徑流，改善生態(tài)環(huán)境[4]。

透水混凝土通常不含有細骨料，主要由膠凝材料包覆粗骨料相互粘結(jié)而成。透水混凝土呈均勻蜂窩狀，與普通混凝土相比較其孔隙率較大。透水混凝土主要應(yīng)用于公園人行道、停車場、綠化帶、城市廣場等[5]。對改善城市區(qū)域熱島效應(yīng)、減少地表徑流和水資源治理、促進城市空氣循環(huán)有明顯作用[6]。透水混凝土骨料之間主要靠膠凝材料相互粘結(jié)，因其孔隙率一般都在 20% 左右所以抗壓強度較低，因此摻合料改性膠材一直是透水混凝土研究的熱點[7-8]。為降低成本并改善膠材的粘結(jié)強度和膠材與骨料的包裹效果，本文主要以粉煤灰和礦粉作為摻合料，考察摻合料單摻和復(fù)摻后對透水混凝土抗壓強度的影響。為摻合料在透水混凝土中的應(yīng)用提供一些實際參考價值。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥：采用唐山冀東 P·O42.5 級普通硅酸鹽水泥，具體性能指標見表1。

粉煤灰：采用Ⅱ級灰，細度（45μm篩余）12.5%，需水量比為 100%。

表1 水泥性能指標

礦粉：采用 S75 級，密度 2890kg/m3，比表面積416m2/kg，燒失量＜1.6%。

外加劑：聚羧酸系母液復(fù)配，減水率不小于 22%。

粗骨料：5～10mm 細石，表觀密度 2780kg/m3，堆積密度 1640kg/m3，壓碎值＜8%。

1.2 試件制備

為使膠材充分包裹骨料，攪拌時先投入骨料再投入20% 水，使骨料表面潤濕，再將膠凝材料一次性投料，然后將外加劑摻入水中投料。當骨料表面完全包裹膠材且泛有光澤時停止加水，整個攪拌時間控制在 90s 內(nèi)。將拌合物分層裝入模具中并充分插搗模具邊緣。為使骨料充分填裝模具且顆粒之間接觸充分，本試驗采用壓制成型并分三層填裝，成型壓力為 1MPa，恒定壓力時間為 30s。成型模具尺寸為邊長 150mm 的立方體，3 個為一組，24h 后拆模，放入標準條件下養(yǎng)護。

1.3 試驗方法

透水混凝土的抗壓強度 TYE-2000A 型壓力機上進行，加載速度為 0.3～0.5MPa/s。試驗結(jié)果根據(jù) GB/T 50107—2010《混凝土強度檢驗評定標準》進行評定。透水系數(shù)的測定采用常水頭法進行測定，即排水口和給水口始終保持恒定水頭，為了保證測量的穩(wěn)定性并具有可比較性，測量時始終保持水流為層流狀態(tài)[8]。

2 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)前期試配研究，細石取 1620kg/m3，膠材總量為 400kg/m3，外加劑摻量 1%，水灰比為 0.24，考察粉煤灰和礦粉摻量分別在 10%、20%、30%、40%、50%時對透水混凝土抗壓強度的影響，其中編號 C-0 為不用摻合料的對比試驗，具體配合比和試驗結(jié)果見表2。

表2 透水混凝土配合比及力學性能

2.1 單摻粉煤灰對透水混凝土抗壓強度的影響

單摻粉煤灰對透水混凝土抗壓強度的影響試驗結(jié)果見圖1。從圖1 可見，透水混凝土 28d 和 60d 抗壓強度均隨粉煤灰摻量的增加先增加而后降低。其中 28d和 60d 的抗壓強度分別在粉煤灰摻量為 20% 和 30% 時達到最大值，分別為 28.1MPa 和 30.4MPa。從兩條折線的走勢來看粉煤灰摻量在 30% 時后期強度增加幅度較大，當摻量超過 30% 后，后期強度增加幅度逐漸減小。試驗證明透水混凝土中摻入適量粉煤灰對其抗壓強度有益，但摻量過大反而會導(dǎo)致抗壓強度的下降。

摻粉煤灰后透水混凝土抗壓強度增加主要歸功于粉煤灰的火山灰效應(yīng)，粉煤灰在混凝土中之所以表現(xiàn)出火山灰活性主要原因是粉煤灰中的活性 SiO2和 Al2O3玻璃體與水泥水化產(chǎn)生的堿性物質(zhì) Ca(OH)2發(fā)生化學反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等凝膠。水化產(chǎn)物填充水泥空隙更加致密，增加骨料與水泥石界面粘結(jié)區(qū)域的密實度，表現(xiàn)在宏觀力學上抗壓強度的提高。隨養(yǎng)護時間的推移，活性 SiO2和 Al2O3玻璃體不斷被 Ca(OH)2激發(fā)，生成更多的凝膠體，所以 60d 的抗壓強度均高于 28d 的抗壓強度。當粉煤灰摻量過多時，水泥相對減少，水泥水化產(chǎn)生的 Ca(OH)2含量相對減少，不足以激發(fā)粉煤灰中的活性 SiO2和 Al2O3玻璃體，所以水化后的C-H-S 凝膠體相對減少，增加了過渡區(qū)的微觀缺陷，表現(xiàn)出大摻量粉煤灰導(dǎo)致抗壓強度的降低。所以當粉煤灰摻量超過 30% 時 60d 抗壓強度曲線出現(xiàn)下降趨勢。

圖1 粉煤灰對透水混凝土抗壓強度的影響

2.2 單摻礦粉對透水混凝土抗壓強度的影響

不同摻量礦粉對透水混凝土抗壓強度的影響見圖2，具體數(shù)據(jù)見表2。由圖2 可知，透水混凝土的抗壓強度隨礦粉摻量的增加先增大后減小，28d 和 60d 抗壓強度在 30% 摻量時達到最大，分別為 29.4MPa 和33.5MPa。隨養(yǎng)護時間的延長，透水混凝土的抗壓強度均有不同程度的增加。究其原因，礦粉主要活性成分為 CaO、SiO2和 Al2O3，隨水泥水化反應(yīng)的進行，礦渣粉中的活性成分被水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物 Ca(OH)2所激發(fā)，生成 C-H-S 凝膠和纖維狀的 AFt。礦渣粉水化生成的C-H-S 凝膠具有非常致密的特性，填充水泥水化后產(chǎn)生的空隙，增加了硬化體的抗壓強度。另外礦渣粉的微集料效應(yīng)也是混凝土抗壓強度增加的原因之一，因為礦渣粉比表面積比水泥小，磨細礦渣粉可填充水泥顆粒間隙，改變水泥顆粒級配，使混凝土水化產(chǎn)物形成自密實體，所以混凝土抗壓強度較空白試驗增加。隨著養(yǎng)護時間的延長，水化產(chǎn)物逐漸增多，硬化體孔隙率減小，所以透水混凝土隨養(yǎng)護時間的延長抗壓強度增加。從圖中可見，當?shù)V渣粉產(chǎn)量超過 30% 時透水混凝土的抗壓強度逐漸下降。原因是當?shù)V渣粉取代水泥量過多時，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的 Ca(OH)2不足以將礦渣粉中的活性組分完全激發(fā)，所以有部分礦渣粉在短期內(nèi)沒有發(fā)生水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物相對減少，所以宏觀上表現(xiàn)出混凝土抗壓強度降低。

圖2 礦粉對透水混凝土抗壓強度的影響

2.3 兩種摻合料復(fù)摻的協(xié)同作用

綜合粉煤灰與礦粉單摻數(shù)據(jù)，兩種摻合料復(fù)摻后代替水泥的 30%，研究粉煤灰和礦粉的不同比例對混凝土28d 抗壓強度的影響結(jié)果見表3 和圖3。

由圖表可知，當粉煤灰與礦粉比例在 6∶4 時，28d抗壓強度達到最大值 32.2MPa。究其原因，水泥水化后生成大量的堿性 Ca(OH)2，pH 可達到 12，可激發(fā)粉煤灰和礦粉中的活性物質(zhì)，生成致密的水化產(chǎn)物 C-H-S 凝膠和少量的 AFt，填充水泥因水化產(chǎn)生的空隙。同時礦粉水化產(chǎn)物聚集在粉煤灰玻璃體周圍，可作為晶核促進粉煤灰的水化進程。另外水泥、粉煤灰、礦粉的比表面積依次增大，三種膠凝材料之間可形成緊密堆積效應(yīng)，少量的未水化顆粒可作為微集料進行填充，減少體系的孔隙率，使硬化體強度更高。當?shù)V粉摻量過高時水泥摻量相對減少，短期內(nèi)礦粉和粉煤灰無法完全水化，水化產(chǎn)物相對減少，所以表相出抗壓強度降低。所以復(fù)摻兩種礦物摻合料時粉煤灰與礦粉的比例在 6∶4 為宜。

表3 粉煤灰和礦粉復(fù)摻比例對混凝土強度的影響

圖3 粉煤灰與礦粉復(fù)摻比例與混凝土強度的關(guān)系

3 結(jié)論

單摻粉煤灰的 28d 和 60d 的抗壓強度分別在20% 和 30% 摻量時達到最大值，分別為 27.9MPa 和30.4MPa。當摻量超過 30% 時抗壓強度曲線出現(xiàn)下降趨勢。所以單摻粉煤灰應(yīng)控制在 30% 以內(nèi)。

單摻礦粉時透水混凝土的抗壓強度隨礦粉摻量的增加先增大后減小，28d 和 60d 抗壓強度在 30% 摻量時達到最大，分別為 28.9MPa 和 33.5MPa。當摻量超過30% 時抗壓強度逐漸降低。所以單摻礦粉時應(yīng)控制在30% 以內(nèi)。

從經(jīng)濟效益和實際強度來看，粉煤灰與礦粉比例為6∶4 為宜。當抗壓強度要求低時可繼續(xù)增大兩種摻合料的總摻量，此時可很大程度上節(jié)約成本。

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