含偏高嶺土的多孔混凝土可持續(xù)城市道路路面的物理和力學(xué)性能研究

申益銘

(黑龍江省泰斯特森工程檢測有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000)

0 引 言

可持續(xù)問題是目前建筑相關(guān)行業(yè)研究人員的主要研究問題之一，該行業(yè)占全球能源使用量的36%，二氧化碳排放量的40%。由于道路所造成的影響以及它們所能提供的環(huán)境效益，道路問題已經(jīng)得到相當(dāng)多的關(guān)注。21世紀(jì)初，地球總面積的3%已被人行道覆蓋。這帶來了許多問題，例如阻礙水文循環(huán)，造成徑流和水污染，以及由于人行道的太陽能吸收而導(dǎo)致城市地區(qū)溫度升高(城市熱島)。

在這些情況下，可持續(xù)城市排水系統(tǒng)(SUDS)的概念已經(jīng)提出用來處理雨水管理。多孔路面是最廣泛使用的SUDS類型，并且可以通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計，以處理熱島效應(yīng)和空氣污染。多孔路面最常用的材料是瀝青和水泥混凝土。后者被認為是減少水和溫度環(huán)境影響的良好解決方案，如果與多孔瀝青相比，它還對施工過程有利。少量使用多孔路面的問題仍然存在于其結(jié)構(gòu)中，其設(shè)計目的是保持高孔隙率，約為1%～30%，這導(dǎo)致承載能力低，限制了其在交通荷載下的抗壓能力。

因此，最近研究了不同替代材料，以部分或全部取代多孔混凝土中的水泥，從而獲得一種更加環(huán)保的路面。地質(zhì)聚合物開發(fā)就是這類研究。在激發(fā)劑提供的強堿性條件下，使用特定的粉末(如偏高嶺土、飛灰等)，可以產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成膠凝材料。而偏高嶺土作為地聚合物因其早期抗性和良好的耐化學(xué)性以及其他優(yōu)點如良好的耐火性而引起了相當(dāng)大的關(guān)注。此外，一些研究強調(diào)，地聚合物生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的溫室氣體排放量比硅酸鹽水泥低40%左右，使這種材料比傳統(tǒng)水泥混凝土對環(huán)境更友好。至于路面，地質(zhì)聚合物混合物的使用仍在研究中。偏高嶺土是粘土礦物高嶺土的一種脫水形態(tài)，在500～800 ℃溫度下煅燒得到，作為火山灰質(zhì)材料，被認為是普通硅酸鹽水泥的良好替代品。

1 實驗設(shè)計

1.1 設(shè)計方法論

對于多孔樣品的制備，采用了多孔混凝土設(shè)計方法，該過程可參考。該方法以ACI522R-10標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，消除了粗集料與砂的關(guān)系，將粗集料與砂的關(guān)系引入水泥凈漿的設(shè)計中，從而得到砂漿。因此，砂量改變了水泥和混合料的水量。粗集料的比例取決于其顆粒密度和孔隙率。同時，多孔混凝土設(shè)計從設(shè)計的建議孔隙率(AV)、砂灰比(S/C)和水灰比(W/C)開始。然后確定粗骨料重量。據(jù)此，可以計算砂漿的體積和重量，最終得到水、水泥和砂的用量。

采用EN1097-3標(biāo)準(zhǔn)計算骨料的空隙率。為了確定混合料設(shè)計中空隙率含量的參數(shù)，進行了兩次試驗(壓實和疏松集料)。根據(jù)多孔混凝土設(shè)計方法，骨料的空隙率有助于確定材料用量，其中骨料的空隙率越高，在混合料設(shè)計中提供的粗集料數(shù)量越少，而砂漿的摻量越高。當(dāng)考慮較低的骨料的空隙率量時，性能表現(xiàn)相反。

1.2 材料和混合物

采用石灰石集料并對所有混合料進行5～10 mm級的精細化處理。對照混合料采用425型硅酸鹽水泥，水灰比為0.30。試驗用偏高嶺土部分取代水泥，分別占水泥質(zhì)量的5%和10%，w/c為0.30。第一種混合物標(biāo)記為95c～5 mk，第二種標(biāo)記為90c～10 mk。

此外，還利用堿活化工藝制備了另外三種實驗混合物，用于制備最終混凝土的粘結(jié)劑。沒有使用水和分級分布保持恒定使用上述相同的設(shè)計參數(shù)。以100%偏高嶺土為待激發(fā)產(chǎn)物，采用硅酸鈉和氫氧化鈉按3∶1的比例混合作為活化劑，制備了標(biāo)記為100 mk的第一種混合物。這些材料的化學(xué)成份可以產(chǎn)生堿活化過程，正如先前的研究所得到的結(jié)論。由于材料的可加工性，所以采用了0.87的激發(fā)比。另外，在50 mk～50 bas和25 mk～75 bas兩種試驗混合物中，分別用玄武巖粉代替50%和75%偏高嶺土?？偣采a(chǎn)了六種不同的混合物，并進行了測試。石灰石骨料和材料特性分別見表1和表2。

表1 石灰石骨料特性

表2 材料特性

樣品的設(shè)計直徑為10 cm和6.5 cm高，壓縮在馬歇爾裝置內(nèi)，符合EN 12697-30標(biāo)準(zhǔn)。水泥混合物浸泡在水中養(yǎng)護28 d。地質(zhì)聚合物混合物被置于烤箱中，在70 ℃下烘烤12 h，然后在室溫下烘烤21 d。對于地聚物混合物，烘箱養(yǎng)護是一個常用的手段，以前的研究已經(jīng)驗證了相同的合成混合物的凝固時間和溫度。

1.3 地聚物砂漿的表征

為了表征地聚物漿料，對每種配合比澆鑄了3個4 cm×4 cm×4 cm的立方體，并在不同的養(yǎng)護時間(7 d和21 d)下進行了測試。值得注意的是，沒有針對地質(zhì)聚合物的特定測試或標(biāo)準(zhǔn)。因此，通常通過評估立方樣品的抗壓強度來分析力學(xué)性能，這些樣品符合標(biāo)準(zhǔn)，即硬化砂漿。從圖1中可以看出，從固化的第7 d到第21 d，含100%偏高嶺土的混合物和含50%偏高嶺土和50%玄武巖粉末的混合物的值似乎恒定，在10 MPa內(nèi)變化。由于偏高嶺土含量低，含有25%偏高嶺土和75%玄武巖粉的混合物在固化21 d時效果較差，因為玄武巖粉對聚集體顆粒沒有良好的附著力?？傮w而言，混合物在7 d后即可固化。

圖1 不同固化時間后的地質(zhì)聚合物混合物的抗壓強度

這進一步證實了堿活化材料的早期強度。而且，在養(yǎng)護7 d后，可以達到100 MK的抗壓強度甚至高于傳統(tǒng)波特蘭水泥混凝土的特征抗壓強度。由于所使用的材料和劑量不同，混合物的性能差異，決定對每種混合物僅測試一個樣品，因為目的是在相同的方法下觀察混合物的行為。

試驗方案是在評價混合料的總孔隙度(體積特性)、滲透率(水力性能)和間接拉伸強度(力學(xué)性能)的基礎(chǔ)上提出的。根據(jù)ASTM C1688標(biāo)準(zhǔn)，孔隙度(AV)可用公式(1)計算

(1)

式中：ρt對應(yīng)于體積密度，由按照EN1097-3標(biāo)準(zhǔn)制作混合物所用材料的總質(zhì)量之和除以模具體積計算，而ρ是從樣品的凈質(zhì)量除以容器體積得到的實際密度。

混合物的滲透率是用根據(jù)西班牙NLT 327/00標(biāo)準(zhǔn)改裝成實驗室用的下降水頭滲透儀獲得的。它由一個直徑10 cm的甲基丙烯酸酯管子組成，放在樣品的頂部，允許水流入樣品進行測試。這根管子是為20 cm的水柱校準(zhǔn)的。然后，利用達西定律，可以計算滲透率。

2 結(jié)果與討論

2.1 孔隙率和滲透率

總孔隙率(AV)和滲透率(k)，結(jié)果表明，用偏高嶺土(95C～5 MK和90C～10 MK)取代部分水泥后，孔隙率增加，滲透率提高。在這種情況下，用偏高嶺土代替5%的水泥可使?jié)B透率加倍。但是，偏高嶺土摻量增加10%可以認為是過量的，砂漿覆蓋集料更多，滲透率開始下降，表現(xiàn)出與對照混合料相同的結(jié)果?？梢哉f，偏高嶺土取代5%以上的水泥似乎對混合料的滲透性有負面影響。

2.2 密度和間接拉伸強度

由于具有較高的孔隙率，與水泥混合物相比，地聚合物混合物獲得的結(jié)果較低。在水泥混合料中，用偏高嶺土(95 C～5 MK)取代5%水泥時，其結(jié)果與對照混合料相比提高了18%，而當(dāng)偏高嶺土摻量增加到10%(90 C～10 MK)時，其結(jié)果降低到與對照混合料幾乎相同的值。在水泥混合料中，用偏高嶺土(95 C～5 MK)取代5%的水泥時，其結(jié)果與對照混合料相比提高了18%，密度沒有變化。

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)劑量的評價得出的結(jié)果，土聚合物混合物適用于低荷載的路面，如占城市較大面積的步行街，并且可以減少水泥的使用量，還可以在降雨期間防止徑流。

(2)根據(jù)目前的研究結(jié)果，可以考慮將水泥基混合料用于中等交通量的城市道路(二級街道)，這些道路占城市路面的比例很高，減少了一定數(shù)量的水泥，增加了土壤的滲透能力，特別是在降雨期間。

(3)含偏高嶺土的水泥混合物和含地聚合物漿體的混合物都是可持續(xù)路面的良好替代品，減少了水泥的使用。