一種新型透水混凝土的性能研究

呂新鋒，谷向民，孫健，王敏

（山東魯碧建材有限公司，山東 濟南 271100）

0 引言

透水混凝土是由一系列相連通的孔隙和混凝土實體部分骨架構成的具有透氣透水性的多孔水泥基混凝土，其作為路面材料，具有透水、透氣、凈化水質等諸多優點，已成為建設生態海綿城市最有效的技術手段之一。但是，目前透水混凝土主要存在硬化后強度偏低的問題[1,2]。膠結層強度對透水混凝土強度具有較大影響，如何在不影響透水性能的前提下提高透水混凝土強度是亟待解決的問題。堿激發膠凝材料是由?；郀t礦渣微粉和堿性激發劑制備而成，其具有抗壓強度高、耐酸堿腐蝕等優異性能，符合節能減排、綠色低碳環境友好的要求。邊偉[3]等以磨細礦渣和粉煤灰為原料、鈉水玻璃為堿激發劑制備透水混凝土，其力學性能高于硅酸鹽水泥配制的透水混凝土（OPC），但透水性能略低于OPC。徐慶[4]等采用氫氧化鈉及水玻璃作為堿激發液來激發高爐礦粉體系，主要探討了堿激發劑模數對透水混凝土性能的影響。

本文采用礦渣微粉和粉煤灰作為膠凝材料，鈉水玻璃作為堿激發劑來制備透水混凝土，對其抗壓強度、透水性能進行研究，為制備透水混凝土提供一定的技術支持。

1 試驗用原材料

粗骨料：單一粒徑 4.75～9.5mm 的普通石灰石碎石，表觀密度為 2685kg/m3，堆積密度為 1580kg/m3。

硅酸鈉：市售工業級硅酸鈉粉末，模數為 2.31，ω(Na2O)=24.1，ω(SiO2)=54.0。

氫氧化鈉：市售片狀氫氧化鈉，純度為 99%。

水泥：山東魯碧建材有限公司生產的 P·O42.5 水泥，其化學成分如表 1 所示。

礦渣微粉：用山東魯碧建材有限公司生產的 S95級礦渣微粉，經過深加工得到的產品，其表觀密度為2880kg/m3，比表面積不小于 700m2/kg。其化學成分如表 1 所示。

粉煤灰：濟南市萊蕪區南電廠生產的Ⅱ級粉煤灰，表觀密度為 2540kg/m3，比表面積為 480m2/kg，其化學成分如表 1 所示。

表1 水泥、礦粉、粉煤灰化學成分及組成 %

2 試驗內容

2.1 配合比設計

透水混凝土配合比設計是將各原材料的體積與孔隙體積之和作為混凝土的體積來計算。據此，可以根據不同組分的體積分數推導堿激發膠凝材料透水混凝土的配合比設計公式，公式如下：

式中：

Mg、Mc、Mf、Mw、Ms、Mw水玻璃——分別為 1 立方體積內骨料、水泥、礦物摻合料、水、細骨料、水玻璃溶液的質量，kg；

ρg、ρc、ρf、ρw、ρs、ρw水玻璃——分別為骨料、水泥、礦物摻合料、水、細骨料、水玻璃溶液的表觀密度，kg/m3；

Vvoid——目標孔隙率[5]。

2.2 試驗制備與試驗方法

水玻璃溶液：按照一定的比例稱取硅酸鈉粉末、片狀氫氧化鈉和水，經混合、攪拌、陳化，制得模數為1.2、1.3、1.4 的水玻璃溶液備用。水玻璃溶液的主要性能指標見表 2 所示。為了研究堿激發膠凝材料對透水混凝土性能的影響，利用上述原料，固定水灰比為 0.3，水玻璃溶液質量與礦粉和粉煤灰總質量之比為 0.4。采用正交試驗，使用三因素、三水平：水玻璃溶液模數（1.2，1.3，1.4）、礦粉用量（200，220，240）、粉煤灰用量（60，80，100），設計試驗方案及結果見表3（其中，A10 為使用純水泥的透水混凝土對比組），正交試驗極差分析結果見表 4。

表2 水玻璃溶液的主要性能指標

表3 透水混凝土抗壓強度正交試驗結果

表4 透水混凝土抗壓強度正交試驗極差分析結果

在混凝土攪拌鍋中，先將粗骨料和礦物摻合料干拌一分鐘，隨后將水玻璃溶液和水加入并攪拌兩分鐘，完成攪拌后將新拌混凝土采用插搗法裝入模具。每組配比使用 100mm×100mm×100mm 模具成型 6 個立方體試件用于測試透水混凝土 7 天、28 天抗壓強度；每組配比使用 100mm×100mm×100mm 模具成型 3 個立方體試件用于測試透水混凝土的透水系數。成型完成后，覆蓋薄膜，24 小時內拆模，放入標準養護室養護至規定齡期。

透水混凝土 7 天、28 天抗壓強度依據 GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》中抗壓強度試驗進行試驗和計算。透水混凝土的透水系數依據 JC/T 2558—2020《透水混凝土》中附錄 A 透水系數試驗方法進行試驗計算。

2.3 試驗結果

由表 3 和表 4 結果可知，對透水混凝土 7 天抗壓強度影響，水玻璃模數＞礦粉＞粉煤灰；對透水混凝土28 天抗壓強度影響為：礦粉＞粉煤灰＞水玻璃模數。當水玻璃溶液模數 1.2、礦粉摻量 240kg/m3、粉煤灰摻量 100 kg/m3時，透水混凝土 7 天、28 天抗壓強度分別達到 21.5MPa、28.5MPa。

2.4 結果分析

（1）當水玻璃溶液模數 1.2、礦粉摻量 240kg/m3、粉煤灰摻量 100kg/m3時，透水混凝土 7 天、28 天抗壓強度最高。分析原因可能是隨著水玻璃溶液模數降低，溶液的 pH 值升高，促進了堿激發膠凝材料的凝結硬化過程。同時礦渣微粉主要顆粒粒徑集中在 10μm以下，從而提高了堿激發膠凝材料中活性成分的含量，并且其在早期就發生水化作用，提高了透水混凝土的早期抗壓強度。

（2）當水玻璃溶液模數逐漸降低時，透水混凝土早期抗壓強度逐漸升高，后期抗壓強度及透水系數基本穩定。分析原因可能是水玻璃溶液模數逐漸降低，則堿激發膠凝材料中堿含量逐漸升高，對礦渣微粉和粉煤灰中水化礦物的堿激發效果逐漸增強，從而增強了膠結層的強度，使透水混凝土的早期抗壓強度升高。

（3）當礦渣微粉的摻量逐漸增加時，透水混凝土抗壓強度逐漸升高，透水系數略微降低。分析原因可能是礦渣微粉主要顆粒粒徑集中在 10μm 以下，并且礦渣微粉水化礦物的早期活性較高，其在早期就發生水化作用，提高了透水混凝土的早期抗壓強度。隨著礦粉摻量增加，伴隨著水化反應的進行，透水混凝土體系的致密程度逐漸增加，進而導致透水混凝土的透水系數略微降低。

（4）當粉煤灰摻量逐漸增加時，透水混凝土抗壓強度、透水系數基本保持不變。分析原因可能是粉煤灰本身早期活性不高，且比表面積不高，在 28 天之前水化礦物水化反應比率較低，所以對透水混凝土的抗壓強度和透水系數影響較小。

3 膠凝材料對比分析

（1）強度效果對比。當水玻璃溶液模數為 1.2、礦粉摻量 240kg/m3、粉煤灰摻量 100kg/m3時，堿激發膠凝材料制備透水混凝土的抗壓強度明顯高于純水泥制備的透水混凝土，具有較好的力學性能。

（2）透水系數分析。當利用上述堿激發膠凝材料配比時，堿激發膠凝材料制備透水混凝土的透水系數要略低于純水泥制備的透水混凝土，但仍能滿足 JC/T 2558—2020《透水混凝土》中 K2 等級的指標要求。

4 結論

（1）當水玻璃溶液模數 1.2、礦粉摻量 240kg/m3、粉煤灰摻量 100kg/m3時，透水混凝土 7 天、28 天抗壓強度分別達到 21.5MPa、28.5MPa。相較純水泥透水混凝土，該透水混凝土具有較高的強度力學性能，同時具有節能減排、綠色低碳環境友好的優點。

（2）當水玻璃溶液模數超過 1.2 時，透水混凝土的抗壓強度逐漸下降。

（3）當礦渣微粉摻量逐漸增加時，透水混凝土抗壓強度逐漸升高，透水系數略微降低。

（4）在堿激發膠凝材料中，粉煤灰對透水混凝土抗壓強度、透水系數影響不大。