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)
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(jì),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(rèn)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(jì)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(qiáng)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(diǎn)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(qiáng)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(rèn)為是普通硅酸鹽水泥的良好替代品。
對于多孔樣品的制備,采用了多孔混凝土設(shè)計(jì)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(jì)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(shí),多孔混凝土設(shè)計(jì)從設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算骨料的空隙率。為了確定混合料設(shè)計(jì)中空隙率含量的參數(shù),進(jìn)行了兩次試驗(yàn)(壓實(shí)和疏松集料)。根據(jù)多孔混凝土設(shè)計(jì)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(jì)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(shí),性能表現(xiàn)相反。
采用石灰石集料并對所有混合料進(jìn)行5~10 mm級的精細(xì)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(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jì)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(yàn)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(jìn)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(jì)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(hù)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(hù)是一個(gè)常用的手段,以前的研究已經(jīng)驗(yàn)證了相同的合成混合物的凝固時(shí)間和溫度。
為了表征地聚物漿料,對每種配合比澆鑄了3個(gè)4 cm×4 cm×4 cm的立方體,并在不同的養(yǎng)護(hù)時(shí)間(7 d和21 d)下進(jìn)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(qiáng)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(shí)效果較差,因?yàn)樾鋷r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(shí)間后的地質(zhì)聚合物混合物的抗壓強(qiáng)度
這進(jìn)一步證實(shí)了堿活化材料的早期強(qiáng)度。而且,在養(yǎng)護(hù)7 d后,可以達(dá)到100 MK的抗壓強(qiáng)度甚至高于傳統(tǒng)波特蘭水泥混凝土的特征抗壓強(qiáng)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(gè)樣品,因?yàn)槟康氖窃谙嗤姆椒ㄏ掠^察混合物的行為。
試驗(yàn)方案是在評價(jià)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(qiáng)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(jì)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(jì)算,而ρ是從樣品的凈質(zhì)量除以容器體積得到的實(shí)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(shí)驗(yàn)室用的下降水頭滲透儀獲得的。它由一個(gè)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(jìn)行測試。這根管子是為20 cm的水柱校準(zhǔn)的。然后,利用達(dá)西定律,可以計(jì)算滲透率。
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(rèn)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。可以說,偏高嶺土取代5%以上的水泥似乎對混合料的滲透性有負(fù)面影響。
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(shí),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(shí),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(shí),其結(jié)果與對照混合料相比提高了18%,密度沒有變化。
(1)根據(jù)劑量的評價(jià)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。