劉 沛,姚素玲,董憲姝,付元鵬,李德浩

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024)

0 引 言

近年來(lái),隨著城市化進(jìn)程的加快,城市道路內(nèi)澇、水資源匱乏以及熱島效應(yīng)等問(wèn)題越來(lái)越突出,嚴(yán)重威脅人們的生活質(zhì)量和健康,“海綿城市”的發(fā)展理念由此被提出。作為“海綿城市”建設(shè)和發(fā)展的組成部分[1],有效孔隙率為15%～35%的透水混凝土,不僅可以起到緩解城市內(nèi)澇,促進(jìn)雨水充分利用的作用,還可以降低地表溫度,緩解“熱島效應(yīng)”。透水混凝土與傳統(tǒng)混凝土一樣,主要以水泥為膠凝材料,但是造價(jià)比較高,內(nèi)部存在孔隙,抗壓強(qiáng)度較低,所以其推廣應(yīng)用受到一定的限制。由此,相關(guān)學(xué)者提出利用常見(jiàn)的工業(yè)固廢活性摻合料作為膠凝材料取代透水混凝土中的部分水泥,以實(shí)現(xiàn)廢物重新利用,緩解環(huán)境壓力,降低成本。

將多種礦物摻合料混合作為膠凝材料代替部分水泥,可以在保證混凝土透水功能的基礎(chǔ)上,改善混凝土性能。夏冬桃等[2]發(fā)現(xiàn)粉煤灰作為膠凝材料摻入透水混凝土雖會(huì)降低透水系數(shù)和孔隙率,但是可以提高透水混凝土的后期抗壓強(qiáng)度。周璐等[3]在一定水膠比、孔隙率條件下,用粉煤灰和礦渣等量替代水泥制備混凝土,發(fā)現(xiàn)復(fù)摻粉煤灰和礦渣,在降低成本以及提高透水混凝土抗壓強(qiáng)度方面有一定效果。蔣晨輝等[4]研究發(fā)現(xiàn),納米偏高嶺土因具有尺寸效應(yīng)、填充效應(yīng)、晶核誘導(dǎo)效應(yīng)等而被廣泛應(yīng)用于水泥基膠凝材料。施惠生等[5]指出粉煤灰、礦渣等不同礦物摻合料與水泥的水化活性不同,不同礦物摻合料組合混摻使膠凝材料水化歷程和反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜程度不同。為了使礦物摻合料更好地發(fā)揮膠凝材料性能,有必要對(duì)其水化機(jī)理及產(chǎn)物進(jìn)行更深入的研究。

本文以透水混凝土為基礎(chǔ),通過(guò)摻加不同種類(lèi)及配比的礦物摻合料(粉煤灰、礦渣、偏高嶺土),研究礦物摻合料對(duì)透水混凝土力學(xué)性能的影響,并且通過(guò)XRD、微量熱儀和SEM等分析透水混凝土的水化放熱、水化產(chǎn)物以及微觀結(jié)構(gòu),為礦物摻合料在透水混凝土中的應(yīng)用推廣提供理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥(cement,C),礦物摻合料采用Ⅱ級(jí)粉煤灰(fly ash,FA)、S95級(jí)粒化高爐礦渣(slag,SL)和偏高嶺土(metakaolin,MK),其主要物理力學(xué)性能、礦物參數(shù)組成、主要化學(xué)成分見(jiàn)表1～3。粗骨料采用本地連續(xù)級(jí)配碎石,粒徑為5～10 mm,堆積密度為1 500 kg/m3,外加劑采用ZJ-PC8020型聚羧酸高效減水劑,試驗(yàn)用水采用普通自來(lái)水。

表1 水泥的主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indexes of cement

表2 礦物摻合料的主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Main technical indexes of mineral admixtures

表3 礦物摻合料的主要化學(xué)成分Table 3 Main chemical composition of mineral admixtures

1.2 樣品制備

基于透水混凝土孔隙率的體積法[6]設(shè)計(jì)配合比,根據(jù)前期適配工作并結(jié)合文獻(xiàn)[7],采用內(nèi)摻方式,確定水灰比為0.32,減水劑摻量為1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),目標(biāo)孔隙率為16%,各礦物摻合料配比如表4所示。

表4 試驗(yàn)配比Table 4 Experimental mix proportion

在確定配合比的基礎(chǔ)上,參照《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 135—2009)采用強(qiáng)制式混凝土攪拌,將提前稱(chēng)量好的粗骨料碎石與計(jì)算好的一半用水量放入其中攪拌30 s后,依次加入膠凝材料、外加劑拌合料攪拌40 s,最后加入剩余水?dāng)嚢?0 s以上,取出混合料,裝入100 mm×100 mm×100 mm模具后錘擊成型,置于溫度為(20±2) ℃的水中養(yǎng)護(hù),一定齡期后取出。

1.3 測(cè)試方法

透水混凝土透水系數(shù)測(cè)定參照《透水路面磚和透水路面板》(GB/T 25993—2010)進(jìn)行,采用如圖1所示的實(shí)驗(yàn)室自制裝置測(cè)定,該裝置采用亞克力玻璃制成一體式模型,尺寸為100 mm×100 mm×250 mm。通過(guò)測(cè)量在單位時(shí)間內(nèi)透過(guò)單位面積的滲透水量,計(jì)算透水系數(shù)。有效孔隙率測(cè)定采用排水法。

圖1 透水系數(shù)測(cè)試裝置Fig.1 Permeability coefficient test device

抗壓強(qiáng)度按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)進(jìn)行,采用HCT306E型油電混合壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行,測(cè)得3個(gè)試件的算術(shù)平均值,作為該組試件的抗壓強(qiáng)度值。

采用捷克TESCAN MIRA LMS(分辨率達(dá)1.2 nm)進(jìn)行SEM測(cè)試,觀察粗骨料之間硬化膠結(jié)材料的微觀形貌。

采用Mini Flex 600(X-ray diffraction XRD)型X射線衍射儀對(duì)透水混凝土研磨成的粉末進(jìn)行物相分析,測(cè)試范圍為0°～80°,掃描速度為6 (°)/min。

水化熱采用C80微量熱儀測(cè)定,試驗(yàn)樣品總質(zhì)量為0.3 g,水灰比為1∶1,測(cè)定溫度為30 ℃[8]。

2 結(jié)果與討論

2.1 礦物摻合料對(duì)透水混凝土性能的影響

2.1.1 透水性能

水泥體系、礦物摻合料膠凝體系對(duì)透水混凝土的28 d孔隙率和透水系數(shù)的影響分別如圖2(a)、(b)所示。

圖2 礦物摻合料對(duì)孔隙率和透水系數(shù)的影響Fig.2 Effects of mineral admixtures on porosity and water permeability coefficient

從圖2(a)可以看出,單摻粉煤灰體系(#1、#2、#3)透水混凝土孔隙率和透水系數(shù)隨著粉煤灰摻量增大而降低。與水泥基準(zhǔn)組(#0)相比,分別摻10%、15%、20%粉煤灰時(shí),28 d孔隙率分別變化了1.9%、0.6%、8.8%,28 d透水系數(shù)分別變化了4.0%、2.0%、6.3%,可見(jiàn)粉煤灰膠凝體系對(duì)透水混凝土的有效孔隙率和透水系數(shù)影響不大。單摻礦渣(#4、#5、#6)與單摻偏高嶺土(#7、#8、#9)體系呈現(xiàn)類(lèi)似規(guī)律,隨著摻量增大,孔隙率與透水系數(shù)降低,相較水泥基準(zhǔn)組,變化幅度較小。

由圖2(b)可知,多摻(復(fù)摻及三摻,下同)膠凝體系透水混凝土孔隙率與基準(zhǔn)組持平或低于基準(zhǔn)組,且透水系數(shù)與孔隙率呈一致趨勢(shì)。結(jié)合圖2(a)單摻體系,雖然多摻體系的透水性能下降,但仍大于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T135—2009)中規(guī)定的連續(xù)孔隙率≥10%、透水系數(shù)≥0.5 mm/s的指標(biāo)。

2.1.2 抗壓強(qiáng)度

圖3(a)～(d)分別是單摻、多摻不同配比礦物摻合料7、14、28 d的透水混凝土抗壓強(qiáng)度變化,其中水泥基準(zhǔn)組透水混凝土體系7、14、28 d抗壓強(qiáng)度分別為11.52、13.24、14.45 MPa。

圖3 礦物摻合料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effects of mineral admixtures on compressive strength of concrete

從圖3(a)可知,單摻粉煤灰時(shí),7 d透水混凝土的抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組強(qiáng)度均處于較低水平,抗壓強(qiáng)度均不足10 MPa,因此單摻粉煤灰會(huì)降低透水混凝土前期抗壓強(qiáng)度。直至齡期達(dá)14、28 d時(shí),透水混凝土的抗壓強(qiáng)度與粉煤灰摻量呈正相關(guān)關(guān)系。從圖3(b)可知,單摻礦渣組抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)與單摻粉煤灰組相似,礦渣前期養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)抗壓強(qiáng)度雖低于基準(zhǔn)對(duì)照組,但比粉煤灰前期強(qiáng)度高,隨著養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng),抗壓強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)。當(dāng)?shù)V渣摻量為15%、養(yǎng)護(hù)齡期為14 d時(shí),透水混凝土的抗壓強(qiáng)度已超過(guò)了基準(zhǔn)組,且礦渣在水化體系中的微晶核效應(yīng)加速了水泥的水化作用,在水化前期,一定程度上提高了混凝土強(qiáng)度[9]。從圖3(c)可知,單摻偏高嶺土?xí)r,隨著摻量增加,透水混凝土抗壓強(qiáng)度增加,當(dāng)偏高嶺土摻量為10%時(shí),透水混凝土早期抗壓強(qiáng)度已略高于基準(zhǔn)組,這一結(jié)果說(shuō)明摻入適量偏高嶺土對(duì)提升透水混凝土的抗壓強(qiáng)度有利,摻入15%偏高嶺土的透水混凝土28 d強(qiáng)度提高了11%,對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度影響較為顯著。有研究[10]表明偏高嶺土可以加速水泥水化,在水化反應(yīng)過(guò)程中形成水化鋁酸鈣(C3AH6)與水化鐵酸鈣(CFH),對(duì)混凝土的力學(xué)性能可以起到提升作用。

從圖3(d)可知,礦物摻合料復(fù)摻(#10、#11、#12)時(shí),養(yǎng)護(hù)前期強(qiáng)度雖略低于基準(zhǔn)組,但仍高于單摻時(shí)的強(qiáng)度,養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到15.84、15.93、16.75 MPa,均高于水泥基準(zhǔn)組強(qiáng)度14.45 MPa。相較于單摻礦物摻合料,復(fù)摻體系中兩種礦物摻合料的協(xié)同作用使透水混凝土強(qiáng)度較基準(zhǔn)組及單摻時(shí)得到改善。三摻(#13、#14、#15)時(shí)透水混凝土的前期強(qiáng)度已高于同齡期基準(zhǔn)組強(qiáng)度,且高于單摻、復(fù)摻礦物摻合料透水混凝土強(qiáng)度,當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28 d時(shí),三摻體系透水混凝土強(qiáng)度較水泥基準(zhǔn)組分別提高了50%、53%、35%,其對(duì)力學(xué)性能的改善作用優(yōu)于復(fù)摻、單摻體系,尤其當(dāng)三摻試驗(yàn)組為#14(粉煤灰15%、礦渣15%、偏高嶺土10%)時(shí),抗壓強(qiáng)度最大,達(dá)到22.1 MPa。而在總摻量達(dá)到55%(#15)的條件下,透水混凝土抗壓強(qiáng)度雖高于基準(zhǔn)組但呈下降趨勢(shì),這說(shuō)明礦物摻合料摻量超過(guò)一定限度時(shí),將會(huì)對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。這主要是因?yàn)殡S著礦物摻合料的大量摻入,水泥用量減少,其水化產(chǎn)物Ca(OH)2的含量降低,強(qiáng)度也隨之降低。

2.2 礦物摻合料透水混凝土性能表征

2.2.1 早期放熱分析

圖4是水泥基準(zhǔn)組以及力學(xué)性能最優(yōu)時(shí)單摻與三摻體系早期水化放熱速率曲線。在初始水化期,水泥熟料與水快速反應(yīng),在顆粒表面生成水化硅酸鈣(C-S-H)、水化鋁酸鈣(C-A-H)凝膠并向體系釋放Ca(OH)2[11],體系受凝膠包裹影響,水化速率降低,進(jìn)入誘導(dǎo)期。由圖4也可以看出:水化初始階段反應(yīng)劇烈,時(shí)間較短,隨后反應(yīng)速度趨緩;在誘導(dǎo)期中,水化進(jìn)行緩慢,體系逐漸形成C-S-H晶核。礦物摻合料因水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2增多,活性物質(zhì)水化反應(yīng)受到激發(fā)[12]。

圖4 水泥與不同配比礦物摻合料體系的前期水化放熱曲線Fig.4 Pre-hydration exothermic curves of cement and mineral admixture systems with different proportion

對(duì)比#0、#2可知,加入粉煤灰與水泥水化放熱速率曲線相比,水化速率降低,速率峰值時(shí)間略延后。周蘭蘭等[13]認(rèn)為在水化早期,粉煤灰的存在將延緩C3S水化。單摻礦渣(#5)時(shí),水化放熱速率明顯高于水泥和粉煤灰,且達(dá)到峰值時(shí)間較粉煤灰提前,礦渣活性較粉煤灰高[14],且其活性激發(fā)需要水泥水化產(chǎn)物,所以礦渣水化伴隨著水泥水化反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行,因此礦渣早期抗壓強(qiáng)度也高于粉煤灰。摻入偏高嶺土(#8)的試驗(yàn)組較水泥基準(zhǔn)組及粉煤灰、礦渣試驗(yàn)組放熱速率均有提高,主要是由于在水泥膠凝材料水化初期,偏高嶺土較粉煤灰、礦渣所含活性Al2O3多,具有較高的火山灰活性,可以加速水泥早期水化[15]。

三摻體系(#14)中礦渣與偏高嶺土所占比例較高,活性物質(zhì)Al2O3含量高,能夠促進(jìn)熟料水化,因此三摻體系的早期放熱速率較高[16]。

2.2.2 透水混凝土物相分析

XRD可以用來(lái)分析透水混凝土水化反應(yīng)后的物相變化,定性分析礦物摻合料加入透水混凝土后的水化反應(yīng)?；诳箟簭?qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果,選取#0、#2、#5、#8、#14試樣不同齡期水化產(chǎn)物的XRD譜,見(jiàn)圖5。

圖5 不同礦物摻合料透水混凝土的XRD譜Fig.5 XRD patterns of pervious concrete with different mineral admixtures

從圖5可知,不同齡期試樣水化產(chǎn)物基本一致,主要水化產(chǎn)物為水化硅酸鈣(C-S-H)和Ca(OH)2。因#2、#5、#8、#14摻有礦物摻合料,鈣礬石(AFt)和Ca(OH)2特征峰較#0明顯。由于粉煤灰在水化前期水化較慢,水化產(chǎn)物較少,相比于其他樣品特征峰, #2試樣的C-S-H特征峰較低,與抗壓強(qiáng)度結(jié)果一致。同時(shí),在水化過(guò)程中,礦物摻合料中活性SiO2和Al2O3與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)促進(jìn)C-S-H等水化產(chǎn)物生成[17],#2試樣中,石英的特征峰較明顯,也表明粉煤灰前期火山灰效應(yīng)較弱;與之對(duì)比,偏高嶺土、礦渣火山灰反應(yīng)早于粉煤灰,宏觀上早期抗壓強(qiáng)度較粉煤灰高。隨水化時(shí)間延長(zhǎng),如圖5(b)所示, 28 d 較對(duì)應(yīng)的7 d試樣 C-S-H和Ca(OH)2特征峰增強(qiáng),這是因?yàn)闃悠匪磻?yīng)持續(xù)進(jìn)行,水化產(chǎn)物增多,抗壓強(qiáng)度也高于7 d抗壓強(qiáng)度;#14樣品水化產(chǎn)物Ca(OH)2特征峰最高,結(jié)晶度較高,結(jié)合前述抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù),其抗壓強(qiáng)度也較高。而粉煤灰在24°左右的特征峰降低,表明粉煤灰中的活性成分SiO2和Al2O3被水泥生成的Ca(OH)2激發(fā),生成了C-S-H凝膠[18],從水化產(chǎn)物角度分析,這也是混凝土后期強(qiáng)度升高的原因。

2.2.3 透水混凝土微觀形貌分析

三種礦物摻合料對(duì)透水混凝土28 d養(yǎng)護(hù)齡期抗壓強(qiáng)度影響程度不同,由此研究了礦物摻合料透水混凝土的水化產(chǎn)物微觀形貌和結(jié)構(gòu)特征,SEM照片如圖6所示。

圖6 透水混凝土水化28 d的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of pervious concrete hydrated at 28 d

水泥基準(zhǔn)組(#0)透水混凝土水化程度處于偏低水平,在其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中,不僅存在較大的孔隙,而且存在片層狀Ca(OH)2晶體和較多的鈣礬石晶體,對(duì)透水混凝土強(qiáng)度不利,與XRD結(jié)果一致。單摻粉煤灰組(#2),呈現(xiàn)出較為疏松的狀態(tài),孔隙也相對(duì)偏大,并且在晶粒周?chē)€存在著少量絮狀凝膠產(chǎn)物,形成此狀態(tài)的主要原因是,在反應(yīng)早期,粉煤灰表面的硅以及水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2的活性并沒(méi)有完全被激發(fā)出來(lái)[18],故凝膠產(chǎn)物產(chǎn)量偏低,直接影響孔隙的填充效果,在反應(yīng)后期,粉煤灰水化消耗大量Ca(OH)2,此時(shí)整體結(jié)構(gòu)較為致密,這種差異也導(dǎo)致單摻粉煤灰試樣的后期抗壓強(qiáng)度高于其他單摻試樣。當(dāng)在試樣中摻入礦粉(#5)時(shí),透水混凝土基體表面的細(xì)小裂縫與氣孔的數(shù)量也隨之增加,此時(shí),大量C-S-H凝膠分布于基體表面,改善了宏觀性能。而在摻入偏高嶺土(#8)后基體表面分布著較多的針棒狀鈣礬石,C-S-H凝膠顆粒的粒徑有所減小,顆粒之間的邊界也更加明顯,形貌變得規(guī)則,水化產(chǎn)物之間形成網(wǎng)狀組織結(jié)構(gòu),部分膠凝產(chǎn)物填充于晶體骨架,Ca(OH)2晶體含量相對(duì)基準(zhǔn)組大大減少。形成該狀態(tài)的主要原因是:偏高嶺土的火山灰活性高,早期階段不僅能促進(jìn)硅酸三鈣的水化,還能吸收水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2,C-S-H凝膠的產(chǎn)生進(jìn)一步增加了混凝土試件的力學(xué)性能;此外,在養(yǎng)護(hù)28 d后的摻量為10%的偏高嶺土試樣結(jié)構(gòu)中仍可看到絮狀的未水化的顆粒,說(shuō)明在水化后期,偏高嶺土仍能發(fā)揮火山灰效應(yīng)。

由抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知,三摻礦物摻合料試塊的28 d力學(xué)性能優(yōu)于單摻時(shí)的力學(xué)性能,從圖6(#14)可以看出透水混凝土體系的孔隙變小,結(jié)構(gòu)較基準(zhǔn)組、單摻礦物摻合料更加緊密,三摻(#14)體系中有大量片狀單硫型水化硫鋁酸鈣[11],水化比較完全,透水混凝土強(qiáng)度得到提升。

3 結(jié) 論

1)水泥體系透水性能較好,單摻體系透水性能與水泥體系基本持平,多摻體系透水性能略低于水泥、單摻體系,但是仍滿(mǎn)足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2)水泥體系透水混凝土28 d抗壓強(qiáng)度為14.45 MPa;單摻粉煤灰體系透水混凝土的前期抗壓強(qiáng)度較低,后期抗壓強(qiáng)度提高,摻量為20%時(shí),28 d抗壓強(qiáng)度為16.93 MPa;單摻礦渣與偏高嶺土體系透水混凝土28 d抗壓強(qiáng)度高于水泥體系;復(fù)摻與三摻體系抗壓強(qiáng)度較水泥體系、單摻體系均有所提高,且三摻體系(粉煤灰15%、礦渣15%、偏高嶺土10%)的28 d力學(xué)性能較單摻、復(fù)摻時(shí)有所提高,可達(dá)22.1 MPa。

3)單摻體系中,摻入粉煤灰體系的水化放熱速率降低,相較基準(zhǔn)組水化放熱特征峰出現(xiàn)時(shí)間延后,而礦渣、偏高嶺土的摻入使膠凝體系水化放熱速率高于基準(zhǔn)組。三摻體系膠凝材料水化放熱速率高于基準(zhǔn)組和單摻體系,可知多種礦物摻合料配合作用提高了膠凝體系水化放熱速率。

4)礦粉、偏高嶺土的火山灰效應(yīng)發(fā)生在早期,粉煤灰的火山灰效應(yīng)發(fā)生在后期,三摻時(shí)Ca(OH)2晶體明顯減少,水化產(chǎn)物能夠很好地填充且硬化漿體結(jié)構(gòu),孔隙減小,這有利于增強(qiáng)透水混凝土宏觀力學(xué)性能。