安生霞，劉成奎，李萬琴，段秉煜

（1.青海省建筑建材科學(xué)研究院有限責任公司，青海西寧 810008；2.青海省建筑工程質(zhì)量檢測站，青海西寧 810008；3.青海省高原綠色建筑與生態(tài)社區(qū)重點實驗室，青海西寧 810008；4.青海省高原綠色建筑與建材工程技術(shù)研究中心，青海西寧 810008）

近年來，隨著國民經(jīng)濟的增長，我國城市化進程顯著提高，城市化的快速發(fā)展帶來一系列熱島效應(yīng)、城市內(nèi)澇以及城市水資源日益短缺等問題，嚴重影響城市的健康發(fā)展和人們的生活質(zhì)量。面對日益突出的城市發(fā)展問題，國家提出了“海綿城市”的發(fā)展理念，通過海綿城市的建設(shè)修復(fù)城市生態(tài)環(huán)境，緩解城市“熱島效應(yīng)”，構(gòu)建綠色、和諧、生態(tài)、安全的城市居住環(huán)境。而透水混凝土因其具有較高的孔隙率，在海綿城市建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。

透水混凝土是由水、水泥、粗骨料、外加劑等組成，采用單粒級骨料作為骨架，水泥漿薄層或加入少量細骨料的砂漿薄層包裹在粗骨料表面形成膠結(jié)層，骨料通過硬化膠結(jié)層膠結(jié)而成多孔堆積結(jié)構(gòu)[1]。相比普通混凝土路面，透水混凝土路面可以緩解城市內(nèi)澇、補充地下水、吸附環(huán)境中的污染物、吸收汽車行駛過程中產(chǎn)生的噪聲、改善城市熱環(huán)境，具有良好的環(huán)境效益和社會效益[2-3]。

活性礦物摻合料（礦粉、粉煤灰和硅灰）在透水混凝土領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，一方面可以降低透水混凝土的綜合成本，另一方面可以改善透水混凝土的工作性能。礦物摻合料對透水混凝土性能的影響研究很多[4-8]。本文以透水混凝土作為基礎(chǔ)體系，摻加不同摻量的礦物摻合料（粉煤灰、硅灰或礦粉），研究礦物摻合料對透水混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，同時通過XRD、TD-DTG和SEM等分析表征手段研究透水混凝土體系的水化產(chǎn)物組成及微觀結(jié)構(gòu)。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥：P·O42.5水泥，安定性合格；礦物摻合料：采用粉煤灰（Ⅱ級）、礦粉和硅灰，水泥和礦物摻合料的主要化學(xué)成分見表1，主要技術(shù)性能分別見表2～表5。骨料：5～10 mm單粒級碎石，表觀密度2538 kg/m3，緊密堆積密度1694 kg/m3，空隙率38%，壓碎指標8.3%。水：自來水。

表1 水泥和礦物摻合料的主要化學(xué)成分 %

表2 水泥的主要技術(shù)性能

表3 礦粉的主要技術(shù)性能

表4 粉煤灰的主要技術(shù)性能

表5 硅灰的主要技術(shù)性能

1.2 實驗方法

透水混凝土的基準配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（水）∶m（碎石）=400∶120∶1630，在此基礎(chǔ)上，分別采用礦物摻合料等質(zhì)量取代水泥，礦粉、粉煤灰摻量分別為0、5%、10%、15%，硅灰摻量分別為0、4%、6%、8%。透水混凝土采用一次投料法成型工藝，首先將按配合比稱量好的水泥、礦物摻合料和骨料加入強制攪拌機中，攪拌30 s使其均勻混合，然后加入一半水攪拌30 s，使拌合物達到均勻濕潤狀態(tài)，最后將剩余的水一邊攪拌一邊加入，攪拌120 s左右。攪拌結(jié)束后，將拌合物分3次裝入100 mm×100 mm×100 mm模具中，每次用鐵棒振搗保證透水混凝土的密實性，并用塑料薄膜覆蓋，成型24 h后脫模，將脫模后的試件置于養(yǎng)護室[溫度為20 ℃、相對濕度96%]養(yǎng)護。用抗壓強度試驗機對空氣養(yǎng)護3 d、7 d、28 d的試件進行抗壓強度測試，同時取水泥相代表樣品。用Xpert Pro型X射線衍射儀分析樣品的物相組成，用JSM-5610LV/INCA系列低真空掃描電子顯微鏡觀察樣品表面微觀形貌、用SDT Q600型同步差示掃描量熱分析樣品的熱穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 礦物摻合料對透水混凝土力學(xué)性能的影響（見表6）

表6 礦物摻合料對透水混凝土抗壓強度的影響

由表6可以看出：

（1）礦粉摻量對透水混凝土早期（3 d）抗壓強度的影響規(guī)律性較明顯，對后期抗壓強度的影響不如早期明顯。3 d時，當?shù)V粉摻量由0增加至5%時，透水混凝土的抗壓強度由11.6 MPa顯著降低至4.0 MPa，降低了65.5%；當?shù)V粉摻量由5%增加至10%時，透水混凝土的抗壓強度提高，但仍低于基準組，這可能是因為礦粉的摻入使水泥相的凝結(jié)時間延長而造成水泥相和骨料粘結(jié)不牢固引起的；當?shù)V粉摻量由10%增加至15%時，透水混凝土的抗壓強度又有所降低。7 d時，透水混凝土抗壓強度隨礦粉摻量的增加表現(xiàn)出了類似的變化規(guī)律，但不及早期明顯。28 d時，當?shù)V粉摻量由0增加至5%時，透水混凝土的抗壓強度稍有降低；當?shù)V粉摻量由5%增加至15%時，透水混凝土的抗壓強度提高；當?shù)V粉摻量為15%時，透水水泥混凝土的抗壓強度較基準組提高了5.4%。

（2）粉煤灰對透水混凝土早期（3 d）抗壓強度的影響較明顯。3 d時，當粉煤灰摻量由0增加至5%時，透水混凝土的抗壓強度由11.6 MPa顯著降低至4.5 MPa，降低了61.2%；當粉煤灰摻量由5%增加至15%時，透水混凝土的抗壓強度呈提高趨勢，但均低于基準組。有研究表明[9]，粉煤灰的水化速率小于水泥熟料，活性低于水泥。粉煤灰等量取代水泥后，水泥熟料礦物含量相對減少，水化反應(yīng)速率降低，凝結(jié)時間延長，故摻加粉煤灰后透水混凝土的早期抗壓強度低于普通透水混凝土。齡期7 d、28 d時，透水混凝土的抗壓強度隨粉煤灰摻量的增加而提高，28 d時最高提高了31.8%（摻量為15%）。

（3）隨硅灰摻量的增加，透水混凝土的抗壓強度先降低后提高，3 d時最低降低了81.9%（摻量為6%），最高提高了10.3%（摻量為8%）；28 d時最高提高了45.3%（摻量為8%）。

2.2 透水混凝土的物相分析（見圖1）

圖1 不同礦物摻合料摻量透水混凝土的XRD圖譜

由圖1（a）可知：3組試件的物相組成相似，主要物相為SiO2、AFt、NaAlSi3O8，少量的Ca（OH）2、C2S、C3S、C4AF和CaCO3等，其中AFt、Ca（OH）2為水化產(chǎn)物，其他物相來源于未反應(yīng)的原料及雜質(zhì)。NaAlSi3O8是常見的長石礦物，其含量增加可能是因為樣品中含有微量骨料粉末造成的。礦粉摻量由0增加至5%時，AFt與Ca（OH）2含量明顯減少；當?shù)V粉摻量增加至15%時，與基準組相比，AFt含量變化不明顯，但Ca（OH）2含量明顯減少。這可能是因為礦粉中含有活性SiO2、Al2O3和CaO，隨著水泥水化反應(yīng)的進行，活性成分被水泥水化生成的Ca（OH）2激發(fā)，生成水化硅酸鈣凝膠（C-S-H），有效填充水泥水化后產(chǎn)生的空隙，抗壓強度提高。強度相AFt晶體含量減少可能是低摻量礦粉透水混凝土抗壓強度降低的原因之一。

由圖1（b）可知：3組試件的物相組成相似，主要物相是SiO2、AFt、NaAlSi3O8，少量的Ca（OH）2、C2S、C3S、C4AF和CaCO3等。粉煤灰摻量由0增加至5%時，AFt與Ca（OH）2對應(yīng)的峰值均明顯降低；當粉煤灰摻量增加至15%時，AFt含量較粉煤灰摻量5%時明顯增加，Ca（OH）2含量較基準組明顯減少。粉煤灰中含有活性SiO2和Al2O3，能與水泥水化產(chǎn)生的Ca（OH）2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成C-S-H凝膠[10]。與基準組相比，粉煤灰摻量為5%的透水混凝土抗壓強度稍有提高，這可能是因為水化產(chǎn)物C-S-H增多或晶體之間形成了連接力強的連續(xù)結(jié)構(gòu)造成的。粉煤灰摻量為15%的透水混凝土抗壓強度明顯提高，這可能是因為粉煤灰摻量的增多，體系中生成了較多C-S-H凝膠，填充了水泥水化產(chǎn)生的氣孔，使透水混凝土體系結(jié)構(gòu)更加致密，增加了骨料與水泥相界面粘結(jié)區(qū)域的密實度。

由圖1（c）可知：3組試件的物相組成相似，主要物相是SiO2、AFt、NaAlSi3O8，少量的Ca（OH）2、C2S、C3S、C4AF和CaCO3等。硅灰摻量由0增加至4%時，AFt晶體和Ca（OH）2的含量均明顯減少；當硅灰摻量增加至8%，AFt晶體含量明顯增加，Ca（OH）2含量減少。硅灰中含有的活性SiO2會被水泥水化生成的Ca（OH）2激發(fā)生成穩(wěn)定的C-S-H凝膠，該凝膠與傳統(tǒng)的C-S-H凝膠的組成和性能均不相同，它能與OH-、Al3+聚合，聚合后非常穩(wěn)定[11]，C-S-H凝膠含量的增多可能是高摻量硅灰透水混凝土抗壓強度明顯提高的原因之一。此外，低摻量硅灰透水混凝土的抗壓強度降低，可能是因為強度相AFt晶體含量的減少或水化產(chǎn)物間結(jié)合不密實造成的。

2.3 透水混凝土的熱重分析

空氣養(yǎng)護28 d透水混凝土的DTG曲線見圖2，TG曲線見圖3。

由圖2可知，C-S-H凝膠在68～82 ℃時脫水，AFt晶體在104～133 ℃時脫水[12]，Ca（OH）2在410～450 ℃脫水，CaCO3在654～684 ℃分解，30～80 ℃是水化產(chǎn)物中結(jié)合水失重引起的。

圖2 摻加不同礦物摻合料透水混凝土的DTG曲線

圖3 摻加不同礦物摻合料透水混凝土的TG曲線

由圖3可知：透水混凝土水化產(chǎn)物的失重過程可分為3個明顯的過程：第1個過程為30～418 ℃，該過程中硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物脫水、C-S-H凝膠脫水，水化鋁酸鈣脫水；第2個過程為418～574 ℃，該過程中Ca（OH）2開始分解脫水；第3個過程為574～1000 ℃，該過程中CaCO3開始分解。

根據(jù)TG曲線可以計算基準組透水混凝土試件與摻加不同礦物摻合料的透水混凝土中各物相質(zhì)量損失和各物相質(zhì)量損失占水化產(chǎn)物質(zhì)量損失百分比，結(jié)果如表7所示。

表7 摻加不同礦物摻合料透水混凝土的物相損失百分比

由表7可以看出，相比A3、B3、C3試件，基準組PC試件中水化產(chǎn)物C-S-H凝膠、AFt晶體和H2O含量較高，這表明C-S-H膠凝和AFt晶體的含量也相對較高，但從摻加不同摻合料的透水混凝土的抗壓強度測試結(jié)果來看，基準組試件的抗壓強度最低，這可能是因為基準組試件中生成較多C-S-H膠凝和AFt晶體的同時也生成了較多CaCO3和Ca（OH）2，使透水混凝土水化產(chǎn)物間的密實度降低。

相比基準組試件，摻15%礦粉的試件中C-S-H膠凝、AFt晶體和H2O含量較低，Ca（OH）2含量也較低，而CaCO3含量卻降低不明顯。強度相C-S-H膠凝和AFt晶體含量的減少可能是摻15%礦粉的試件抗壓強度增加不明顯的原因之一。此外，相比摻15%粉煤灰的試件和摻8%硅灰的試件，摻15%礦粉的試件中由于礦粉中CaO的含量較高，在水泥水化過程中生成了較多Ca（OH）2，在試件養(yǎng)護的過程中Ca（OH）2逐漸碳化形成了較多CaCO3，這也可能是造成摻15%礦粉的試件抗壓強度提高不明顯的原因之一。對于摻15%粉煤灰的試件和摻8%硅灰的試件而言，C-S-H凝膠、AFt晶體和H2O的含量稍有降低，但CaCO3和Ca（OH）2的含量也明顯低于基準組試件，這表明摻15%粉煤灰的試件和摻8%硅灰的試件中強度相C-S-H凝膠和AFt晶體的相對含量增加，CaCO3和Ca（OH）2的相對含量降低。因此相比基準組試件，摻15%粉煤灰的試件和摻8%硅灰的試件的抗壓強度較高。

2.4 微觀形貌分析

不同礦粉摻量透水混凝土空氣養(yǎng)護28 d時的SEM照片見圖4。

圖4 不同礦粉摻量透水混凝土空氣養(yǎng)護28 d時的SEM照片

由圖4可見，基準組試件基體表面由密實的晶體組成，晶體之間分散有較多的氣孔和微裂縫；進一步放大可見，水化產(chǎn)物由大量膠凝狀物、片狀Ca（OH）2和針棒狀A(yù)Ft晶體組成，結(jié)合熱重分析曲線推測該膠凝狀物為C-S-H凝膠，它們相互連生、相互膠結(jié)為透水混凝土提供了強度。隨著礦粉摻量由0增加至5%，透水混凝土基體表面微裂縫和氣孔的數(shù)量增加；進一步放大可見，基體表面分散有大量C-S-H凝膠、針棒狀A(yù)Ft晶體和較多片狀物，針棒狀晶體尺寸約為10 μm。與基準組試件相比，水化產(chǎn)物結(jié)晶狀態(tài)較差，結(jié)構(gòu)松散、無序，晶體之間沒有形成連續(xù)的緊密結(jié)構(gòu)，大量片狀物分散在基體表面，破壞了原本密實的晶體結(jié)構(gòu)。當?shù)V粉摻量增加至15%，基體表面雖然能看到明顯的氣孔和微裂縫，且表面分散有較多片狀，但水化產(chǎn)物之間結(jié)合緊密，整體結(jié)構(gòu)較為密實。一方面，礦渣中的活性成分被水泥水化生成的Ca（OH）2激發(fā)生成C-S-H凝膠，水泥相和骨料界面粘結(jié)強度和水泥漿體的孔結(jié)構(gòu)得到改善，提高了透水混凝土的致密性；另一方面，由于體系中較多的CaCO3破壞了原本密實的晶體結(jié)構(gòu)，引起基體表面氣孔、微裂縫增多、水化產(chǎn)物結(jié)晶度變差等問題，這都有可能是摻加礦粉的透水混凝土抗壓強度增加不明顯的原因?；w表面存在較大的裂縫可能是樣品制備過程中產(chǎn)生的。

不同粉煤灰摻量透水混凝土空氣養(yǎng)護28 d時的SEM照片見圖5。

圖5 不同粉煤灰摻量透水混凝土空氣養(yǎng)護28 d時的SEM照片

由圖4（a）、（d）及圖5可見，隨著粉煤灰摻量由0增加至5%，基體表面氣孔和微裂縫的數(shù)量減少。進一步放大可見，基體表面水化產(chǎn)物由大量C-S-H凝膠、針棒狀A(yù)Ft晶體和片狀物組成，針棒狀晶體尺寸約為10 μm，大量針棒狀晶體分散在膠凝狀晶體中，形成了緊密度較高、晶體之間連結(jié)力較強的連續(xù)結(jié)構(gòu)；當粉煤灰摻量增加至15%，基體表面氣孔和微裂縫數(shù)量明顯減少，基體表面由大量C-S-H凝膠組成，且分散了較多片狀物，相比粉煤灰摻量為5%的透水混凝土，水化產(chǎn)物結(jié)晶程度更高、結(jié)合程度更高，結(jié)構(gòu)更加密實。

不同硅灰摻量透水混凝土養(yǎng)護28 d的SEM照片見圖6。

圖6 不同硅灰摻量透水混凝土空氣養(yǎng)護28 d的SEM照片

由圖4（a）、（d）及圖6可見，隨著硅灰摻量由0增加至4%，基體表面氣孔和微裂縫的數(shù)量增加；進一步放大可以發(fā)現(xiàn)，硅灰摻量為4%時透水混凝土的水化產(chǎn)物由C-S-H凝膠和片狀物組成，大量片狀物分散在C-S-H凝膠中，破壞了原本密實的晶體結(jié)構(gòu)，使得水化產(chǎn)物之間結(jié)合緊密度降低，整體結(jié)構(gòu)較為松散。當硅灰摻量增加至8%，基體表面氣孔和微裂縫的數(shù)量減少，分散在基體表面的片狀物也減少，大量C-S-H凝膠結(jié)晶狀態(tài)良好、排列緊密，形成了連續(xù)的緊密結(jié)構(gòu)，相比參照試件水化產(chǎn)物間密實度增加。這可能是由于硅灰中的活性SiO2與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生二次水化反應(yīng)生成較多C-S-H凝膠。同時由于硅灰具有較大的比表面積，可以吸附大量的自由水，減少了自由水在集料界面上的聚集，Ca（OH）2的生長也受到限制，晶體生長得到細化，排列有序，微觀結(jié)構(gòu)得到了改善[9]。

3 結(jié)論

（1）礦粉可以明顯降低透水混凝土的早期（3、7 d）抗壓強度，對后期強度也有一定的影響作用，但不及早期明顯。強度相C-S-H膠凝和AFt晶體含量的減少、礦粉中CaO水化碳化形成的CaCO3可能破壞了原本密實的晶體結(jié)構(gòu)，使摻礦粉的透水混凝土抗壓強度增加不明顯。早期對抗壓強度的降低作用可能是因為礦粉的摻入使水泥相凝結(jié)時間延長而造成水泥相和骨料粘結(jié)不牢固。

（2）粉煤灰可以明顯提高透水混凝土的抗壓強度，且摻量越大，抗壓強度提高越明顯，但對早期（3 d）抗壓強度有降低作用。強度相AFt晶體和C-S-H凝膠含量的相對增加、水化產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)的改善使摻粉煤灰的透水混凝土抗壓強度提高。早期對抗壓強度的降低作用可能是因為粉煤灰水化速率、活性低于水泥熟料，粉煤灰取代水泥后，水化反應(yīng)速率降低、凝結(jié)時間延長，因此早期抗壓強度偏低。

（3）隨硅灰摻量的增加，透水混凝土抗壓強度先降低后提高。AFt晶體含量的減少、基體表面較多微裂縫和氣孔以及松散、無序的晶體結(jié)構(gòu)使硅灰摻量較低的透水混凝土抗壓強度較低；C-S-H凝膠和含量AFt晶體的增加、Ca（OH）2和CaCO3含量的降低以及水化產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)的改善使硅灰摻量較高的透水混凝土抗壓強度提高。