吳敏　王晨　王安輝　段偉　張潔雅　董曉強

摘 要：以?；郀t礦渣與拜耳法赤泥兩種工業(yè)固廢作為膠凝材料，硅酸鈉溶液作為堿激發(fā)劑，石灰?guī)r碎石作為粗骨料，制備透水混凝土，研究了設(shè)計孔隙率、水膠比與骨料粒徑對透水混凝土強度與透水性能的影響。結(jié)果表明：隨設(shè)計孔隙率增大，試樣的強度逐漸減小，但透水性能逐漸增強。最優(yōu)水膠比受設(shè)計孔隙率和骨料粒徑的影響，當透水混凝土設(shè)計孔隙率為１５％、骨料粒徑為４．７５～９．５０ ｍｍ 時，最優(yōu)水膠比為０．３６，其強度較高且具有良好的透水性能。堿礦渣－赤泥透水混凝土的力學與透水性能均優(yōu)于水泥透水混凝土，符合低碳綠色的發(fā)展理念。

關(guān)鍵詞：透水混凝土；赤泥；礦渣；設(shè)計孔隙率；水膠比；骨料粒徑

中圖分類號：ＴＵ５０２ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０４．０２５

引用格式：吳敏，王晨，王安輝，等．堿激發(fā)礦渣－赤泥新型低碳透水混凝土性能研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（４）：１４８－１５２．

０ 引言

隨著城市化進程的推進，城市內(nèi)澇、水污染和城市熱島效應(yīng)等問題日益凸顯［１－２］ 。我國政府和學者提出以“海綿城市”建設(shè)來緩解上述問題，透水混凝土作為其建設(shè)的關(guān)鍵材料逐漸被重視起來［３］ 。

目前，透水混凝土已經(jīng)廣泛應(yīng)用于道路及市政工程中，用于路面材料時，能夠補充地下水資源，恢復(fù)土壤蓄水、滲水的功能，同時能夠降低城市的排水壓力，有效地調(diào)節(jié)城市地表的濕度和溫度，極大地緩解熱島效應(yīng)［４］ ；用作透水混凝土樁時，能夠加快超靜孔隙水壓力消散，減輕擠土效應(yīng)，提高地基抗震性能，防止地基液化［５］ 。但是目前透水混凝土中的膠凝材料主要采用水泥，而水泥作為膠凝材料其凝結(jié)硬化后強度偏低，另外，水泥在生產(chǎn)過程中消耗大量的化石能源和自然資源，排放大量ＣＯ２并污染環(huán)境，極大地限制了其廣泛應(yīng)用與綠色低碳發(fā)展［６］ 。

大量研究表明：赤泥、礦渣、粉煤灰等工業(yè)固廢在堿激發(fā)作用下可以發(fā)揮其較高的活性，并具有強度高、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點［７］ ，可以替代水泥作為新的膠凝材料，受到了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注。Ｔｈｏ－Ｉｎ 等［８］利用堿激發(fā)粉煤灰作為膠凝材料制備出力學性能良好的透水混凝土。Ｓｕｎ 等［９］ 利用堿激發(fā)礦渣、偏高嶺土作為膠凝材料制作透水混凝土，進行了骨料粒徑對透水混凝土抗壓強度及透水性能的影響與微觀機理的研究。邊偉等［１０］ 利用礦渣和粉煤灰作為膠凝材料，系統(tǒng)地研究了漿體層厚度、固液比對于透水混凝土強度以及透水性能的影響，并且評價了其長期耐久性能。孫科科等［１１］ 利用堿激發(fā)偏高嶺土制備透水混凝土，研究了ＳｉＯ２ ／ Ａｌ２Ｏ３、Ｎａ２Ｏ／ Ａｌ２Ｏ３和Ｈ２ Ｏ／ Ｎａ２ Ｏ 的物質(zhì)量比對透水混凝土抗凍性能的影響。上述研究表明，堿激發(fā)礦渣強度較高，但是體系凝結(jié)時間相對較短，極大限制了其使用與發(fā)展。摻入工業(yè)固廢赤泥后，能夠極大地改善了膠凝材料的工作性能，是水泥的良好替代品［１２－１３］ 。

本研究將拜耳法赤泥和礦渣作為膠凝材料、水玻璃作為激發(fā)劑來制作透水混凝土，系統(tǒng)地研究了透水混凝土力學與透水性能，以期為堿礦渣和赤泥作為膠凝材料來制作透水混凝土提供技術(shù)支持。

１ 原材料和試驗方法

１．１ 原材料

水泥為Ｐ·Ｏ ４２．５ 水泥，礦渣采用Ｓ９５ 礦渣，赤泥選自山西孝義市某鋁廠，性能指標見表１。粗骨料為３種不同級配的石灰?guī)r碎石，基本性能指標見表２，堿激發(fā)劑為水玻璃（模數(shù)為２．２３，產(chǎn)自河南某公司，Ｎａ２ Ｏ·２．２３ＳｉＯ２），利用ＮａＯＨ 進行模數(shù)調(diào)配。

１．２ 試驗方案

主要研究設(shè)計孔隙率（ｅ）、水膠比（ｃ）與骨料粒徑（ＰＳ）對透水混凝土強度、透水性能的影響。３ 種變量的具體參數(shù)見表３。

１．３ 試樣制備

經(jīng)預(yù)實驗分析及參考已有研究結(jié)果，膠凝材料中赤泥與礦渣比例設(shè)置為３ ∶ ７，水玻璃模數(shù)為２．０，水玻璃摻量為５％［１４］ 。首先，將水玻璃倒入水中攪拌均勻；其次，將粗骨料和５０％的水玻璃溶液加入攪拌機中，攪拌３０ ｓ，使得粗骨料表面充分浸濕，倒入赤泥和礦渣，攪拌９０ ｓ，使膠凝材料均勻包裹石子；最后，將剩余的水玻璃溶液加入攪拌機中，繼續(xù)攪拌９０ ｓ，稱取混合料分別裝入１００ ｍｍ×１００ ｍｍ×１００ ｍｍ 的方形模具與Φ１００ ｍｍ×Ｈ５０ ｍｍ 的圓柱形模具中，插搗成型。在試塊表面覆蓋一層塑料薄膜養(yǎng)護２４ ｈ 后拆模。將試件置于標準養(yǎng)護箱中，養(yǎng)護２８ ｄ。

２ 試驗方法

參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（ＧＢ／Ｔ ５００８１—２０１９）［１５］ 進行力學性能測試，參照《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》（ＣＪＪ／ Ｔ １３５—２００９）［１６］ 規(guī)定的方法進行透水性能測試。將試樣置于有機玻璃套筒中間位置，測試前須將試塊充分飽水，通過在試塊側(cè)壁涂抹凡士林，然后敷上橡膠墊層，防止試塊邊緣漏水，試樣及測試儀器如圖１ 所示。

３ 試驗結(jié)果與分析

３．１ 力學性能

３．１．１ 設(shè)計孔隙率對透水混凝土強度的影響

當ＰＳ 為４．７５～９．５０ ｍｍ 時，ｅ 對透水混凝土抗壓強度的影響見圖２。

由圖２ 可知，隨著ｅ 的增大，透水混凝土的強度逐漸降低。當ｅ 為１０％時，不同ｃ（０．３２、０．３４、０．３６、０．３８）值情況下，透水混凝土的強度達到最高，分別為２３．１、２４．７、２０．８、１８．６ ＭＰａ。其原因可能是在利用體積法進行配合比計算時，利用粗骨料緊密堆積密度確定其單位體積的用量，即通過改變膠凝材料用量來改變透水混凝土的設(shè)計孔隙率，當ｅ 為１０％時，膠凝材料用量較多，漿體層較厚，粗骨料之間的接觸面積較大［見圖３（ａ）］，使得其機械咬合力和摩擦力增大，因此其強度較高。隨著透水混凝土ｅ 增大，膠凝材料用量變少，骨料之間的接觸面積變?。垡妶D３（ｂ）］，當ｅ 為２５％時，骨料間的接觸近似點與點接觸，其內(nèi)部形成大量的薄弱面，易導(dǎo)致應(yīng)力集中，因此其強度較低，分別為５．９、６．５、７．９、８．８ ＭＰａ。

３．１．２ 水膠比對透水混凝土強度的影響

當ＰＳ 為４．７５～９．５０ ｍｍ 時，ｃ 對透水混凝土抗壓強度的影響見圖４。從圖４ 可以看出ｃ 對于透水混凝土力學性能的影響不同于普通混凝土。隨著ｃ 的增大，透水混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢，存在一個最佳ｃ 值使得其抗壓強度達到最優(yōu)，與陳守開等［１７］ 的研究結(jié)果一致。對水膠比與抗壓強度關(guān)系曲線進行分析，可得：

ｙ ＝ａｘ２ ＋ｂｘ＋ｄ （１）

式中：ａ、ｂ、ｄ 為擬合參數(shù)（見表４）。

在水膠比一定時，孔隙率越小，強度越高。當設(shè)計孔隙率為１５％、２０％時，最優(yōu)水膠比為０．３６，此時透水混凝土強度達到最大（分別為１８．２、１４．２ ＭＰａ）。由圖２ 可知，ＰＳ ＝４．７５～９．５０ ｍｍ，ｅ ＝１０％時，最優(yōu)ｃ 為０．３４。

上述現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是在膠凝材料一定的情況下，水膠比較低時，膠凝材料拌和物流動性較差，膠凝材料不能完全水化，出現(xiàn)積聚成團的現(xiàn)象，以致骨料不能完全被膠凝材料包裹［見圖５（ａ）］；隨著水膠比增大，拌和物的狀態(tài)有所改善，膠凝材料均勻包裹石子，表面呈現(xiàn)出金屬光澤［見圖５（ｂ）］。當水膠比較大時，膠凝材料漿體過于稀疏，導(dǎo)致大量膠凝材料沉底，甚至失去透水性能［見圖５（ｃ）］。

對比圖２、圖４ 可知，不同設(shè)計孔隙率條件下，水膠比對于透水混凝土抗壓強度的影響存在差異，說明孔隙率與水膠比對抗壓強度均有一定的影響、可能存在交互作用，因此需同時考慮設(shè)計孔隙率和水膠比這兩個因素，將設(shè)計孔隙率、水膠比、強度三者繪制在三維空間中（見圖６），分析三者的相關(guān)關(guān)系，進行曲面擬合，數(shù)據(jù)點較為均勻地分布在曲面的兩側(cè)，可用二元二次模型表示為

ｚ ＝－１ ５１７．８５ｅ２ ＋０．００５ ８ｃ２ ＋９６７ｅ－３．５ｃ＋６．７ｅｃ－１１９（Ｒ２ ＝０．９５） （２）

式中：ｚ 為抗壓強度。

式（２）確定性系數(shù)Ｒ２ 為０．９５，說明該模型的準確性較高，可通過該模型進行透水混凝土的強度估算。

３．１．３ 骨料粒徑對抗壓強度的影響

粗骨料是透水混凝土的結(jié)構(gòu)骨架，對透水混凝土的力學性能有著重要影響。當ｅ 為１５％時，不同ＰＳ 對透水混凝土抗壓強度的影響如圖７ 所示。由圖７ 可知，隨著ＰＳ 的增大，透水混凝土的抗壓強度逐漸減小，當水膠比為０．３４、ＰＳ 由４．７５～９．５０ ｍｍ 增大至９．５０～１３．２０ ｍｍ時，透水混凝土的抗壓強度從１５． ６ ＭＰａ 減小到１４．３ ＭＰａ，降低了８％，抗壓強度減小趨勢較弱；當ＰＳ 為１３．２０～１６．００ ｍｍ 時，抗壓強度為１０．２ ＭＰａ，降低了２９％。主要原因為：粗骨料粒徑越大，其比表面積就會越小，單位面積粗骨料表面包裹的膠凝凝材料將會減少，同時隨著骨料粒徑的增大，透水混凝土內(nèi)部的孔隙將會變大，骨料間的接觸點減少，最終導(dǎo)致其強度降低［１８］ 。

由圖７ 可知，當ｃ ＝ ０．３２、ｅ ＝ １５％時，隨著ＰＳ 的增大，抗壓強度有增大的趨勢。這是因為水膠比是透水混凝土的重要影響因素，當目標孔隙率一定時，不同ＰＳ 對應(yīng)的最優(yōu)水膠比不同。當ＰＳ 為１３．２０～１６．００ ｍｍ 時，最優(yōu)ｃ 為０．３２，而在此水膠比下，ＰＳ 為４．７５～９．５０ ｍｍ 的透水混凝土拌和效果較差［見圖５（ａ）］，且強度較低。

３．２ 透水性能

３．２．１ 設(shè)計孔隙率對透水性能的影響

當ＰＳ 為４．７５～９．５０ ｍｍ 時，ｅ 對透水混凝土透水系數(shù)的影響如圖８ 所示。隨著ｅ 的增大，透水系數(shù)逐漸增大。ｅ 反映透水混凝土的密實程度，當ｅ 較小時，透水混凝土的密實程度較高，透水性能差；當ｅ 較大時，透水混凝土的密實度較低，結(jié)構(gòu)內(nèi)部具有較多的有效孔隙，但是其薄弱面較多，導(dǎo)致應(yīng)力集中，容易破壞。其中ｅ 為１５％時，透水系數(shù)為０．３２ ｃｍ／ ｓ、遠高于規(guī)范要求［１６］ 。

由圖８ 與圖２ 對比可知，透水混凝土的力學與透水性能不可兼得，因此找尋合適的設(shè)計孔隙率，同時滿足較高的強度且有良好的透水性能是關(guān)鍵所在。

３．２．２ 水膠比對透水性能的影響

當ＰＳ 為４．７５～９．５０ ｍｍ 時，ｃ 對于透水混凝土透水系數(shù)的影響如圖９ 所示。與圖４ 對比可知，ｃ 對透水混凝土的力學與透水性能的影響呈現(xiàn)出相同趨勢，最優(yōu)水膠比使得透水混凝土的力學與透水性能達到最優(yōu)。

在最優(yōu)ｃ、ＰＳ 為４．７５～９．５０ ｍｍ 時，不同ｅ 的透水混凝土抗壓強度分別為２３．１、１８．２、１４．２、８．８ ＭＰａ，透水系數(shù)分別為０．１３、０．３２、０．４１、０．５３ ｃｍ／ ｓ，ｅ 為１０％時，雖然強度較高，但透水性能較差，而當ＰＳ 為２５％時，抗壓強度只有８．８ ＭＰａ。從圖２ 和圖８ 中可以看出，設(shè)計孔隙率從１０％增加至１５％時，抗壓強度降低了２１％，有效地改善了其透水性能。當設(shè)計孔隙率從１５％增加至２０％時，抗壓強度從１８．２ ＭＰａ 減小至１４．２ ＭＰａ、降低了２２％，透水系數(shù)從０．３２ ｃｍ／ ｓ 增大至０．４１ ｃｍ／ ｓ，增大了２８％，且透水混凝土孔隙率越大、越容易堵塞［１９］ 。因此，當ｅ 為１５％，其抗壓強度為１８．２ ＭＰａ、透水系數(shù)為０．３２ ｃｍ／ ｓ、有效孔隙率為１６．８％，透水混凝土既有較高的抗壓強度又有良好的透水性能。

３．２．３ 骨料粒徑對透水性能的影響

當ｅ ＝１５％時，不同骨料粒徑對透水系數(shù)的影響如圖１０ 所示。由圖１０ 可知，透水混凝土的透水系數(shù)隨著骨料粒徑的增大而逐漸增大。當水膠比大于０．３４時，ＰＳ ＝９．５０～１３．２０ ｍｍ 與ＰＳ ＝１３．２０～１６．００ ｍｍ 的透水混凝土存在漿體沉底的現(xiàn)象。

對比圖１０ 與圖７ 可知，隨著骨料粒徑的增大，透水混凝土的透水性能有所改善，但是其強度在逐漸下降。

當ＰＳ ＝４．７５～９．５０ ｍｍ、ｅ ＝１５％、ｃ ＝０．３６ 時，堿礦渣赤泥透水混凝土的抗壓強度為１８．２ ＭＰａ，透水系數(shù)為０．３２ ｃｍ／ ｓ，既有較高的強度又能保證其透水性能。在同一配比下，利用水泥作為膠凝材料制作透水混凝土，其２８ ｄ 抗壓強度為１６．３ ＭＰａ，透水系數(shù)為０．２７ ｃｍ／ ｓ，表明堿礦渣赤泥透水混凝土［見圖１１（ａ）］的綜合性能優(yōu)于水泥透水混凝土［見圖１１（ｂ）］。

４ 結(jié)論

１）透水混凝土力學與透水性能是不能完全兼得的。隨著強度的增大，其透水性能逐漸降低。當堿礦渣透水混凝土的設(shè)計孔隙率為１５％、水膠比為０．３６、骨料粒徑為４．７５～９．５０ ｍｍ 時，其強度為１８．２ ＭＰａ、透水系數(shù)為０．３２ ｃｍ／ ｓ，既有較高的強度又能保證其透水性能。

２）設(shè)計孔隙率、水膠比與骨料粒徑是影響透水混凝土的重要因素，且三者相互影響。當骨料粒徑為４．７５～９．５０ ｍｍ、設(shè)計孔隙率為１０％時，最優(yōu)的水膠比為０．３２；設(shè)計孔隙率為１５％、２０％時，最優(yōu)水膠比為０．３６；設(shè)計孔隙率為２５％時，最優(yōu)水膠比為０．３８。

３）孔隙率與水膠比對透水混凝土強度存在交互作用，同時考慮設(shè)計孔隙率和水膠比兩個因素，建立了基于設(shè)計孔隙率、水膠比的透水混凝土強度預(yù)測二元二次模型。

４）堿礦渣赤泥透水混凝土的力學與透水性能均優(yōu)于傳統(tǒng)的水泥透水混凝土，符合低碳、綠色的發(fā)展理念，可大力推廣。

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【責任編輯 簡 群】

基金項目：國家自然科學基金資助項目（５２１０８３３２）；江蘇省自然科學基金資助項目（ＢＫ２０２１００５１）；南京市建設(shè)系統(tǒng)科技計劃項目（Ｋｓ２１５３）；山西住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳２０２１ 年科學技術(shù)計劃項目