粉煤灰和矿粉对透水混凝土强度的影响

何玉龙

（长春冀东水泥混凝土有限公司，吉林 长春 130031）

0 前言

随着城市化进程的加速，城市道路逐渐被混凝土覆盖，由于普通沥青混凝土不透气、不透水，地表很难与大气进行热交换，有研究表明城市的热岛效应逐年加剧[1]。由于城市排水能力有限，雨后经常出现大面积积水出现城市内涝现象，由此会导致交通瘫痪和人民财产的损失[2]。为了提高人们生活的舒适度，解决城市路面的透水、透气问题已经迫在眉睫。透水混凝土具有优良的透气、透水性能，若能较好的应用于城市路面，则可很大程度上改善上述现象[3]。不仅能解决城市道路快速排水问题，而且可以促进地下水循环，净化地表径流，改善生态环境[4]。

透水混凝土通常不含有细骨料，主要由胶凝材料包覆粗骨料相互粘结而成。透水混凝土呈均匀蜂窝状，与普通混凝土相比较其孔隙率较大。透水混凝土主要应用于公园人行道、停车场、绿化带、城市广场等[5]。对改善城市区域热岛效应、减少地表径流和水资源治理、促进城市空气循环有明显作用[6]。透水混凝土骨料之间主要靠胶凝材料相互粘结，因其孔隙率一般都在 20% 左右所以抗压强度较低，因此掺合料改性胶材一直是透水混凝土研究的热点[7-8]。为降低成本并改善胶材的粘结强度和胶材与骨料的包裹效果，本文主要以粉煤灰和矿粉作为掺合料，考察掺合料单掺和复掺后对透水混凝土抗压强度的影响。为掺合料在透水混凝土中的应用提供一些实际参考价值。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

水泥：采用唐山冀东 P·O42.5 级普通硅酸盐水泥，具体性能指标见表1。

粉煤灰：采用Ⅱ级灰，细度（45μm筛余）12.5%，需水量比为 100%。

表1 水泥性能指标

矿粉：采用 S75 级，密度 2890kg/m3，比表面积416m2/kg，烧失量＜1.6%。

外加剂：聚羧酸系母液复配，减水率不小于 22%。

粗骨料：5～10mm 细石，表观密度 2780kg/m3，堆积密度 1640kg/m3，压碎值＜8%。

1.2 试件制备

为使胶材充分包裹骨料，搅拌时先投入骨料再投入20% 水，使骨料表面润湿，再将胶凝材料一次性投料，然后将外加剂掺入水中投料。当骨料表面完全包裹胶材且泛有光泽时停止加水，整个搅拌时间控制在 90s 内。将拌合物分层装入模具中并充分插捣模具边缘。为使骨料充分填装模具且颗粒之间接触充分，本试验采用压制成型并分三层填装，成型压力为 1MPa，恒定压力时间为 30s。成型模具尺寸为边长 150mm 的立方体，3 个为一组，24h 后拆模，放入标准条件下养护。

1.3 试验方法

透水混凝土的抗压强度 TYE-2000A 型压力机上进行，加载速度为 0.3～0.5MPa/s。试验结果根据 GB/T 50107—2010《混凝土强度检验评定标准》进行评定。透水系数的测定采用常水头法进行测定，即排水口和给水口始终保持恒定水头，为了保证测量的稳定性并具有可比较性，测量时始终保持水流为层流状态[8]。

2 试验结果与分析

根据前期试配研究，细石取 1620kg/m3，胶材总量为 400kg/m3，外加剂掺量 1%，水灰比为 0.24，考察粉煤灰和矿粉掺量分别在 10%、20%、30%、40%、50%时对透水混凝土抗压强度的影响，其中编号 C-0 为不用掺合料的对比试验，具体配合比和试验结果见表2。

表2 透水混凝土配合比及力学性能

2.1 单掺粉煤灰对透水混凝土抗压强度的影响

单掺粉煤灰对透水混凝土抗压强度的影响试验结果见图1。从图1 可见，透水混凝土 28d 和 60d 抗压强度均随粉煤灰掺量的增加先增加而后降低。其中 28d和 60d 的抗压强度分别在粉煤灰掺量为 20% 和 30% 时达到最大值，分别为 28.1MPa 和 30.4MPa。从两条折线的走势来看粉煤灰掺量在 30% 时后期强度增加幅度较大，当掺量超过 30% 后，后期强度增加幅度逐渐减小。试验证明透水混凝土中掺入适量粉煤灰对其抗压强度有益，但掺量过大反而会导致抗压强度的下降。

掺粉煤灰后透水混凝土抗压强度增加主要归功于粉煤灰的火山灰效应，粉煤灰在混凝土中之所以表现出火山灰活性主要原因是粉煤灰中的活性 SiO2和 Al2O3玻璃体与水泥水化产生的碱性物质 Ca(OH)2发生化学反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等凝胶。水化产物填充水泥空隙更加致密，增加骨料与水泥石界面粘结区域的密实度，表现在宏观力学上抗压强度的提高。随养护时间的推移，活性 SiO2和 Al2O3玻璃体不断被 Ca(OH)2激发，生成更多的凝胶体，所以 60d 的抗压强度均高于 28d 的抗压强度。当粉煤灰掺量过多时，水泥相对减少，水泥水化产生的 Ca(OH)2含量相对减少，不足以激发粉煤灰中的活性 SiO2和 Al2O3玻璃体，所以水化后的C-H-S 凝胶体相对减少，增加了过渡区的微观缺陷，表现出大掺量粉煤灰导致抗压强度的降低。所以当粉煤灰掺量超过 30% 时 60d 抗压强度曲线出现下降趋势。

图1 粉煤灰对透水混凝土抗压强度的影响

2.2 单掺矿粉对透水混凝土抗压强度的影响

不同掺量矿粉对透水混凝土抗压强度的影响见图2，具体数据见表2。由图2 可知，透水混凝土的抗压强度随矿粉掺量的增加先增大后减小，28d 和 60d 抗压强度在 30% 掺量时达到最大，分别为 29.4MPa 和33.5MPa。随养护时间的延长，透水混凝土的抗压强度均有不同程度的增加。究其原因，矿粉主要活性成分为 CaO、SiO2和 Al2O3，随水泥水化反应的进行，矿渣粉中的活性成分被水泥水化反应产物 Ca(OH)2所激发，生成 C-H-S 凝胶和纤维状的 AFt。矿渣粉水化生成的C-H-S 凝胶具有非常致密的特性，填充水泥水化后产生的空隙，增加了硬化体的抗压强度。另外矿渣粉的微集料效应也是混凝土抗压强度增加的原因之一，因为矿渣粉比表面积比水泥小，磨细矿渣粉可填充水泥颗粒间隙，改变水泥颗粒级配，使混凝土水化产物形成自密实体，所以混凝土抗压强度较空白试验增加。随着养护时间的延长，水化产物逐渐增多，硬化体孔隙率减小，所以透水混凝土随养护时间的延长抗压强度增加。从图中可见，当矿渣粉产量超过 30% 时透水混凝土的抗压强度逐渐下降。原因是当矿渣粉取代水泥量过多时，水泥水化反应产生的 Ca(OH)2不足以将矿渣粉中的活性组分完全激发，所以有部分矿渣粉在短期内没有发生水化反应，水化产物相对减少，所以宏观上表现出混凝土抗压强度降低。

图2 矿粉对透水混凝土抗压强度的影响

2.3 两种掺合料复掺的协同作用

综合粉煤灰与矿粉单掺数据，两种掺合料复掺后代替水泥的 30%，研究粉煤灰和矿粉的不同比例对混凝土28d 抗压强度的影响结果见表3 和图3。

由图表可知，当粉煤灰与矿粉比例在 6∶4 时，28d抗压强度达到最大值 32.2MPa。究其原因，水泥水化后生成大量的碱性 Ca(OH)2，pH 可达到 12，可激发粉煤灰和矿粉中的活性物质，生成致密的水化产物 C-H-S 凝胶和少量的 AFt，填充水泥因水化产生的空隙。同时矿粉水化产物聚集在粉煤灰玻璃体周围，可作为晶核促进粉煤灰的水化进程。另外水泥、粉煤灰、矿粉的比表面积依次增大，三种胶凝材料之间可形成紧密堆积效应，少量的未水化颗粒可作为微集料进行填充，减少体系的孔隙率，使硬化体强度更高。当矿粉掺量过高时水泥掺量相对减少，短期内矿粉和粉煤灰无法完全水化，水化产物相对减少，所以表相出抗压强度降低。所以复掺两种矿物掺合料时粉煤灰与矿粉的比例在 6∶4 为宜。

表3 粉煤灰和矿粉复掺比例对混凝土强度的影响

图3 粉煤灰与矿粉复掺比例与混凝土强度的关系

3 结论

单掺粉煤灰的 28d 和 60d 的抗压强度分别在20% 和 30% 掺量时达到最大值，分别为 27.9MPa 和30.4MPa。当掺量超过 30% 时抗压强度曲线出现下降趋势。所以单掺粉煤灰应控制在 30% 以内。

单掺矿粉时透水混凝土的抗压强度随矿粉掺量的增加先增大后减小，28d 和 60d 抗压强度在 30% 掺量时达到最大，分别为 28.9MPa 和 33.5MPa。当掺量超过30% 时抗压强度逐渐降低。所以单掺矿粉时应控制在30% 以内。

从经济效益和实际强度来看，粉煤灰与矿粉比例为6∶4 为宜。当抗压强度要求低时可继续增大两种掺合料的总掺量，此时可很大程度上节约成本。

[1]楼俊杰.不同掺合料影响下透水混凝土性能及冻融循环劣化研究[D].山东大学，2016.

[2]王艳艳，腾岩，李秀梅.掺合料增强透水混凝土的试验研究[J].建筑技术，2017,10(48)∶ 1030-1033.

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[4]刘肖凡，白晓辉，王展展，等.粉煤灰改性透水混凝土试验研究[J].混凝土与水泥制品，2014,1∶ 20-23.

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