一种新型透水混凝土的性能研究

吕新锋，谷向民，孙健，王敏

（山东鲁碧建材有限公司，山东 济南 271100）

0 引言

透水混凝土是由一系列相连通的孔隙和混凝土实体部分骨架构成的具有透气透水性的多孔水泥基混凝土，其作为路面材料，具有透水、透气、净化水质等诸多优点，已成为建设生态海绵城市最有效的技术手段之一。但是，目前透水混凝土主要存在硬化后强度偏低的问题[1,2]。胶结层强度对透水混凝土强度具有较大影响，如何在不影响透水性能的前提下提高透水混凝土强度是亟待解决的问题。碱激发胶凝材料是由粒化高炉矿渣微粉和碱性激发剂制备而成，其具有抗压强度高、耐酸碱腐蚀等优异性能，符合节能减排、绿色低碳环境友好的要求。边伟[3]等以磨细矿渣和粉煤灰为原料、钠水玻璃为碱激发剂制备透水混凝土，其力学性能高于硅酸盐水泥配制的透水混凝土（OPC），但透水性能略低于OPC。徐庆[4]等采用氢氧化钠及水玻璃作为碱激发液来激发高炉矿粉体系，主要探讨了碱激发剂模数对透水混凝土性能的影响。

本文采用矿渣微粉和粉煤灰作为胶凝材料，钠水玻璃作为碱激发剂来制备透水混凝土，对其抗压强度、透水性能进行研究，为制备透水混凝土提供一定的技术支持。

1 试验用原材料

粗骨料：单一粒径 4.75～9.5mm 的普通石灰石碎石，表观密度为 2685kg/m3，堆积密度为 1580kg/m3。

硅酸钠：市售工业级硅酸钠粉末，模数为 2.31，ω(Na2O)=24.1，ω(SiO2)=54.0。

氢氧化钠：市售片状氢氧化钠，纯度为 99%。

水泥：山东鲁碧建材有限公司生产的 P·O42.5 水泥，其化学成分如表 1 所示。

矿渣微粉：用山东鲁碧建材有限公司生产的 S95级矿渣微粉，经过深加工得到的产品，其表观密度为2880kg/m3，比表面积不小于 700m2/kg。其化学成分如表 1 所示。

粉煤灰：济南市莱芜区南电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，表观密度为 2540kg/m3，比表面积为 480m2/kg，其化学成分如表 1 所示。

表1 水泥、矿粉、粉煤灰化学成分及组成 %

2 试验内容

2.1 配合比设计

透水混凝土配合比设计是将各原材料的体积与孔隙体积之和作为混凝土的体积来计算。据此，可以根据不同组分的体积分数推导碱激发胶凝材料透水混凝土的配合比设计公式，公式如下：

式中：

Mg、Mc、Mf、Mw、Ms、Mw水玻璃——分别为 1 立方体积内骨料、水泥、矿物掺合料、水、细骨料、水玻璃溶液的质量，kg；

ρg、ρc、ρf、ρw、ρs、ρw水玻璃——分别为骨料、水泥、矿物掺合料、水、细骨料、水玻璃溶液的表观密度，kg/m3；

Vvoid——目标孔隙率[5]。

2.2 试验制备与试验方法

水玻璃溶液：按照一定的比例称取硅酸钠粉末、片状氢氧化钠和水，经混合、搅拌、陈化，制得模数为1.2、1.3、1.4 的水玻璃溶液备用。水玻璃溶液的主要性能指标见表 2 所示。为了研究碱激发胶凝材料对透水混凝土性能的影响，利用上述原料，固定水灰比为 0.3，水玻璃溶液质量与矿粉和粉煤灰总质量之比为 0.4。采用正交试验，使用三因素、三水平：水玻璃溶液模数（1.2，1.3，1.4）、矿粉用量（200，220，240）、粉煤灰用量（60，80，100），设计试验方案及结果见表3（其中，A10 为使用纯水泥的透水混凝土对比组），正交试验极差分析结果见表 4。

表2 水玻璃溶液的主要性能指标

表3 透水混凝土抗压强度正交试验结果

表4 透水混凝土抗压强度正交试验极差分析结果

在混凝土搅拌锅中，先将粗骨料和矿物掺合料干拌一分钟，随后将水玻璃溶液和水加入并搅拌两分钟，完成搅拌后将新拌混凝土采用插捣法装入模具。每组配比使用 100mm×100mm×100mm 模具成型 6 个立方体试件用于测试透水混凝土 7 天、28 天抗压强度；每组配比使用 100mm×100mm×100mm 模具成型 3 个立方体试件用于测试透水混凝土的透水系数。成型完成后，覆盖薄膜，24 小时内拆模，放入标准养护室养护至规定龄期。

透水混凝土 7 天、28 天抗压强度依据 GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》中抗压强度试验进行试验和计算。透水混凝土的透水系数依据 JC/T 2558—2020《透水混凝土》中附录 A 透水系数试验方法进行试验计算。

2.3 试验结果

由表 3 和表 4 结果可知，对透水混凝土 7 天抗压强度影响，水玻璃模数＞矿粉＞粉煤灰；对透水混凝土28 天抗压强度影响为：矿粉＞粉煤灰＞水玻璃模数。当水玻璃溶液模数 1.2、矿粉掺量 240kg/m3、粉煤灰掺量 100 kg/m3时，透水混凝土 7 天、28 天抗压强度分别达到 21.5MPa、28.5MPa。

2.4 结果分析

（1）当水玻璃溶液模数 1.2、矿粉掺量 240kg/m3、粉煤灰掺量 100kg/m3时，透水混凝土 7 天、28 天抗压强度最高。分析原因可能是随着水玻璃溶液模数降低，溶液的 pH 值升高，促进了碱激发胶凝材料的凝结硬化过程。同时矿渣微粉主要颗粒粒径集中在 10μm以下，从而提高了碱激发胶凝材料中活性成分的含量，并且其在早期就发生水化作用，提高了透水混凝土的早期抗压强度。

（2）当水玻璃溶液模数逐渐降低时，透水混凝土早期抗压强度逐渐升高，后期抗压强度及透水系数基本稳定。分析原因可能是水玻璃溶液模数逐渐降低，则碱激发胶凝材料中碱含量逐渐升高，对矿渣微粉和粉煤灰中水化矿物的碱激发效果逐渐增强，从而增强了胶结层的强度，使透水混凝土的早期抗压强度升高。

（3）当矿渣微粉的掺量逐渐增加时，透水混凝土抗压强度逐渐升高，透水系数略微降低。分析原因可能是矿渣微粉主要颗粒粒径集中在 10μm 以下，并且矿渣微粉水化矿物的早期活性较高，其在早期就发生水化作用，提高了透水混凝土的早期抗压强度。随着矿粉掺量增加，伴随着水化反应的进行，透水混凝土体系的致密程度逐渐增加，进而导致透水混凝土的透水系数略微降低。

（4）当粉煤灰掺量逐渐增加时，透水混凝土抗压强度、透水系数基本保持不变。分析原因可能是粉煤灰本身早期活性不高，且比表面积不高，在 28 天之前水化矿物水化反应比率较低，所以对透水混凝土的抗压强度和透水系数影响较小。

3 胶凝材料对比分析

（1）强度效果对比。当水玻璃溶液模数为 1.2、矿粉掺量 240kg/m3、粉煤灰掺量 100kg/m3时，碱激发胶凝材料制备透水混凝土的抗压强度明显高于纯水泥制备的透水混凝土，具有较好的力学性能。

（2）透水系数分析。当利用上述碱激发胶凝材料配比时，碱激发胶凝材料制备透水混凝土的透水系数要略低于纯水泥制备的透水混凝土，但仍能满足 JC/T 2558—2020《透水混凝土》中 K2 等级的指标要求。

4 结论

（1）当水玻璃溶液模数 1.2、矿粉掺量 240kg/m3、粉煤灰掺量 100kg/m3时，透水混凝土 7 天、28 天抗压强度分别达到 21.5MPa、28.5MPa。相较纯水泥透水混凝土，该透水混凝土具有较高的强度力学性能，同时具有节能减排、绿色低碳环境友好的优点。

（2）当水玻璃溶液模数超过 1.2 时，透水混凝土的抗压强度逐渐下降。

（3）当矿渣微粉掺量逐渐增加时，透水混凝土抗压强度逐渐升高，透水系数略微降低。

（4）在碱激发胶凝材料中，粉煤灰对透水混凝土抗压强度、透水系数影响不大。