碱激发矿渣－赤泥新型低碳透水混凝土性能研究

吴敏　王晨　王安辉　段伟　张洁雅　董晓强

摘 要：以粒化高炉矿渣与拜耳法赤泥两种工业固废作为胶凝材料，硅酸钠溶液作为碱激发剂，石灰岩碎石作为粗骨料，制备透水混凝土，研究了设计孔隙率、水胶比与骨料粒径对透水混凝土强度与透水性能的影响。结果表明：随设计孔隙率增大，试样的强度逐渐减小，但透水性能逐渐增强。最优水胶比受设计孔隙率和骨料粒径的影响，当透水混凝土设计孔隙率为１５％、骨料粒径为４．７５～９．５０ ｍｍ 时，最优水胶比为０．３６，其强度较高且具有良好的透水性能。碱矿渣－赤泥透水混凝土的力学与透水性能均优于水泥透水混凝土，符合低碳绿色的发展理念。

关键词：透水混凝土；赤泥；矿渣；设计孔隙率；水胶比；骨料粒径

中图分类号：ＴＵ５０２ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０４．０２５

引用格式：吴敏，王晨，王安辉，等．碱激发矿渣－赤泥新型低碳透水混凝土性能研究［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（４）：１４８－１５２．

０ 引言

随着城市化进程的推进，城市内涝、水污染和城市热岛效应等问题日益凸显［１－２］ 。我国政府和学者提出以“海绵城市”建设来缓解上述问题，透水混凝土作为其建设的关键材料逐渐被重视起来［３］ 。

目前，透水混凝土已经广泛应用于道路及市政工程中，用于路面材料时，能够补充地下水资源，恢复土壤蓄水、渗水的功能，同时能够降低城市的排水压力，有效地调节城市地表的湿度和温度，极大地缓解热岛效应［４］ ；用作透水混凝土桩时，能够加快超静孔隙水压力消散，减轻挤土效应，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胶凝材料主要采用水泥，而水泥作为胶凝材料其凝结硬化后强度偏低，另外，水泥在生产过程中消耗大量的化石能源和自然资源，排放大量ＣＯ２并污染环境，极大地限制了其广泛应用与绿色低碳发展［６］ 。

大量研究表明：赤泥、矿渣、粉煤灰等工业固废在碱激发作用下可以发挥其较高的活性，并具有强度高、耐高温、耐腐蚀等优点［７］ ，可以替代水泥作为新的胶凝材料，受到了国内外学者的广泛关注。Ｔｈｏ－Ｉｎ 等［８］利用碱激发粉煤灰作为胶凝材料制备出力学性能良好的透水混凝土。Ｓｕｎ 等［９］ 利用碱激发矿渣、偏高岭土作为胶凝材料制作透水混凝土，进行了骨料粒径对透水混凝土抗压强度及透水性能的影响与微观机理的研究。边伟等［１０］ 利用矿渣和粉煤灰作为胶凝材料，系统地研究了浆体层厚度、固液比对于透水混凝土强度以及透水性能的影响，并且评价了其长期耐久性能。孙科科等［１１］ 利用碱激发偏高岭土制备透水混凝土，研究了ＳｉＯ２ ／ Ａｌ２Ｏ３、Ｎａ２Ｏ／ Ａｌ２Ｏ３和Ｈ２ Ｏ／ Ｎａ２ Ｏ 的物质量比对透水混凝土抗冻性能的影响。上述研究表明，碱激发矿渣强度较高，但是体系凝结时间相对较短，极大限制了其使用与发展。掺入工业固废赤泥后，能够极大地改善了胶凝材料的工作性能，是水泥的良好替代品［１２－１３］ 。

本研究将拜耳法赤泥和矿渣作为胶凝材料、水玻璃作为激发剂来制作透水混凝土，系统地研究了透水混凝土力学与透水性能，以期为碱矿渣和赤泥作为胶凝材料来制作透水混凝土提供技术支持。

１ 原材料和试验方法

１．１ 原材料

水泥为Ｐ·Ｏ ４２．５ 水泥，矿渣采用Ｓ９５ 矿渣，赤泥选自山西孝义市某铝厂，性能指标见表１。粗骨料为３种不同级配的石灰岩碎石，基本性能指标见表２，碱激发剂为水玻璃（模数为２．２３，产自河南某公司，Ｎａ２ Ｏ·２．２３ＳｉＯ２），利用ＮａＯＨ 进行模数调配。

１．２ 试验方案

主要研究设计孔隙率（ｅ）、水胶比（ｃ）与骨料粒径（ＰＳ）对透水混凝土强度、透水性能的影响。３ 种变量的具体参数见表３。

１．３ 试样制备

经预实验分析及参考已有研究结果，胶凝材料中赤泥与矿渣比例设置为３ ∶ ７，水玻璃模数为２．０，水玻璃掺量为５％［１４］ 。首先，将水玻璃倒入水中搅拌均匀；其次，将粗骨料和５０％的水玻璃溶液加入搅拌机中，搅拌３０ ｓ，使得粗骨料表面充分浸湿，倒入赤泥和矿渣，搅拌９０ ｓ，使胶凝材料均匀包裹石子；最后，将剩余的水玻璃溶液加入搅拌机中，继续搅拌９０ ｓ，称取混合料分别装入１００ ｍｍ×１００ ｍｍ×１００ ｍｍ 的方形模具与Φ１００ ｍｍ×Ｈ５０ ｍｍ 的圆柱形模具中，插捣成型。在试块表面覆盖一层塑料薄膜养护２４ ｈ 后拆模。将试件置于标准养护箱中，养护２８ ｄ。

２ 试验方法

参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（ＧＢ／Ｔ ５００８１—２０１９）［１５］ 进行力学性能测试，参照《透水水泥混凝土路面技术规程》（ＣＪＪ／ Ｔ １３５—２００９）［１６］ 规定的方法进行透水性能测试。将试样置于有机玻璃套筒中间位置，测试前须将试块充分饱水，通过在试块侧壁涂抹凡士林，然后敷上橡胶垫层，防止试块边缘漏水，试样及测试仪器如图１ 所示。

３ 试验结果与分析

３．１ 力学性能

３．１．１ 设计孔隙率对透水混凝土强度的影响

当ＰＳ 为４．７５～９．５０ ｍｍ 时，ｅ 对透水混凝土抗压强度的影响见图２。

由图２ 可知，隨着ｅ 的增大，透水混凝土的强度逐渐降低。当ｅ 为１０％时，不同ｃ（０．３２、０．３４、０．３６、０．３８）值情况下，透水混凝土的强度达到最高，分别为２３．１、２４．７、２０．８、１８．６ ＭＰａ。其原因可能是在利用体积法进行配合比计算时，利用粗骨料紧密堆积密度确定其单位体积的用量，即通过改变胶凝材料用量来改变透水混凝土的设计孔隙率，当ｅ 为１０％时，胶凝材料用量较多，浆体层较厚，粗骨料之间的接触面积较大［见图３（ａ）］，使得其机械咬合力和摩擦力增大，因此其强度较高。随着透水混凝土ｅ 增大，胶凝材料用量变少，骨料之间的接触面积变小［见图３（ｂ）］，当ｅ 为２５％时，骨料间的接触近似点与点接触，其内部形成大量的薄弱面，易导致应力集中，因此其强度较低，分别为５．９、６．５、７．９、８．８ ＭＰａ。

３．１．２ 水胶比对透水混凝土强度的影响

当ＰＳ 为４．７５～９．５０ ｍｍ 时，ｃ 对透水混凝土抗压强度的影响见图４。从图４ 可以看出ｃ 对于透水混凝土力学性能的影响不同于普通混凝土。随着ｃ 的增大，透水混凝土的抗压强度呈现先上升后降低的趋势，存在一个最佳ｃ 值使得其抗压强度达到最优，与陈守开等［１７］ 的研究结果一致。对水胶比与抗压强度关系曲线进行分析，可得：

ｙ ＝ａｘ２ ＋ｂｘ＋ｄ （１）

式中：ａ、ｂ、ｄ 为拟合参数（见表４）。

在水胶比一定时，孔隙率越小，强度越高。当设计孔隙率为１５％、２０％时，最优水胶比为０．３６，此时透水混凝土强度达到最大（分别为１８．２、１４．２ ＭＰａ）。由图２ 可知，ＰＳ ＝４．７５～９．５０ ｍｍ，ｅ ＝１０％时，最优ｃ 为０．３４。

上述现象出现的原因是在胶凝材料一定的情况下，水胶比较低时，胶凝材料拌和物流动性较差，胶凝材料不能完全水化，出现积聚成团的现象，以致骨料不能完全被胶凝材料包裹［见图５（ａ）］；随着水胶比增大，拌和物的状态有所改善，胶凝材料均匀包裹石子，表面呈现出金属光泽［见图５（ｂ）］。当水胶比较大时，胶凝材料浆体过于稀疏，导致大量胶凝材料沉底，甚至失去透水性能［见图５（ｃ）］。

对比图２、图４ 可知，不同设计孔隙率条件下，水胶比对于透水混凝土抗压强度的影响存在差异，说明孔隙率与水胶比对抗压强度均有一定的影响、可能存在交互作用，因此需同时考虑设计孔隙率和水胶比这两个因素，将设计孔隙率、水胶比、强度三者绘制在三维空间中（见图６），分析三者的相关关系，进行曲面拟合，数据点较为均匀地分布在曲面的两侧，可用二元二次模型表示为

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

式中：ｚ 为抗压强度。

式（２）确定性系数Ｒ２ 为０．９５，说明该模型的准确性较高，可通过该模型进行透水混凝土的强度估算。

３．１．３ 骨料粒径对抗压强度的影响

粗骨料是透水混凝土的结构骨架，对透水混凝土的力学性能有着重要影响。当ｅ 为１５％时，不同ＰＳ 对透水混凝土抗压强度的影响如图７ 所示。由图７ 可知，随着ＰＳ 的增大，透水混凝土的抗压强度逐渐减小，当水胶比为０．３４、ＰＳ 由４．７５～９．５０ ｍｍ 增大至９．５０～１３．２０ ｍｍ时，透水混凝土的抗压强度从１５． ６ ＭＰａ 减小到１４．３ ＭＰａ，降低了８％，抗压强度减小趋势较弱；当ＰＳ 为１３．２０～１６．００ ｍｍ 时，抗压强度为１０．２ ＭＰａ，降低了２９％。主要原因为：粗骨料粒径越大，其比表面积就会越小，单位面积粗骨料表面包裹的胶凝凝材料将会减少，同时随着骨料粒径的增大，透水混凝土内部的孔隙将会变大，骨料间的接触点减少，最终导致其强度降低［１８］ 。

由图７ 可知，当ｃ ＝ ０．３２、ｅ ＝ １５％时，随着ＰＳ 的增大，抗压强度有增大的趋势。这是因为水胶比是透水混凝土的重要影响因素，当目标孔隙率一定时，不同ＰＳ 对应的最优水胶比不同。当ＰＳ 为１３．２０～１６．００ ｍｍ 时，最优ｃ 为０．３２，而在此水胶比下，ＰＳ 为４．７５～９．５０ ｍｍ 的透水混凝土拌和效果较差［见图５（ａ）］，且强度较低。

３．２ 透水性能

３．２．１ 设计孔隙率对透水性能的影响

当ＰＳ 为４．７５～９．５０ ｍｍ 时，ｅ 对透水混凝土透水系数的影响如图８ 所示。随着ｅ 的增大，透水系数逐渐增大。ｅ 反映透水混凝土的密实程度，当ｅ 较小时，透水混凝土的密实程度较高，透水性能差；当ｅ 较大时，透水混凝土的密实度较低，结构内部具有较多的有效孔隙，但是其薄弱面较多，导致应力集中，容易破坏。其中ｅ 为１５％时，透水系数为０．３２ ｃｍ／ ｓ、远高于规范要求［１６］ 。

由图８ 与图２ 对比可知，透水混凝土的力学与透水性能不可兼得，因此找寻合适的设计孔隙率，同时满足较高的强度且有良好的透水性能是关键所在。

３．２．２ 水胶比对透水性能的影响

当ＰＳ 为４．７５～９．５０ ｍｍ 时，ｃ 对于透水混凝土透水系数的影响如图９ 所示。与图４ 对比可知，ｃ 对透水混凝土的力学与透水性能的影响呈现出相同趋势，最优水胶比使得透水混凝土的力学与透水性能达到最优。

在最优ｃ、ＰＳ 为４．７５～９．５０ ｍｍ 时，不同ｅ 的透水混凝土抗压强度分别为２３．１、１８．２、１４．２、８．８ ＭＰａ，透水系数分别为０．１３、０．３２、０．４１、０．５３ ｃｍ／ ｓ，ｅ 为１０％时，虽然强度较高，但透水性能较差，而当ＰＳ 为２５％时，抗压强度只有８．８ ＭＰａ。从图２ 和图８ 中可以看出，设计孔隙率从１０％增加至１５％时，抗压强度降低了２１％，有效地改善了其透水性能。当设计孔隙率从１５％增加至２０％时，抗压强度从１８．２ ＭＰａ 减小至１４．２ ＭＰａ、降低了２２％，透水系数从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 为１５％，其抗压强度为１８．２ ＭＰａ、透水系数为０．３２ ｃｍ／ ｓ、有效孔隙率为１６．８％，透水混凝土既有较高的抗压强度又有良好的透水性能。

３．２．３ 骨料粒径对透水性能的影响

当ｅ ＝１５％时，不同骨料粒径对透水系数的影响如图１０ 所示。由图１０ 可知，透水混凝土的透水系数随着骨料粒径的增大而逐渐增大。当水胶比大于０．３４时，ＰＳ ＝９．５０～１３．２０ ｍｍ 与ＰＳ ＝１３．２０～１６．００ ｍｍ 的透水混凝土存在浆体沉底的现象。

对比图１０ 与图７ 可知，随着骨料粒径的增大，透水混凝土的透水性能有所改善，但是其强度在逐渐下降。

当ＰＳ ＝４．７５～９．５０ ｍｍ、ｅ ＝１５％、ｃ ＝０．３６ 时，碱矿渣赤泥透水混凝土的抗压强度为１８．２ ＭＰａ，透水系数为０．３２ ｃｍ／ ｓ，既有较高的强度又能保证其透水性能。在同一配比下，利用水泥作为胶凝材料制作透水混凝土，其２８ ｄ 抗压强度为１６．３ ＭＰａ，透水系数为０．２７ ｃｍ／ ｓ，表明碱矿渣赤泥透水混凝土［见图１１（ａ）］的综合性能优于水泥透水混凝土［见图１１（ｂ）］。

４ 结论

１）透水混凝土力学与透水性能是不能完全兼得的。随着强度的增大，其透水性能逐渐降低。当碱矿渣透水混凝土的设计孔隙率为１５％、水胶比为０．３６、骨料粒径为４．７５～９．５０ ｍｍ 时，其强度为１８．２ ＭＰａ、透水系数为０．３２ ｃｍ／ ｓ，既有较高的强度又能保证其透水性能。

２）设计孔隙率、水胶比与骨料粒径是影响透水混凝土的重要因素，且三者相互影响。当骨料粒径为４．７５～９．５０ ｍｍ、设计孔隙率为１０％时，最优的水胶比为０．３２；设计孔隙率为１５％、２０％时，最优水胶比为０．３６；设计孔隙率为２５％时，最优水胶比为０．３８。

３）孔隙率与水胶比对透水混凝土强度存在交互作用，同时考虑设计孔隙率和水胶比两个因素，建立了基于设计孔隙率、水胶比的透水混凝土强度预测二元二次模型。

４）堿矿渣赤泥透水混凝土的力学与透水性能均优于传统的水泥透水混凝土，符合低碳、绿色的发展理念，可大力推广。

参考文献：

［１］ 陶涛，肖涛，王林森，等．海绵城市低影响开发设施多目标优化设计［Ｊ］．同济大学学报（自然科学版），２０１９，４７（１）：９２－９６．

［２］ 徐宗学，陈浩，任梅芳，等．中国城市洪涝致灾机理与风险评估研究进展［Ｊ］．水科学进展，２０２０，３１（５）：７１３－７２４．

［３］ ＸＩＡ Ｊ，ＺＨＡＮＧ Ｙ，ＸＩＯＮＧ Ｌ，ｅｔ ａｌ．Ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｉｅｓ ａｎｄ Ｃｈａｌ?ｌｅｎｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｐｏｎｇｅ Ｃｉｔｙ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ＵｒｂａｎＷａｔｅｒ Ｉｓｓｕｅｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｃｈｉｎａ（Ｅａｒｔｈ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ），２０１７，６０（４）：６５２－６５８．

［４］ 杨锋．利用固废材料制备透水混凝土及其性能影响因素研究［Ｄ］．南京：东南大学，２０２０：１－２．

［５］ 孙长申．透水刚性桩复合地基模型试验研究［Ｄ］．南京：东南大学，２０１９：９－１３．

［６］ 罗雷，郭旸旸，李寅明，等．碳中和下水泥行业低碳发展技术路径及预测研究［Ｊ］．环境科学研究，２０２２，３５（６）：１５２７－１５３７．

［７］ 郑文忠，邹梦娜，王英．碱激发胶凝材料研究进展［Ｊ］．建筑结构学报，２０１９，４０（１）：２８－３９．

［８］ ＴＨＯ?ＩＮ Ｔ，ＳＡＴＡＶ，ＣＨＩＮＤＡＰＲＡＳＩＲＴＰ，ｅｔ ａｌ．Ｐｅｒｖｉｏｕｓ Ｈｉｇｈ?Ｃａｌｃｉｕｍ Ｆｌｙ Ａｓｈ Ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ［Ｊ］．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０１２，３０：３６６－３７１．

［９］ ＳＵＮ Ｚ，ＬＩＮ Ｘ，ＶＯＬＬＰＲＡＣＨＴ Ａ．Ｐｅｒｖｉｏｕｓ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｍａｄｅ ｏｆＡｌｋａｌｉ Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｓｌａｇ ａｎｄ Ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒｓ［Ｊ］．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０１８，１８９：７９７－８０３．

［１０］ 边伟，马昆林，龙广成，等．碱激发矿渣粉煤灰透水混凝土性能研究［Ｊ］．铁道科学与工程学报，２０２０，１７（２）：３４９－３５７．

［１１］ 孙科科，彭小芹，冉鹏，等．地聚合物混凝土抗冻性影响因素［Ｊ］．材料导报，２０２１，３５（２４）：２４０９５－２４１００，２４１０６．

［１２］ ＫＵＭＡＲ Ａ，ＳＡＲＡＶＡＮＡＮ Ｔ Ｊ，ＢＩＳＨＴ Ｋ，ｅｔ ａｌ．Ａ Ｒｅｖｉｅｗｏｎ ｔｈｅ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｅｄ Ｍｕｄ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆＧｅｏｐｏｌｙｍｅｒ ａｎｄ Ａｌｋａｌｉ Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ［Ｊ］．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０２１，３０２：１２４１７０．

［１３］ 高海浪，蒋林华，喻骁，等．碱激发矿渣混凝土耐久性研究进展［Ｊ］．混凝土，２０１５（８）：４９－５２．

［１４］ 丁铸，洪鑫，朱继翔，等．碱激发赤泥－矿渣地聚合物水泥的研究［Ｊ］．电子显微学报，２０１８，３７（２）：１４５－１５３．

［１５］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．混凝土物理力学性能试验方法标准：ＧＢ／ Ｔ ５０８１—２０１９［Ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２０１９：５－３６．

［１６］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．透水水泥混凝土路面技术规程：ＣＪＪ／ Ｔ １３５—２００９［Ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２００９：２３－２５．

［１７］ 陈守开，陈家林，符永淇文，等．再生骨料透水混凝土性能的统计规律分析［Ｊ］．人民黄河，２０１９，４１（８）：１４８－１５２．

［１８］ 蒋正武，孙振平，王培铭．若干因素对多孔透水混凝土性能的影响［Ｊ］．建筑材料学报，２００５，８（５）：５１３－５１９．

［１９］ 崔新壮，张炯，黄丹，等．暴雨作用下透水混凝土路面快速堵塞试验模拟［Ｊ］．中国公路学报，２０１６，２９（１０）：１－１１，１９．

【责任编辑 简 群】

基金项目：国家自然科学基金资助项目（５２１０８３３２）；江苏省自然科学基金资助项目（ＢＫ２０２１００５１）；南京市建设系统科技计划项目（Ｋｓ２１５３）；山西住房和城乡建设厅２０２１ 年科学技术计划项目