粉煤灰改性透水混凝土试验研究.pdf

2 0 1 4年第 1 期 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 4 No 1 J a n u a r y 粉煤灰改性透水混凝土试验研究 刘 肖凡 ， 白晓辉 ， 王展展 ， 杜 康 z ( 1 武汉轻工大学土木工程与建筑学院 ， 4 3 0 0 2 3 ； 2 山东大学材料科学与工程学院 ， 济南 2 5 0 1 0 0 ) 摘要 ： 采 用粉煤灰等量替代水泥进行改性 ， 研究 了不 同粉煤灰掺 量、 不 同骨料粒径对透水混凝土孔 隙、 透水性 能及力 学性能的影响 ， 从微观层面揭示粉 煤灰对透水 混凝 土的作用机理。 结果显示 ， 当粉煤灰掺量为 2 0 时， 透水混 凝土渗透性能满足工程要 求， 其 6 0 d抗压 强度有 明显提 高。 关键词 ： 透水混凝土； 粉煤灰 ； 透水性 ； 力学性能 ； 试验研 究 Ab s t r a c t ：rr h e e q u a l r e p l a c e me n t o f c e me n t b y fl y a s h i s t e s t e d t h e i n flu e n c e s o f d i ff e r e n t f l y a s h c o n t e n t a n d a g ue g a t e s i z e s o n p o r o u s c o n c r e t e S p o r e s ， p e r me a b i l i t y a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a r e s t u d i e d ，a n d t h e mi c r o s c o p i c me c h a n i c a l s a r e f u r t h e r r e v e a l e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t t l 1 e p e rm e a b i l i t y o f p o r o u s c o n c r e t e mi x e d wi t h 2 0 f l y a s h c a n me e t e n g i n e e r i n g r e q u i r e me n t ， a n d t h e 6 0 d a y s c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f s u c h c o n c r e t e i n c r e a s e s s i g n i fi c a n t l y Ke y wo r d s ： P o r o u s c o n c r e t e ； F l y a s h ； P e rm e a b i l i t y ； Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s ； E x p e r i me n t a l s t u d y 中图分 类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 4) 0 1 2 0 0 4 0前言 透水混凝 土是一个特意将连通孑 L 隙纳入到整 体质量的特殊混凝土【 l 1 。与普通混凝土相 比， 透水混 凝 土具有透气 、 透水 、 吸声降噪 、 净化水体 、 改善地 表土壤生态环境 、 缓解地表径流和城市热 岛效应等 优 点吲 可 以用 于轻 交 通路 面 ， 如小 区路 面 、 停 车 场 、 城镇街道 、 人行道等 ， 使这些场地保持着与周围 自 然环境热量 、 水分 、 空气交换的生态平衡状态 。 影响透水混凝土强度的因素有很多 ， 其 中最重 要的是透水混凝土的孔隙率 3 1 。而影响透水混凝土 强 度 和孔 隙 率 的最 重 要 因素 为粘 结 剂 的 强 度 和 骨 料粒径_ 】 J 。粉煤灰作为一种传统的混凝土掺合料 ， 利 用废弃物的同时可节约水泥 ， 并可以改善混凝土性 能 ， 已产生 良好的经济效益和生态效益 。目前 国内 外专家学者 的研究基本上都是粉煤灰对普通混凝 土 的研究 5 1 。 并 取得 了一定 成果 ， 而对 粉煤 灰 改 性透 水混凝土性能的研究相对较少。为了改善透水混凝 土 的性 能 并 降低 成本 ， 本文 以粉 煤 灰 为掺 合 料 等量 替代 部分 水 泥 研究 由此 配制 的 透水 混凝 土 的力学 性 能 和透 水性能 。 1 试验 原材 料与 方法 1 1 原 材料 水泥为 P 0 4 2 5级普通硅酸盐水泥 ， 掺加物为 级 粉 煤 灰 ，骨 料 分 别 为 2 5 5 m m、 5 l O m m、 1 0 基 金 项 目 ：湖 北 省 优 秀 中青 年 科 技 创 新 团 队计 划 项 目 ( T 2 0 1 1 0 7 ) 、 湖北省教育厅科技计划项 目( Q 2 0 1 3 1 7 0 2 ) 。 一 2 0 1 5 ram的三种不同粒径范围的碎石 ，其紧密堆积密 度依次为 1 5 2 0 k g m 、 1 4 8 8 k g m 。 、 1 4 5 6 k m 3 。水泥和 粉煤灰的化学成分见表 1 同 。 1 2 配合比设计 本 试 验 设 计 了 四种 不 同 粉煤 灰 掺 量 的 透 水混 凝 土配 合 比。考 虑到粉 煤灰 的特 性 ， 进行 先期 试配 ， 以 和易 性 最 佳 的水 灰 比 w c = 0 3 0作 为 本 次 试 验 的 水灰 比， 透水混凝土的设计 目标孔隙率为 2 0 。粉 煤灰采用等量取代 ， 分别取代 0 、 1 0 、 2 0 、 4 0 ， 配 合 比设 计见 表 2 。 1 3 试件 成 型工艺 及养 护 1 3 1 成 型工艺 透水混凝土的搅拌工艺通常有两种 ： 一次加料 法和水泥浆包裹骨料法_ 7 l 。由于透水混凝土的强度 主要依靠 骨料颗粒 间粘 结点和粘 结面 的粘结 ， 因 此 ， 在搅拌过程 中要注意混合料的和易性 不宜过 于粘 稠 ， 也 不 宜 加 水 过 量 导 致 离析 水 泥 浆应 均 匀 包裹在骨料表面 ， 以达到最佳效果。本次试验 中采 用 的透水 混凝 土成 型工 艺如 图 1 所 示 。 水( 2 0 ) 水泥 、 粉煤灰 剩余水量 图 1 粉煤灰透水混凝土制作工艺 将所有粗骨料一次性加入到搅拌机中 ， 先加入 2 0 的水搅拌 2 0 s ， 使骨料表面均匀润湿 ， 再加入水 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘 肖凡 ， 白晓辉 ， 王展展 ， 等 粉煤灰改性透水混凝土试验研究 表 2 各 组试 验配合 比 k g m 泥 、 粉煤灰混合料 ， 水泥 、 粉煤灰会均匀 的在骨料表 面形 成 一 层 薄层 ， 促 进 骨 料 表 面 的粘 结 ， 有 助 于 透 水混凝 土强度的提 高 ， 最后加入剩余水量 ， 能够有 效避免 出现离析现象。 1 3 2 试 件 的制作 及养 护 粉煤灰中 S i O ： 、 A 1 ： O ， 等硅酸盐玻璃 体，与水泥 水化后产生的碱性激发剂 C a( O H ) 发生化学反应 ， 生成水 化硅酸钙等凝胶嗍 即火山灰效应f9 】 。 造成粉 煤灰透水混凝土的早期强度增长缓慢 。粉煤灰取代 效应使 水泥熟料用 量减少 。 水化热 降低 ： 火 山灰效 应延长了水化反应过程 ，降低 了水化温度的峰值 。 因此 ， 粉煤灰透水混凝土的后期养护对其强度增长 至关 重要 。 试 验 中 试 件 尺 寸 分 别 为 1 5 0 mm x l 5 O mm 1 5 0 m m 的立方体和 l O O m mx l O O m mx 5 1 5 m m 的长方 2 00 1 92 1 9 o 槲 1 8 5 l 8 0 1 7 5 1 7 0 o l O 2 O 3 O 4 0 5 0 粉煤灰掺量， 图 2 不同粒径不同粉煤灰掺量透水混凝 上的孔隙率 体梁 。试块成型脱模后先将其浸入水中约 2 mi n ， 待 整体润湿后放入标准养护室的水槽 中 上表面覆盖 塑料薄膜 为满足粉煤灰透水混凝土的后期水化需 水量 要 定期补充水分 ， 始终保证水面在混凝土的 1 5高度处。 2 试 验 结果与 分析 2 1 孔隙率及透水系数的变化关系 不 同骨料粒径 、 不同粉煤灰掺量条件下改性透 水 混凝 土孔 隙率 和 透水 系数 变化 规 律 如 图 2 、图 3 所 示 。 由 图 2可 以看 出 ，随 着粉 煤 灰 掺量 的增 加 ， 不 同粒径透水混凝土的孔隙率随之下降 但是下降幅 度不是很大 。其 中， 大粒径透水混凝土相对于小粒 径透水混凝土的下降趋势更明显 ， 而孑 L 隙率值仍大 于小粒 径透 水混 凝 土 。 由图 3可以看出 ，随着粉煤灰掺量 的增加 三 种粒径透水混凝土 的透水系数均 明显下 降 但大粒 径透水混凝土 的透水系数较小粒径透水混凝 土要 高 出很 多。比较 图 2 、 图 3 ， 易看出透水系数和孔隙 率 不是 完 全 的正 比关 系 ， 而是趋 于正相 关1 3 A 1 】 。分 析 其原 因如下 ： 水泥熟料水化生成 的 C a ( O H ) 和粉煤 灰 中 的活 性 氧化 硅 和 活 性 氧 化 铝 进 行 水 化 反 应 生 成 水 硬 性 物质 l 1 o l ， 并 在 骨料 表 面 形 成一 层 致 密 的 面 层 ， 阻止 了水 的渗透 ， 使大尺寸孑 L 隙减少 ， 原来的连 通和半连通孔隙都变成 了半连通甚至封 闭孔隙 小 尺寸孔隙增加 ， 导致有效孔 隙率明显减小 。由于半 连通孑 L 隙和封 闭孑 L 隙都不能渗水 ， 因此 ， 透水混凝 土的透水 系数急剧下降。相比而言 ， 大粒径透水混 凝土的大尺寸多一些 ， 粉煤灰掺量对连通孔 隙的影 重 蛔 o l O 2 O 3 O 4 0 5 O 粉煤灰 掺量， 图 3 不 同粒径不 同粉煤灰掺量透水混凝 土的透水 系数 一 21一 m 8 6 4 2 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 1 期 混凝土与水泥制品 总第 2 1 3期 响就小一些 ， 因此 大粒径透水混凝土 的孔隙率和 透水系数相对较高。 2 2 粉煤灰透水混凝土的力学性能 2 2 1 抗 压强 度 随着粉煤灰掺量 的增加 。 2 8 d抗压强度有所降 低 ， 6 0 d抗压强度却有明显提高 。究其原 因， 粉煤灰 早期水化 比较缓慢 ， 由于其取代效应和火 山灰效应 的影响 ， 2 8 d并没有达到有效强度 。 而水泥水化已经 充分 ， 2 8 d形成了一定的强度。 随着粉煤灰的碱集料 效应和二次水化的充分 ， 透水混凝土原来 的孔隙结 构有所改变 ， 部分孔隙被堵塞甚至封闭 ， 即增加 了 密实度从而降低了连通孔隙 ， 因此 6 0 d强 度有明显 提高 。不同粒径透水混凝 土抗压强度随着粉煤灰掺 量 的变化 如 图 4 、 图 5 、 图 6所示 。 0 l 0 2 0 3 0 40 5 O 粉煤 灰掺量 图 4骨料粒径 2 5 5 ra m 的透水混凝土抗压强度 2 2 21 2 0 螽1 9 营 l 7 1 6 l 5 1 4 0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 O 粉煤灰 掺量 图 5骨料粒径 5 - 1 0 m m 的透水混凝土抗压 强度 2 2 2 1 2 0 螽 19 嘿1 8 墨1 7 1 6 l 5 1 4 0 l O 2 O 3 0 40 5 0 粉煤灰掺量， 图 6骨料粒径 1 0 1 5 m m 的透水混凝土抗压强度 一 2 2一 从 图中可以看出， 每种粒径 的透水混凝土随着 粉煤灰掺量的增加 ，其抗压强度先增大后减小 在 掺量为 2 0 时强度最大 ， 掺量为 4 o 的透水混凝土 强度反而有所减低。 相比而言 ， 骨料粒径为 5 l O mm 的透水混凝土抗压强度具有最大峰值 ， 骨料粒径为 1 0 1 5 mm的透水 昆 凝土强度峰值次之 骨料粒径为 2 5 5 m m的透水混凝土强度最低。 2 2 2 抗折强度和抗劈裂强度 不同骨料粒径 、 不 同粉煤灰掺量透水混凝土的 抗折强度和抗劈裂强度分别如图 7和图 8所示。 O 1 0 2 O 3 O 4 0 5 O 粉煤灰掺量， 图 7 不 同粉煤灰掺量 、 不同骨料粒径透水混凝土 的 抗折强度 U l U 2 0 3 【 J 4 【 J 5 U 粉煤灰 掺量， 图 8 不 同粉煤灰掺量 、 不 同骨料粒径透水混凝土的 抗 劈 裂 强 度 由 图可 知 ， 随 着 粉煤 灰 掺 量 的增 加 ， 抗 折 强 度 和抗劈裂强度也都是先提高后降低 ， 并且在粉煤灰 掺量为 2 0 时强度最高 。由于施加荷载 的方式不 同， 抗折强度的变化波动很小。相比而言 ， 抗劈裂强 度 的变化就 比较 明显 ， 由于破坏形态的不 同 ， 大粒 径 透水 混 凝 土 的抗 折 强 度 和抗 劈 裂 强 度 均 大 于小 粒径 透水混 凝土 。 2 2 - 3 破坏 形态分 析 对不同骨料粒径透水混凝土强度 的差异原 因， 是与各 自的破坏形态密切相关 ， 如图 9 、 图1 0所示。 O 6 2 8 4 O 6 2 8 4 D 3 3 2 2 2 l 1 O O O B d 鼍 黑鞲 加 M 罨 髓嗵 5 4 3 2 1 O 9 8 7 6 5 L l 1 l l 1 O 0 O 0 O B d W 想i 疰敞鞲 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m