申益铭

(黑龙江省泰斯特森工程检测有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000)

0 引 言

可持续问题是目前建筑相关行业研究人员的主要研究问题之一，该行业占全球能源使用量的36%，二氧化碳排放量的40%。由于道路所造成的影响以及它们所能提供的环境效益，道路问题已经得到相当多的关注。21世纪初，地球总面积的3%已被人行道覆盖。这带来了许多问题，例如阻碍水文循环，造成径流和水污染，以及由于人行道的太阳能吸收而导致城市地区温度升高(城市热岛)。

在这些情况下，可持续城市排水系统(SUDS)的概念已经提出用来处理雨水管理。多孔路面是最广泛使用的SUDS类型，并且可以通过适当的设计，以处理热岛效应和空气污染。多孔路面最常用的材料是沥青和水泥混凝土。后者被认为是减少水和温度环境影响的良好解决方案，如果与多孔沥青相比，它还对施工过程有利。少量使用多孔路面的问题仍然存在于其结构中，其设计目的是保持高孔隙率，约为1%～30%，这导致承载能力低，限制了其在交通荷载下的抗压能力。

因此，最近研究了不同替代材料，以部分或全部取代多孔混凝土中的水泥，从而获得一种更加环保的路面。地质聚合物开发就是这类研究。在激发剂提供的强碱性条件下，使用特定的粉末(如偏高岭土、飞灰等)，可以产生化学反应，形成胶凝材料。而偏高岭土作为地聚合物因其早期抗性和良好的耐化学性以及其他优点如良好的耐火性而引起了相当大的关注。此外，一些研究强调，地聚合物生产过程中产生的温室气体排放量比硅酸盐水泥低40%左右，使这种材料比传统水泥混凝土对环境更友好。至于路面，地质聚合物混合物的使用仍在研究中。偏高岭土是粘土矿物高岭土的一种脱水形态，在500～800 ℃温度下煅烧得到，作为火山灰质材料，被认为是普通硅酸盐水泥的良好替代品。

1 实验设计

1.1 设计方法论

对于多孔样品的制备，采用了多孔混凝土设计方法，该过程可参考。该方法以ACI522R-10标准为基础，消除了粗集料与砂的关系，将粗集料与砂的关系引入水泥净浆的设计中，从而得到砂浆。因此，砂量改变了水泥和混合料的水量。粗集料的比例取决于其颗粒密度和孔隙率。同时，多孔混凝土设计从设计的建议孔隙率(AV)、砂灰比(S/C)和水灰比(W/C)开始。然后确定粗骨料重量。据此，可以计算砂浆的体积和重量，最终得到水、水泥和砂的用量。

采用EN1097-3标准计算骨料的空隙率。为了确定混合料设计中空隙率含量的参数，进行了两次试验(压实和疏松集料)。根据多孔混凝土设计方法，骨料的空隙率有助于确定材料用量，其中骨料的空隙率越高，在混合料设计中提供的粗集料数量越少，而砂浆的掺量越高。当考虑较低的骨料的空隙率量时，性能表现相反。

1.2 材料和混合物

采用石灰石集料并对所有混合料进行5～10 mm级的精细化处理。对照混合料采用425型硅酸盐水泥，水灰比为0.30。试验用偏高岭土部分取代水泥，分别占水泥质量的5%和10%，w/c为0.30。第一种混合物标记为95c～5 mk，第二种标记为90c～10 mk。

此外，还利用碱活化工艺制备了另外三种实验混合物，用于制备最终混凝土的粘结剂。没有使用水和分级分布保持恒定使用上述相同的设计参数。以100%偏高岭土为待激发产物，采用硅酸钠和氢氧化钠按3∶1的比例混合作为活化剂，制备了标记为100 mk的第一种混合物。这些材料的化学成份可以产生碱活化过程，正如先前的研究所得到的结论。由于材料的可加工性，所以采用了0.87的激发比。另外，在50 mk～50 bas和25 mk～75 bas两种试验混合物中，分别用玄武岩粉代替50%和75%偏高岭土。总共生产了六种不同的混合物，并进行了测试。石灰石骨料和材料特性分别见表1和表2。

表1 石灰石骨料特性

表2 材料特性

样品的设计直径为10 cm和6.5 cm高，压缩在马歇尔装置内，符合EN 12697-30标准。水泥混合物浸泡在水中养护28 d。地质聚合物混合物被置于烤箱中，在70 ℃下烘烤12 h，然后在室温下烘烤21 d。对于地聚物混合物，烘箱养护是一个常用的手段，以前的研究已经验证了相同的合成混合物的凝固时间和温度。

1.3 地聚物砂浆的表征

为了表征地聚物浆料，对每种配合比浇铸了3个4 cm×4 cm×4 cm的立方体，并在不同的养护时间(7 d和21 d)下进行了测试。值得注意的是，没有针对地质聚合物的特定测试或标准。因此，通常通过评估立方样品的抗压强度来分析力学性能，这些样品符合标准，即硬化砂浆。从图1中可以看出，从固化的第7 d到第21 d，含100%偏高岭土的混合物和含50%偏高岭土和50%玄武岩粉末的混合物的值似乎恒定，在10 MPa内变化。由于偏高岭土含量低，含有25%偏高岭土和75%玄武岩粉的混合物在固化21 d时效果较差，因为玄武岩粉对聚集体颗粒没有良好的附着力。总体而言，混合物在7 d后即可固化。

图1 不同固化时间后的地质聚合物混合物的抗压强度

这进一步证实了碱活化材料的早期强度。而且，在养护7 d后，可以达到100 MK的抗压强度甚至高于传统波特兰水泥混凝土的特征抗压强度。由于所使用的材料和剂量不同，混合物的性能差异，决定对每种混合物仅测试一个样品，因为目的是在相同的方法下观察混合物的行为。

试验方案是在评价混合料的总孔隙度(体积特性)、渗透率(水力性能)和间接拉伸强度(力学性能)的基础上提出的。根据ASTM C1688标准，孔隙度(AV)可用公式(1)计算

(1)

式中：ρt对应于体积密度，由按照EN1097-3标准制作混合物所用材料的总质量之和除以模具体积计算，而ρ是从样品的净质量除以容器体积得到的实际密度。

混合物的渗透率是用根据西班牙NLT 327/00标准改装成实验室用的下降水头渗透仪获得的。它由一个直径10 cm的甲基丙烯酸酯管子组成，放在样品的顶部，允许水流入样品进行测试。这根管子是为20 cm的水柱校准的。然后，利用达西定律，可以计算渗透率。

2 结果与讨论

2.1 孔隙率和渗透率

总孔隙率(AV)和渗透率(k)，结果表明，用偏高岭土(95C～5 MK和90C～10 MK)取代部分水泥后，孔隙率增加，渗透率提高。在这种情况下，用偏高岭土代替5%的水泥可使渗透率加倍。但是，偏高岭土掺量增加10%可以认为是过量的，砂浆覆盖集料更多，渗透率开始下降，表现出与对照混合料相同的结果。可以说，偏高岭土取代5%以上的水泥似乎对混合料的渗透性有负面影响。

2.2 密度和间接拉伸强度

由于具有较高的孔隙率，与水泥混合物相比，地聚合物混合物获得的结果较低。在水泥混合料中，用偏高岭土(95 C～5 MK)取代5%水泥时，其结果与对照混合料相比提高了18%，而当偏高岭土掺量增加到10%(90 C～10 MK)时，其结果降低到与对照混合料几乎相同的值。在水泥混合料中，用偏高岭土(95 C～5 MK)取代5%的水泥时，其结果与对照混合料相比提高了18%，密度没有变化。

3 结 论

(1)根据剂量的评价得出的结果，土聚合物混合物适用于低荷载的路面，如占城市较大面积的步行街，并且可以减少水泥的使用量，还可以在降雨期间防止径流。

(2)根据目前的研究结果，可以考虑将水泥基混合料用于中等交通量的城市道路(二级街道)，这些道路占城市路面的比例很高，减少了一定数量的水泥，增加了土壤的渗透能力，特别是在降雨期间。

(3)含偏高岭土的水泥混合物和含地聚合物浆体的混合物都是可持续路面的良好替代品，减少了水泥的使用。