林佳玲 汪守淳 李荣炜

（1 深圳市建设工程质量检测中心；2 贵州正霸新材料科技有限公司）

0 引言

多孔混凝土是一种具有连续大孔结构的非封闭型生态环保材料[1]，它由特殊级配的骨料、水泥、外加剂、矿物掺合料和水按一定比例配制，经过适当的搅拌工序和振捣与加压相结合的成型方式制备而成。多孔混凝土内部由于含有较多的连通孔隙，能透水、净水以及为植物根系提供生长空间，目前在国外已经应用到透水路面材料，污水净化材料、植被生长基材以及公路，河川的植被护坡、护堤材料[2]等方面。

由于多孔混凝土的结构不是致密实体，而是存在许多大孔隙的蜂窝结构，所以其强度形成与一般混凝土不同：①由于采用单粒径的骨料，骨料与骨料间的接触减少，从而导致机械啮合力的减小；②胶结浆体对骨料的粘结面积减少，从而使胶结浆体和骨料的总粘附力减小；③骨料的排列状况很不规则，所形成的接触点分布状况也非常不规则，这样使传力方向变化复杂，而且在接触点处产生严重的应力集中现象[3]。以上三种原因都会导致多孔混凝土强度的降低，也是致使多孔混凝土强度不足的根本原因所在。

因此要提高多孔混凝土的力学性能，在骨料品质及其用量不变的情况下，就必须尽量减小多孔混凝土自身结构缺点的影响，通常采用提高多孔混凝土的内聚力和粘附力来提高其性能。若要提高内聚力，必须保证粘结胶结浆体自身具有较高的强度，减少水泥石自身的缺陷，而提高粘附力就得通过改善胶结浆体与骨料粘结层的微观结构来实现。基于此，本文分析了多孔混凝土的应力-应变曲线变化，并探讨在固定目标孔隙率下，分别掺加粉煤灰、矿渣或硅灰对多孔混凝土的抗压、抗折强度以及轴心强度和弹性模量的影响，以期为多孔混凝土的力学性能研究奠定一定的理论基础。

1 原材料与试验

1.1 原材料

珠江水泥厂生产的P.II 52.5 水泥；深圳妈湾电厂Ⅱ级粉煤灰；广东省韶钢集团公司生产的磨细矿渣；挪威埃肯公司生产的硅灰；深圳建筑宝公司生产的FDN-5R 型萘系高效减水剂；粒径为10mm～20mm的单一粒级级配且球度不小于0.6 的花岗岩骨料。

1.2 主要试验方法

1.2.1 抗压与抗折强度测定方法

在YEW-3000A 液压式试验压力试验机上测试多孔混凝土抗压与抗折强度，试验时试件的成型面应与受压面垂直，上下加压面必须按规范进行处理，使之光滑平整而又相互平行，上下加压面还应涂上一层黄油以减少上下加压板与试样接触面之间的摩擦力，尽量消除各种人为误差。抗压试件的尺寸为100×100×100mm，抗折试件尺寸为100×100×400mm，具体参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081－2019）进行测定。

1.2.2 静力受压弹性模量测定方法

多孔混凝土弹性模量试验采用的试件，以同一龄期6 个同时制作并在标准养护条件下养护的混凝土试件为一组，其中3 个用于测定轴心抗压强度，得出弹性模量试验的加荷标准；另3 个则用于静力受压弹性模量试验。试件标准尺寸为150mm×150mm×300mm，采用无锡建仪仪器机械有限公司生产的TM-Ⅱ型混凝土弹性模量测定仪，试验装置如图1、图2 所示。多孔混凝土的弹性模量值应按式⑴计算：

图1 轴向抗压试验装置图

图2 静力受压弹性模量试验装置图

式⑴中：Ec为多孔混凝土弹性模量（MPa）；Pα表示应力为1/3 轴心抗压强度时的荷载（N）；PO表示应力为0.5MPa 时的初始荷载（N）；A 为试件承压面积（mm2）；Δn表示最后一次从PO加荷到Pα时试件两侧变形差的平均值（mm）；L 为测量标距（mm）。

2 结果与讨论

2.1 试验配比设计

参照日本关于多孔混凝土配合比设计方法的思路，采用绝对体积法进行多孔混凝土配合比设计。试验中粉煤灰、矿渣和硅灰三种掺合料均为内掺占胶凝材料的质量百分比。萘系减水剂的掺量均以占胶凝材料的质量1.5%计算。试验具体的配合比如表1 所示。

2.2 多孔混凝土应力- 应变曲线分析

普通混凝土受压的应力-应变曲线主要由三个特征阶段（或点）决定[4]（图3 所示）：①曲线上升段；②混凝土应力刚达到σB时的混凝土压应变εB（即峰值应变）；③混凝土的极限压应变。而多孔混凝土由于其结构的特殊性，其应力－应变曲线与普通混凝土稍有不同，具有自身的特性。图4 是表1 中CSI3 组的多孔混凝土抗压强度测试时所得到的应力－应变曲线，由图可知，在应力达到峰值之前，应变和应力与普通混凝土一样近似曲线递增，但是有出现多个峰值相互跳跃波动现象，有时应变增大而应力不增大，出现所谓的平台区，甚至还可能减小[5]。当应力达到最大值之后，应力随变形的增大而降低。这可能是因为刚开始往多孔混凝土加压时，应力较小，随着应力的增加，粗骨料间水泥石粘结面的微裂纹开始产生，裂纹逐渐扩大延伸，但是此时相邻骨料间的粘结面还没有完全分离开，随着微裂纹的继续发展，骨料之间产生了细微的位置调整，由于多孔混凝土存在大量的孔隙，材料局部的压碎后又更为密实，可以在达到最大峰值之前进一步提高多孔混凝土的强度。而当曲线至最高点后，陡然下降，这说明多孔混凝土具有破坏的瞬时性性质。另外，一般普通混凝土的破坏形式可以看作是“破裂”，而多孔混凝土则是“破碎”，因为普通混凝土试件破坏后存在着很多破裂面，破坏物大多是片状结构，而多孔混凝土破坏后的破坏物成松散的颗粒状。这说明，如果所用骨料的强度足够，最终破坏多发生在粗骨料之间的粘接触点上，因此包裹于粗骨料表面的浆体间的粘结强度，是提高多孔混凝土强度的关键。

表1 多孔混凝土的试验配合比

图3 普通混凝土受压的应力- 应变曲线

图4 多孔混凝土受压的应力- 应变曲线

2.3 多孔混凝土的抗压和抗折强度研究

由于多孔混凝土是由表面包裹着一薄层浆体的粗骨料相互粘结而形成孔穴均匀连续分布的蜂窝状结构，因此孔隙比较大，抗压强度比相同体积的普通混凝土低。要提高多孔混凝土的力学性能，改善粗骨料与胶结材浆体的界面区结构，可以掺加矿物掺合料。根据表1的多孔混凝土配合比，试验得出粉煤灰、矿渣和硅灰三种掺合料不同掺量分别对多孔混凝土的抗压和抗折强度的影响如图5 和图6 所示。

由图5 可以看出，多孔混凝土随着粉煤灰掺量由0%～30%的增加，7d 和28d 的抗压强度都是先降低后增加再降低。这可能是因为水泥中的粉煤灰颗粒在水泥水化初期是水化生成物的成长场所，对水泥水化有促进作用。可是，正因为如此，粉煤灰颗粒与水直接接触机会相对减少，从而抑制粉煤灰溶解和参与水泥水化反应[6]。因此粉煤灰从掺量0%到10%时多孔混凝土抗压强度呈下降趋势。而粉煤灰掺量在10%～30%之间多孔混凝土的抗压强度有一个明显的转折点，即在20%的地方有个峰值，掺量再增加时，强度开始下降。这有可能是因为粉煤灰掺量过大时，胶凝材料总量中的水泥熟料含量相对较少，熟料水化生成的Ca(OH)2量较少，减少了掺合料水化反应生成C-S-H 凝胶的比例，有些粉煤灰颗粒没有参与反应，难以有足够的生成物填充周围的空隙，所以粉煤灰掺量超过一定范围20%时，多孔混凝土强度会随粉煤灰掺量的增大(水泥用量减少)呈明显下降趋势。另一方面，由图6 可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，28d抗折强度基本成下降趋势，综合这两方面考虑，多孔混凝土粉煤灰的掺量最好不高于20%。同时，多孔混凝土28d 的强度比7d 的强度高，这主要是粉煤灰具有活性效应，在发生二次水化后，消耗了水泥水化时生成的薄弱的，而且往往富集过渡区的Ca(OH)2片状结晶。由于水化缓慢，只在后期生成了少量的C-S-H 凝胶，填充于水泥生成物的间隙，使其更加密实。

对于掺加矿渣的多孔混凝土，其早期强度均低于不掺矿渣的空白样。由图5 可以看出，矿渣掺量为30%的多孔混凝土7d 的抗压强度比未掺矿渣的下降9.3%。但是在后期，掺了矿渣的多孔混凝土强度发展较快，28d时的抗压强度接近甚至超过不掺矿渣的多孔混凝土抗压强度。例如当矿渣掺量为20%和30%的多孔混凝土抗压强度分别比不掺矿渣的提高21.2%和10.1%。以上试验结果表明矿渣在早期(7d)可能基本不参与水化，火山灰反应也没发生，只是作为微集料起填充作用，只有到中后期(28d)矿渣才发挥火山灰效应，充分参与水化，且作用明显，使包裹骨料的矿渣胶结浆体强度接近甚至超过不掺矿渣的多孔混凝土。另外，如果矿渣掺量太大，胶结浆体中的矿渣在28d 时并不能完全参与火山灰反应，只有一部分作为微集料起填充作用，可见矿渣掺量较大时，如30%，其28d 强度会降低。而从图6 中可以得出掺加矿渣的多孔混凝土28d 的抗折强度，随着掺量的增加在10%达到峰值后而继续逐渐降低，基于此矿渣掺量最好不超过20%。

图5 掺合料对多孔混凝土抗压强度的影响（7d，28d）

图6 掺合料对多孔混凝土抗折强度的影响(28d)

从图5、6 可以看出，硅灰的掺入，无论对多孔混凝土的7d、28d 抗压强度还是28d 抗折强度都有较大的提高，随着硅灰掺量的增加强度增大。当掺量比较小在5%时，增强效果不太明显。当掺量超过10%时，7d 和28d的抗压强度都有显著增加，但在28d 时硅灰掺量为10%以上时抗压强度趋于稳定，掺量15%时多孔混凝土的抗压和抗折强度可分别达到12.2MPa 和3.5MPa。对于硅灰增强理论，有资料表明[7]：硅灰可以提高水泥水化程度，并与Ca(OH)2发生二次水化反应，增加水泥浆体中的C-S-H 凝胶体的数量，且改善了传统C-S-H 凝胶体的性能。同时，硅灰及其二次水化产物填充了水泥浆体中的有害孔，水泥石中宏观大孔和毛细孔孔隙率降低，增加了凝胶孔和过渡孔，使孔径分布发生很大变化，大孔减少，小孔增多，且分布均匀，从而改变硬化水泥浆体的孔结构，并且改善了水泥浆体与骨料的界面性能，有力地促进了多孔水泥混凝土强度的增长。鉴于上述分析，并综合经济考虑，多孔混凝土硅灰的掺量宜为10%左右。

2.4 多孔混凝土的弹性模量研究

多孔混凝土的力学性能还包括其变形性能，而静力受压弹性模量是反映多孔混凝土变形性能的一项重要技术指标。在细观力学研究范围内，可以看作是由胶结浆体和骨料组成的二相复合材料。因此，这两个相的弹性模量以及它们的相对体积含量决定了多孔混凝土的弹性模量。由于试验所采用的骨料品质是一定的，并且体积含量不变。因此本文所测定的多孔混凝土弹性模量主要由包裹骨料的胶结浆体所决定的，矿物掺合料应用的好坏直接关系到多孔混凝土的弹性模量是否适用于工程应用的合理性。

由上面试验综合分析可知，矿物掺合料的掺量分别为粉煤灰（20%），矿渣（20%）或者硅灰（10%）时均有益于多孔混凝土的抗压抗折强度的提高，因此选取CFL1、CFL3、CSL3 和CSI3 四组配合比作为多孔混凝土弹性模量试验的研究对象。由表2 可知，在目标孔隙率为27%下，多孔混凝土28d 轴心抗压强度的大小依次为单掺10%的硅灰（CSI3 组）＞单掺20%矿渣（CSL3）＞未掺（CFL1）＞单掺20%的粉煤灰（CFL3），而其28d 弹性模量的大小依次为单掺20%的粉煤灰（CFL3）＞未掺（CFL1）＞单掺20%矿渣（CSL3）＞单掺10%的硅灰（CSI3 组）。由此可说明，尽管掺入粉煤灰后多孔混凝土的轴心抗压强度降低，但是粉煤灰对多孔混凝土弹性模量的提高却有帮助，而掺入矿渣和硅灰虽然可以提高其轴心抗压强度，却降低多孔混凝土的弹性模量，使得多孔混凝土的韧性得到提高，体现出多孔混凝土的变形性能有了较大程度的改善，这与普通混凝土强度越高，弹性模量越大的看法稍有不同[8]。

表2 多孔混凝土28d 的轴心抗压强度与弹性模量

3 结论

⑴对多孔混凝土的抗压强度应力－应变曲线进行分析，得出有多峰值跳跃波动的现象，粗骨料之间胶结浆体的粘结强度是影响多孔混凝土强度的关键。

⑵目标孔隙率为27%时，多孔混凝土28d 的抗压和抗折强度最高可达到12.2MPa 和3.5MPa，分别单掺20%的粉煤灰（CFL3 组），20%的矿渣（CSL3 组）或者10%的硅灰（CSI3 组）均有益于多孔混凝土抗压抗折强度的提高。

⑶目标孔隙率为27%时，矿物掺合料对多孔混凝土28d 弹性模量大小的影响顺序为：粉煤灰（CFL3 组）＞未掺（CFL1 组）＞矿渣（CSL3 组）＞硅灰（CSI3 组），而轴心抗压强度刚好相反。