1.1　原材料

粉煤灰：F类粉煤灰，表观密度2.55 g/cm³，堆积密度1.12 g/cm³。矿渣：S95粒化高炉矿渣，表观密度2.9 g/cm³，比表面积412 m²/kg，7 d活性指数86%，28 d活性指数95.5%，其主要化学组成见表1。粉煤灰和矿渣的微观形貌如图1所示；碱激发剂：由液态水玻璃和固态氢氧化钠配置的溶液，碱当量(以Na₂O%计)为6%，水玻璃模数为2.3，13.5%Na₂O，30%SiO₂，固含量43.5%，密度1.51 g/cm³，氢氧化钠纯度为96%。粗骨料：选用5～10 mm、10～15 mm粒径的煤矸石和普通碎石，煤矸石取自江西省丰城市某煤矿，其性能指标见表2，骨料形貌如图2所示。水为自来水。

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粉煤灰和矿渣的微观形貌

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不同粒径骨料的表观形态

1.2　配合比设计

根据《透水水泥混凝土路面技术规程》(CJJ/T 135―2009) (下述简称路用规范)，配合比采用体积法计算。在确定水胶比的情况下，根据已知各组分之间的关系推导其他组分的用量，公式如下：

(1)

式中：、、、分别为1 m³混凝土中矿渣、粉煤灰、水玻璃、水的质量，kg；、、、分别为矿渣的表观密度、粉煤灰的表观密度、水玻璃的密度、水的密度，kg/m³；P为目标孔隙率，%；P_g为粗骨料的空隙率，%。粉煤灰和矿渣质量比为1∶4，为研究骨料级配、煤矸石取代率、水胶比、碱激发剂模数、目标孔隙率5个因素对AFSGPC力学性能和透水性能的影响程度，每个因素分别设置4个水平，见表3，选用L₁₆(4⁵)正交试验表，试验配合比如表4所示。

1.3　试件制备

AFSGPC采用二次投料法拌合，插捣成型，制成100 mm×100 mm×100 mm的非标准试块。将氢氧化钠、水玻璃和水三者混合，制备成不同模数的碱激发剂，放置室内冷却24 h后备用。考虑煤矸石骨料的高吸水性，需提前1 h预湿骨料。首先将预湿的粗骨料放入搅拌机中，加入20%～30%的碱激发剂溶液搅拌30 s，使粗骨料表面充分湿润，以便更好地粘连胶凝材料；其次加入提前混合均匀的粉煤灰和矿渣搅拌1 min，使骨料表面均匀包裹胶凝材料；然后将剩余的碱激发剂溶液加入搅拌机内搅拌3 min，使浆体充分包裹骨料，用手能攥成团则表示工作性能良好。分2层进行装料，插捣成型，第1层装料至模具1/2处，用插捣棒从四周向中心位置螺旋插捣20次左右；第2次装料前需进行刨毛处理，插入至第1层下20～30 mm，插捣次数与第1次相同；最后进行压实抹平，表面覆盖薄膜固化24 h后拆模并编号，温度(20±2) ℃，静水中养护至龄期后进行性能测试。

1.4　性能测试

AFSGPC抗压强度和劈裂抗拉强度按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)进行测试。透水系数采用定水头法进行测试，计算公式如下：

(2)

式中：K为透水系数，mm/s；Q为t时间内的渗出水量，mm³；L为试样厚度，mm；A为试样上表面积，mm²；H为水位差，mm；t为时间，s。透水混凝土有效孔隙率是指连通孔隙与试件总体积之比，本试验采用排水法进行测试，计算公式如下：

(3)

式中：v为有效孔隙率，%；为试件饱和状态下的质量，g；为试件60 ℃烘干24 h的干燥质量，g；为水的密度，g/cm³；为试件的表观体积，cm³。

2.1　正交试验结果与极差分析

基于正交试验对AFSGPC的抗压强度、劈裂抗拉强度、透水系数以及有效孔隙率进行测试，试验结果如表5所示。然后对试验结果进行极差分析，结果如表6所示。极差值越大，说明该因素对性能指标的影响程度越显著。通过对4个性能指标的极差值进行排序，得到影响AFSGPC抗压强度最显著的3个因素为：B煤矸石取代率、E目标孔隙率、C水胶比；影响劈裂抗拉强度最显著的3个因素为：B煤矸石取代率、E目标孔隙率、C水胶比；影响透水系数最显著的3个因素为：E目标孔隙率、D模数、C水胶比；影响有效孔隙率最显著的3个因素为：E目标孔隙率、C水胶比、A骨料级配。从以上排序结果可以看出，目标孔隙率和水胶比对4个性能指标的影响都较为显著，而煤矸石取代率是影响强度的关键因素。因此，综合4个性能指标的影响因素极差分析结果，确定影响AFSGPC性能最显著的3个因素为：B煤矸石取代率、C水胶比和E目标孔隙率。

对比表5的正交试验结果发现，L1即采用5～10 mm单级配骨料，煤矸石取代率为25%，水胶比为0.3，碱激发剂模数为1，目标孔隙率为15%时，AFSGPC的28 d抗压强度达到最大值22.59 MPa，此时的劈裂抗拉强度为2.62 MPa，透水系数为2.41 mm/s，有效孔隙率为19.7%，满足透水混凝土路用规范中抗压强度大于20 MPa，透水系数大于0.5 mm/s的要求。该配合比能在满足强度要求的基础上具备良好的透水性能，故将其作为单因素优化的基准配合比。然后对煤矸石取代率、水胶比和目标孔隙率进行单因素配合比优化设计，如表7所示。目的是在满足透水混凝土路用规范要求的前提下，寻求煤矸石利用率最大的最优配合比。

2.2　煤矸石取代率对AFSGPC力学性能和透水性能的影响

如图3(a)和图3(b)所示，随着煤矸石取代率从25%增加到55%，AFSGPC的抗压强度和劈裂抗拉强度均呈下降趋势，其原因是煤矸石内部疏松多孔^[17]，且破碎后的煤矸石骨料存在较多微裂纹，从图1可以看出，破碎后的煤矸石针片状骨料含量较多，易发生应力集中破坏。如图3(c)所示，随着煤矸石取代率的增加，透水系数和有效孔隙率均呈先增大后减小的趋势，其原因一方面是煤矸石破碎后多呈针片状，接触点位减少，结构密实度降低；另一方面，煤矸石材料本身内部疏松多孔，增加了透水混凝土内部孔隙^[18]，从而使AFSGPC的透水性能提高。但是当煤矸石取代率为55%时，由于高掺量的煤矸石吸水性较大，降低了水流通过连通孔隙的速度，导致其透水性能下降。当煤矸石取代率为35%时，AFSGPC的28 d抗压强度为21.23 MPa，劈裂抗拉强度为2.39 MPa，透水系数为2.89 mm/s，有效孔隙率为20.9%，满足透水混凝土路用规范中各项性能指标的要求，且能够最大程度利用煤矸石，因此煤矸石最佳取代率确定为35%。

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煤矸石取代率影响效应图

2.3　水胶比对AFSGPC力学性能和透水性能的影响

交界面是指骨料与基体黏接的界面过渡区，从图4(a)和图4(b)可以看出，随着水胶比从0.3增加到0.36，AFSGPC的力学强度呈先增大后减小的趋势，抗压强度破坏形态也从交界面破坏逐渐转变为骨料和界面同时破坏。当水胶比为0.34时，AFSGPC的28 d抗压强度最大为26.00 MPa，劈裂抗拉强度为2.67 MPa。当水胶比为0.3时，由于粉煤灰和矿渣水化反应不充分，此时的浆体强度低于骨料强度，加载时荷载易沿骨料与浆体之间的弱界面传递，所以破坏时以弱界面破坏为主，如图5(a)所示，AFSGPC的力学强度较低；随着水胶比从0.3增加到0.34，胶凝材料水化反应充分，浆体强度增加。但由于煤矸石骨料强度较低，加载时应力易集中在煤矸石表面，导致骨料劈裂破坏，如图5(b)、图5(c)所示，此时骨料和浆体共同发挥作用，故AFSGPC的力学强度增加；当水胶比为0.36，从式(1)可以看出，其他参数保持不变时，随着用水量的增加，粉煤灰和矿渣的使用量减少，导致包裹骨料的浆体层过薄，骨料与浆体的界面过渡区黏结力不足，易在界面处发生破坏，破坏形态如图5(d)所示，导致力学强度有所下降。

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水胶比影响效应图

图5全屏查看

不同水胶比的抗压强度破坏形态对比

由图4(c)可知，随着水胶比的增大，透水系数和有效孔隙率均呈现下降趋势。其原因是当水胶比较小时，胶凝材料水化不充分，导致浆体的流动性较差，对骨料的包裹程度降低，骨料之间的黏结面减少，从而使得连通孔隙增多，如图6(a)所示，故AFSGPC的透水系数和有效孔隙率较大。当水胶比超过0.32时，浆体的流动性过大，易出现漏浆封底的现象，如图6(b)所示，导致AFSGPC的透水性能急剧降低。由于透水混凝土路用规范要求有效孔隙率不低于10%，所以综合强度和透水性考虑，AFSGPC最优水胶比为0.32。

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不同水胶比的AFSGPC表观特征

2.4　目标孔隙率对AFSGPC力学性能和透水性能的影响

目标孔隙率是影响透水混凝土强度和透水性能的重要因素。如图7(a)和图7(b)所示，随着目标孔隙率从15%增加到21%，抗压强度和劈裂抗拉强度均呈下降趋势，这是因为透水混凝土配合比采用体积法设计，目标孔隙率的增大，导致胶凝材料的用量减少，所形成的浆体对骨料包裹程度不足，致使骨料间面与面的接触程度降低^[19]，从而导致AFSGPC的力学强度逐渐下降。但是从图7(c)可以看出，随着目标孔隙率的增加，透水系数和有效孔隙率均呈上升趋势，这是因为包裹骨料的浆体层逐渐变薄，增大了AFSGPC的连通孔体积，使其透水能力得以提升。当目标孔隙率为21%时，透水性能达到最大，然而，此时AFSGPC的28 d抗压强度仅为14.45 MPa，不能满足透水混凝土路用规范C20的强度要求，故确定最佳目标孔隙率为15%。

图7全屏查看

目标孔隙率影响效应图

综合以上分析，确定AFSGPC最优配合比为：煤矸石取代率35%，水胶比0.32，目标孔隙15%，骨料粒径5~10 mm，碱激发剂模数为1。

2.5　AFSGPC力学性能增强机理微观分析

通过XRD分析胶凝材料发生聚合反应后矿物成分的变化。由图8可知，粉煤灰的主要矿物成分为石英、莫来石等，可以提供活性SiO₂和Al₂O₃，而矿渣的主要成分为方解石和镁铝钙石，可以为水化反应提供钙源。经碱激发反应后，从图中可以看出，粉煤灰中石英和莫来石的衍射峰明显降低，而养护28 d的AFSGPC浆体材料在25°～29°出现宽峰，表明碱激发剂与粉煤灰和矿渣中的活性成分发生聚合反应，矿物成分发生改变，生成了水化硅铝酸钙(C-A-S-H)和水化硅铝酸钠(N-A-S-H)^[20]。

图8全屏查看

原材料及浆体材料的XRD谱

结合SEM和EDS分析AFSGPC的微观形貌和水化产物成分。图9所示为水化反应后浆体的微观形貌及其成分的能量色散光谱。由水化产物的能谱图可知，谱图1主要存在Ca、Si、Al、O和Na元素，结合XRD结果分析确定该物质为结晶态的N-A-S-H，谱图2中Ca、Si的质量分数明显大于谱图1，为高钙体系矿渣的水化产物絮状的C-A-S-H，还有部分未反应的球状粉煤灰以及片状的矿渣，分别如谱图3和谱图4所示。强碱性的环境促进粉煤灰和矿渣中的Si—O键、Al—O键发生断裂，溶解为类离子态的[SiO₄]^4-、[AlO₄]^5-，同时，碱激发剂使矿渣溶解出Ca²⁺，与[SiO₄]^4-和[AlO₄]^5-缩聚，因而形成了C-A-S-H凝胶。与普通硅酸盐水泥水化生成的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶相比，二者具有相似的托贝莫来石结构^[21]。Al³⁺可以取代硅氧四面体中的Si⁴⁺，并且能进入原有的C-S-H结构内部使其层间距增大，增加了凝胶的聚合程度^[22]，这使C-A-S-H凝胶相较于C-S-H凝胶具有更高的黏性和强度。而对于低钙体系的粉煤灰来说，生成的水化产物N-A-S-H凝胶具有结晶态的类沸石结构，与C-A-S-H的二维链式结构不同，N-A-S-H呈三维网状结构^[23]，具有更高的聚合度。2种凝胶相互搭接，脱水硬化，基体强度得以发展。

图9全屏查看

水化产物的微观形貌和能量色散光谱图

另一方面，通过改善骨料与基体的界面过渡区结构提高AFSGPC的力学性能。合适的水胶比能提高矿物中Si—O键、Al—O键的解聚程度，加快水化反应速度^[24]，增加水化产物的生成量，减少基体中的孔隙，使得界面过渡区黏结更加紧密，如图10(a)所示，从而提高AFSGPC的力学强度；当水胶比过大或过小时，粉煤灰和矿渣未能充分水化，硬化后基体的孔隙增加，导致界面过渡区黏结力不足，加载时易在界面产生裂隙，如图10(b)所示，以致AFSGPC承载能力较低。

图10全屏查看

不同组别界面过渡区微观形貌