摻納米材料透水混凝土強度試驗研究

徐子強 毛耐民 史明輝 呂 龍

(云南大學建筑與規劃學院，云南 昆明 650500)

0 引言

隨著我國城鎮化建設進入高速發展時期，城市路面、空間已逐漸被混凝土等不透水材料所覆蓋，建筑密度也越來越大[1]。有資料表明，我國城市不透水道路的覆蓋率已達7%～15%，特大城市可能超過20%。因此，這一系列現狀導致了“熱島效應”“城市內澇”等城市通病的加劇。為解決這一問題，國內從20世紀90年代對透水性混凝土進行了研究，并將其應用到海綿城市的建設中。透水混凝土由于具有透水、透氣、密度小等特點，而對于緩解城市內澇、降低噪聲、加強水資源循環利用等有顯著作用[2]。但透水混凝土同時存在強度低、易塌陷等缺陷[3]，嚴重限制了透水混凝土在“海綿城市”建設中的應用和推廣。因此，對透水混凝土強度發展規律、破壞機理進行試驗研究對改善其強度性能有著重要意義。

本試驗以“海綿城市”建設中常用的普通透水混凝土為研究對象，摻入納米二氧化硅、納米碳酸鈣以及硅灰微粉對水泥漿體進行改性，分別配制普通透水混凝土納米二氧化硅、單摻納米碳酸鈣以單摻硅灰微粉透水混凝土各2組和9組復摻透水混凝土，其中單摻組包括7 d，28 d，56 d三個齡期，復摻組重點研究其28 d抗壓強度，并根據數據以及破壞形態進一步分析PCPC強度改善機理，為透水混凝土的應用和配制提供理論參考。

1 試驗

1.1 原材料

1)水泥。

本次試驗所用水泥南省紅獅公司生產的水泥，水泥型號為P.O42.5R，3 d抗折和抗壓強度分別為4.8 MPa,7 MPa，28 d的抗折和抗壓強度分別為22.1 MPa,43.2 MPa，均符合GB 175—2007通用硅酸鹽水泥的要求，其他主要性能指標見表1。

表1 本試驗研究所用水泥性能

2)骨料。

石場生產的碎石，粗骨料從碎石場運送到實驗室后，因為泥沙含量較高，通過高壓水槍對粗骨料進行了沖洗，并放置于實驗室外進行晾曬。對碎石骨料進行篩分，篩分出粒徑為5 m～10 m的骨料，堆積密度為1 670 kg/m3，表觀密度為2 700 kg/m3。

3)硅灰。

通過動態光散射得到其平均直徑在0.5 μm，參數見表2。

表2 硅灰材料參數

4)納米材料。

選用的納米材料均為緣江牌，材料參數均由廠家提供，見表3,表4。

表3 納米二氧化硅材料參數

表4 納米碳酸鈣材料參數

5)減水劑。

減水劑采用山西秦奮公司生產的均衡型聚羧酸系高性能減水劑，建議用量為0.2%～0.5%。

1.2 試件制備及養護

采用水泥裹漿法是預先將骨料投入攪拌機中，并加以部分水進行攪拌，對粗骨料預濕，然后加入部分水泥繼續攪拌，形成第一層薄漿，最后再將剩余的水和膠凝材料均勻倒入骨料表面攪拌至拌合物表面光亮。在制備中需事先將納米CaCO3與納米SiO2進行超聲分散。之后將減水劑倒入水中進行攪拌，隨后加入進行超聲分散過的納米CaCO3與納米SiO2繼續攪拌5 min。待水溶液穩定后，將水與納米材料分批次倒入水泥漿體和骨料拌合物中，繼續攪拌5 min后出料。

將拌合好的透水混凝土制作成150 mm×150 mm×150 mm混凝土試塊，試件成型1 d后進行拆模并放入濕氣養護室進行標準養護，溫度控制在(20±1)℃，濕度在95%以上。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

在進行透水混凝土試塊抗壓強度試驗時，加載速率為0.05 MPa/s，當壓力機停止加載，讀數恒定時記錄壓力值，每組3塊，取其平均值，試驗結果見表5。

表5 單摻組立方體抗壓強度試驗結果

表6 復摻組28 d抗壓強度試驗結果

由表6可知，當摻入4%硅灰時，隨著納米材料摻量的增加PCPC抗壓強度先增大后減小；當摻入6%硅灰時，隨著納米材料的增加，PCPC抗壓強度先略微減小，后大幅度降低；當摻入8%硅灰時，隨著納米材料摻量的增強呈現較大幅度的降低趨勢。說明在低硅灰摻量時，納米材料的增加，有助于協同硅灰填充水泥漿體孔隙，改善過渡區結構，增強PCPC抗壓，但高硅灰摻量下，納米材料反而會阻礙強度發展，納米材料和硅灰相比水泥粒徑更小，具有更高的活性，結合凈漿粘度測試可以發現單摻時均會導致表觀粘度上升，因而復摻時表觀粘度將繼續增大，在振搗成型下難以緊密堆積，整體松散。結合孔隙率分析可知隨著納米材料和硅灰摻量增加，E7組～E9組孔隙率增加，可以證實其表觀粘度對PCPC成型密實度的影響，并隨著孔隙率的增加，其抗壓強度降低。

2.2 試驗結果分析

為方便分析，將表5和表6試驗結果分別制成條形圖(如圖1所示)關于抗壓強度—復合摻料摻合比例的曲線圖(見圖2)。

由圖1可知摻入納米二氧化硅后透水混凝土7 d，28 d的抗壓強度值均得到了提升。其中摻入NS后，7 d時分別增長42%和54%；28 d時分別增長10%和20%；NS的摻入對早期強度影響較為明顯，其成核效應和火山灰反應，促使早期水泥漿體強度快速增加，提高骨料間水泥漿體料的粘結力。由圖2可知，摻入1%和2%的NS，PCPC抗壓強度均有增長，但7 d～28 d強度增長趨勢明顯放緩，說明NS的摻入在一定程度上抑制了后期強度的發展，早期占據了水泥水化所需要的大部分水量，因而部分水泥水化較慢，其強度增長較低。由圖2可知摻入NC后，在7 d以及28 d時，隨著摻量的增加，強度均有增長，其中7 d時強度分別增長了29%和39%；28 d時分別增長了3%和12%，而摻入3%的NS由柱形圖可知7 d～28 d間增長趨勢明顯放緩，僅增長了1 MPa。 NS與NC對于強度的增長有著相似性，早期對強度影響較為明顯，但7 d～28 d強度增長均不明顯。摻入硅灰后，強度同摻入納米材料影響一樣均有助于各齡期強度增長，其中7 d時，隨著硅灰摻入強度分別增長了26%，55%;28 d時強度分別增長了7%和20%。同樣也是早期強度增長較快，但7 d和28 d強度增長幅度較小。

由圖2可知在復摻體系下，兩種因素對抗壓強度影響趨勢相同，且極差相差不大，為了進一步探究對抗壓強度具有顯著性影響的因素水平，對試驗數據進行方差分析，通過顯著性指標判斷納米材料、硅灰以及二者的交互作用在不同摻量下是否對抗壓強度具有顯著性影響。將試驗數據輸入SPSS，根據目錄中單因素方差分析，對數據的顯著性進行檢驗，并通過事后分析考察兩兩水平間的差異性。計算后方差分析結果可知全因子模型分析中，納米材料、硅灰以及二者之間的交互作用sig均為0，說明納米材料與硅灰均會對PCPC的抗壓強度有顯著影響，通過比較F值可知，其中納米材料與硅灰的交互作用以及納米材料摻量相比于硅灰摻量對PCPC抗壓強度值有更顯著影響。

3 結論

1)納米材料和硅灰均有助于透水混凝土抗壓強度及劈裂抗拉強度增加。

2)在試驗設計水平下，當復摻入1%納米二氧化硅、1%納米碳酸鈣以及4%硅灰時，透水混凝土取得最高抗壓強度值。