基于不同摻和料的透水混凝土強度性能試驗研究

劉 建，楊建永，張裕顯，王 婕

（江西理工大學土木與測繪工程學院，江西贛州 341000）

中國南方大部分地區以熱帶亞熱帶季風氣候為主，夏季時具有高溫多雨、降水量大、雨季時間長等氣候特征。而目前城市道路路面主要是普通混凝土或瀝青混凝土。隨著城鎮化進程的快速發展，許多自然透水的路面變成了不透水的硬化路面，大量的城市內澇，行車噪聲和熱島現象正在日益影響人們的正常生活。在海綿城市建設的大背景下，誕生了具有一定力學強度且透水性高的透水混凝土。透水混凝土優點雖多，但本身缺點亦不少，由于透水混凝土內部空隙多，導致其強度底、透水性不佳等問題出現。近年來，納米SiO2逐漸在多個領域獲得應用［1］，納米SiO2不僅能將水泥空隙填滿，還能夠促進水泥水化作用并與氫氧化鈣反應形成類C-S-H 凝膠狀物質，使水泥漿體更加致密，以提高其在實際應用中的強度［2-5］。目前，礦物摻和料應用在透水混凝土中的研究還比較少，如能從宏觀和微觀視角深入研究粉煤灰、硅灰和納米SiO2部分取代水泥對透水混凝土力學性能的影響，可為以后相關研究提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：采用江西錦溪塑料制品有限公司生產的P·O42.5 水泥；粗骨料：使用本地產5～10 mm 碎石，其表觀密度為2 718 kg/m3，堆積密度為1 483 kg/m3；摻和料：細度模數為45 μm 的Ⅱ級粉煤灰；硅灰平均粒徑0.1～0.3 μm；納米SiO2采用泰鵬金屬材料有限公司生產的產品，性能參數見表1；外加劑：FDN-C 萘系高效減水劑；水：普通自然水。

表1 納米SiO2性能參數

1.2 試驗方法

1.2.1 透水混凝土的抗壓強度和抗折強度試驗

按《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019）進行；透水混凝土配合比設計參照規范《透水水泥混凝土路面技術規程》（CJJ/T135—2009）；掃描電鏡：美國FEI 公司生產的MLA650F型掃描電子顯微鏡。

1.2.2 透水系數的測定

參照規范《透水水泥混凝土路面技術規程》（CJJ/T 135—2009），透水系數的計算公式為

式中：k為試樣的透水系數，mm/s；Q為時間t內滲出的水量，mL；A為試塊的透水面面積，mm2；t為時間，s。

1.2.3 有效孔隙率測試

孔隙率測試公式為

式中：P為孔隙率；m1為試塊在水中的質量，g；m2為試塊在烘箱中烘24 h 后的質量，g；V為試塊的體積，m3。

養護28 d 后的透水混凝土試件如圖1 所示；透水混凝土的抗折試驗如圖2 所示。

圖1 養護28 d 后的透水混凝土試件

圖2 透水混凝土的抗折試驗

1.3 試驗配合比

透水混凝土的配合比見表2。

表2 試驗配合比及結果

2 結果與分析

2.1 單摻粉煤灰對透水混凝土力學性能的影響

在保持設計孔隙率、水膠比、骨料和減水劑用量都不變的條件下，分析不同摻量（10%、20%、30%）粉煤灰對透水混凝土抗壓強度和抗折強度的影響。由表2 和圖3 可知，隨著粉煤灰的摻入，透水混凝土透水系數先升高后呈現略下降趨勢，但變化并不大。摻粉煤灰的透水混凝土28 d 抗壓、抗折強度均比基準對照組高，且當粉煤灰摻量為20%時強度最高，其抗壓強度和抗折強度分別達到29.6 MPa 和4.6 MPa；這說明在不影響滲透系數前提下，適量摻入粉煤灰可以在一定程度上改善提高透水混凝土的力學性能。

圖3 粉煤灰摻量對透水混凝土的影響

2.2 單摻硅灰對透水混凝土力學性能的影響

在保持設計孔隙率、水膠比、骨料和減水劑用量都不變的條件下，分析了不同摻量（2%、5%、8%）硅灰對透水混凝土抗壓強度和抗折強度的影響。由表2 和圖4 可知，摻入硅灰后，透水混凝土的透水系數先下降后上升且與孔隙率有很好的相關性，滿足應用要求；隨著硅灰摻量在2%～8%的范圍內逐漸增加，透水混凝土的抗壓強度先增大后減小，28 d 抗折強度一直增大，總體上抗壓、抗折強度均高于基準組混凝土，其中5%時抗壓強度達到最大值27.8 MPa，硅粉的比表面積很大，是一種火山灰效應極強的添加劑，當硅粉和混凝土攪拌時，它可以與水泥的水化產物Ca（OH）2發生二次水化反應［6］，反應形成的膠凝產物填充了水泥石結構，可以很好地改善漿體與骨料的界面過渡區結構。

圖4 硅灰摻量對透水混凝土的影響

2.3 單摻納米SiO2對透水混凝土力學性能的影響

在保持設計孔隙率、水膠比、骨料和減水劑用量都不變的條件下，分析了不同摻量（0.5%、1%、2%）納米SiO2對透水混凝土抗壓強度和抗折強度的影響。由表2 和圖5 可知，納米SiO2能小幅度提高透水混凝土的連通孔隙率和透水系數，推測的原因可能是納米SiO2對漿體包裹性的改善，促進了漿體在透水混凝土豎直方向的均勻分布［7］。納米SiO2的摻量在0.5%～2% 的范圍內，透水混凝土28 d 抗壓、抗折強度均高于基準對照組，且隨著摻量的增加抗壓強度和抗折強度先增大后減小。當納米SiO2摻量為1%時抗壓強度可以達到最大值31.7 MPa；抗折強度也達到最大值5.0 MPa。

圖5 納米SiO2摻量對透水混凝土的影響

2.4 復摻摻和料對透水混凝土力學性能的影響

在保持設計孔隙率、水膠比、骨料和減水劑用量都不變的條件下，取兩組粉煤灰、硅灰和納米SiO2復摻的透水混凝土進行28 d 抗壓和抗折強度試驗，試驗結果從表2 中可以得到，復摻組的抗壓、抗折強度都較基準組有了很大提高并且滲透系數和孔隙率略微偏大，說明在透水混凝土中復摻一定比例的礦物摻和料替代水泥是可行的，其中10%的粉煤灰、8%的硅灰和2%的納米SiO2取代水泥復摻后效果最好，抗壓強度能達到30.1 MPa、抗折強度達到4.8 MPa。

2.5 微觀機理分析

從表2 試驗結果分析可以得出，3 種礦物摻和料對透水混凝土的28 d 抗壓強度和抗折強度貢獻程度為納米SiO2＞粉煤灰＞硅灰。主要因為這3 種摻和料的微觀形貌、火山灰活性及細度不一致，這就導致宏觀力學性能有所差異。對比圖6 和圖7 可以觀察到，基準組透水混凝土水化程度較低，內部結構孔隙大且中間存在微米級縫隙，還可以看到對強度不利的較大的Ca（OH）2晶體和較多的鈣礬石晶體結構；單摻1%納米SiO2后Ca（OH）2大晶體的數量減少，大孔隙較少，孔徑基本都很小，這是因為納米SiO2是由納米級顆粒組成，納米SiO2的成核作用及火山灰活性，能夠促進水泥水化并與Ca（OH）2反應生成類C-S-H 凝膠物質，提高透水混凝土的密實度，使水泥漿體進一步密實［8］，所以其宏觀力學強度會最高。

圖6 基準組28 d 試塊SEM 圖

圖7 摻1%納米SiO228 d 試塊SEM 圖

從圖8 和圖9 中可以觀察到，在10%粉煤灰摻量的透水混凝土中空間結構較疏松，孔隙也較大，晶粒周圍有少量絮狀凝膠產物，這主要因為粒徑小的粉煤灰表面的活性硅與水泥水化產物Ca（OH）2早期反應時，單摻粉煤灰混凝土中粉煤灰活性并未完全激發［9］，生成的凝膠產物量也較少，填充孔隙的效果受到限制，但后期粉煤灰的水化消耗大量的Ca（OH）2，水泥水化產生的大量Ca（OH）2都被消耗掉，基本找不到Ca（OH）2晶體，整體結構較致密。這種細微結構上的差異導致了單摻粉煤灰的28 d 力學強度要高于單摻硅灰；單摻5%硅灰后膠結層結構變得比較密實，孔洞減少，Ca（OH）2大晶體的數量也減少很多，這是因為硅粉的火山灰活性很高，它不僅能在早期階段促進硅酸三鈣（3Ca O·Si O2）水化，而且還能吸收水泥水化產物Ca（OH）2，同時產生了許多C-S-H 凝膠，持續填充鈣釩石晶體間的微觀孔隙，提高材料的微觀結構的致密性，提高了界面過渡區的黏結力，并改善了宏觀性能［10-12］。

圖8 摻10%粉煤灰28 d 試塊SEM 圖

圖9 摻5%硅灰28 d 試塊SEM 圖

試驗結果顯示，三者復摻的試塊28 d 力學強度均高于三者單摻時的力學強度。從圖10 中看出，復摻10%粉煤灰、8%硅灰、2%納米SiO2時透水混凝土孔結構較均勻，大的孔隙和裂紋較少，孔隙比單摻粉煤灰、硅灰要少很多，致密程度更高，主要是由于復合礦物摻和料存在超疊加效應，能很好地填充密實硬化漿體結構，該結果與高英力等［13］研究的納米SiO2、硅灰與粉煤灰形成的三元多尺度堆積體系能優化粉體材料在混凝土中的微集料密實填充效應結論相一致，透水混凝土的宏觀力學性能得到明顯改善。

圖10 摻10%粉煤灰+8%硅灰+2%納米SiO228 d 試塊SEM 圖

3 結論

1）在不影響透水混凝土滲透系數的前提下，3 種礦物摻合料對透水混凝土的28 d 抗壓強度和抗折強度貢獻程度為納米SiO2＞粉煤灰＞硅灰。

2）復摻粉煤灰（10%）、硅灰（8%）和納米SiO2（2%）的28 d 力學強度均高于3 種礦物摻和料單摻時的力學強度，且其滲透系數和孔隙率較基準組有略微提高。

2）通過對比透水混凝土樣品的SEM 圖可以得出，Ca（OH）2大晶體數量少、水化產物結構密實、孔隙較小的微觀結構有利于增強透水混凝土的28 d 的力學強度，復摻粉煤灰、硅灰與納米SiO2存在超疊加效應，能很好地填充密實硬化漿體結構，明顯改善透水混凝土的力學性能。