硅灰透水混凝土強度性能和凍融耐久性試驗研究

葉穆平，李 威，原寶盛

(1.廣西北部灣投資集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著近年來城市內澇的頻發以及城市熱島效應的加劇，海綿城市建設逐步成為了城市發展的新方向，越來越受到人們的關注[1-3]。然而，實際工程應用表明，由于透水混凝土典型的大孔隙結構，其強度性能和抗凍耐久性遠遠低于普通混凝土，因此，改善透水混凝土強度和抗凍性成為促進透水混凝土規模化應用的關鍵[4]。

硅灰(silica fume，以下簡寫為SF)作為工業副產品，常被用來作為路面材料的添加劑，特別是在混凝土材料中，由于其含量豐富的SiO2和較大的比表面積，對改善混凝土微觀孔隙結構、提高混凝土宏觀性能具有重要影響[5]。關于SF在普通混凝土中的應用，國內外學者開展了大量研究[6-9]。結果表明，SF可以顯著提高混凝土的強度、改善其抗凍性，但是由于需水量的增加，制備SF改性混凝土時一般都會使用減水劑，導致其收縮性升高、抗裂性下降[10-13]。

然而，SF作為改性材料在透水混凝土中應用方面的研究相對較少，透水混凝土本身的強度較低，耐久性較差，基于SF在普通混凝土改性方面的優勢，本文將SF作為改性劑，開展SF改性透水混凝土基本力學性能試驗和凍融循環試驗，研究了SF摻量對透水混凝土透水率、抗壓強度、彎拉強度和抗凍性的影響，以期制備具有較高力學性能和耐久性的透水混凝土，本文研究成果對改善透水混凝土性能、促進透水混凝土應用具有一定的理論意義和工程價值。

1 試驗配合比及測試方法

1.1 試驗材料

粗骨料采用5～10 mm天然骨料，水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥，所用SF粒徑為100～300 nm，密度為2 231 kg/m3，試驗用水為自來水，各原材料性能指標如表1～4所示。

表1 粗骨料性能表

表2 水泥性能表

表3 硅灰性能表

表4 水泥及硅灰化學組成表

1.2 配合比設計

按照《透水混凝土路面技術規程》(CJJ/T135-2009)中的配合比設計方法進行SF改性透水混凝土設計，其中取水膠比為0.35，設計孔隙率為20%。SF采用等體積替代水泥，摻量分別為2%、4%、6%、8%、10%。配合比如表5所示。表中PC2表示SF摻量為2%，其他含義相同。

表5 透水混凝土配合比設計表(kg/m3)

1.3 試件制備及試驗方法

采用文獻[14]中的方法進行試件制備，其中SF和水泥一起加入并充分攪拌，在實驗室成型兩種試件，邊長為10 cm的立方體試件和10 cm10 cm40 cm的長方體試件。立方體試件用于透水混凝土的抗壓強度試驗、透水性試驗和凍融試驗，長方體試件用于透水混凝土彎拉強度試驗。所有試驗均在標準養護28 d后開展。透水性能采用透水率表征，透水率通過常水頭透水儀測定，抗壓強度和彎拉強度按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2019)進行，凍融循環試驗按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082-2009)進行，凍融次數設定為20、40、60。

2 試驗結果分析

2.1 透水率

各組試件的透水率實驗結果如表6所示，透水率隨SF摻量的變化如圖1所示。從試驗結果可以看出，透水率總體上不隨SF摻量的增加發生變化，說明SF的加入對透水性能沒有影響，這主要是因為SF采用等體積法替代透水混凝土中的水泥，并未對透水混凝土的孔隙率造成影響，因而其透水性能不會改變。

表6 透水率試驗結果表(cm/s)

圖1 透水率隨SF摻量的變化曲線圖

2.2 抗壓強度

各組試件的抗壓強度試驗結果如下頁表7所示，抗壓強度隨SF摻量的變化如下頁圖2所示。從試驗結果可以看出，抗壓強度隨著SF摻量的增加而不斷增加，當SF摻量從2%增加到10%時，抗壓強度提高3.5%～21.1%，說明SF的加入有利于提高抗壓強度。同時PC10和PC8的抗壓強度基本相同，說明SF的最佳摻量范圍為8%～10%。SF對透水混凝土抗壓強度的改善主要是因為SF含有豐富的SiO2，與水泥水化產物能夠發生反應，其產物可以提高膠凝材料的強度，另外，SF可以改善混凝土的微觀孔隙結構，進而提高其強度。

表7 抗壓強度試驗結果表(MPa)

圖2 抗壓強度隨SF摻量的變化曲線圖

2.3 彎拉強度

各組試件的彎拉強度試驗結果如表8所示，彎拉強度隨SF摻量的變化如圖3所示。可以看出，隨著SF摻量的增加，透水混凝土彎拉強度逐漸提高，當SF摻量從2%增加到10%時，彎拉強度從3.93 MPa增加到4.46 MPa，彎拉強度提高13.5%，隨摻量的增加，彎拉強度增速逐漸放緩。

表8 彎拉強度試驗結果表(MPa)

圖3 彎拉強度隨SF摻量的變化曲線圖

2.4 抗凍性

各組試件的抗凍性試驗結果如表9所示，抗壓強度損失率隨SF摻量和凍融循環次數的變化如圖4和圖5所示。由圖4可以看出，不同凍融循環次數下，隨著SF摻量的增加，透水混凝土抗壓強度損失率逐漸降低，表明SF改善了透水混凝土的抗凍性。由圖5可以看出，不同SF摻量下，隨著凍融循環次數的增加，透水混凝土抗壓強度損失率逐漸升高，表明隨著凍融次數的增加，透水混凝土的抗凍性逐漸降低。當SF摻量從0%增加到10%時，凍融后強度損失率分別下降69%、58%和42%。

表9 凍融試驗結果表

圖4 不同SF摻量下抗壓強度損失率圖

圖5 不同凍融循環次數下抗壓強度損失率圖

3 結語

(1)采用等體積法制備的SF透水混凝土，其透水性能基本不受SF摻量的影響。

(2)透水混凝土的抗壓強度和彎拉強度隨SF摻量的增加而逐漸提高，8%和10%摻量時，抗壓強度和彎拉強度分別提高21.1%和13.5%，表明SF有利于提高透水混凝土的強度特性。

(3)當SF摻量為10%時，不同凍融次數下抗壓強度損失率分別下降近40%～70%，表明SF對改善透水混凝土的抗凍性具有顯著效果。