硅粉透水混凝土的強度和抗凍性能研究

丁 琳，郭潤麒

(黑龍江大學 建筑工程學院，哈爾濱 150080)

0 引 言

隨著我國城市“熱島效應”[1-3]愈發(fā)嚴重，洪澇災害頻繁發(fā)生。像透水混凝土這樣可以緩解城市內(nèi)澇、加強地面與空氣之間水分和熱量交換的新型環(huán)保綠色路面材料，也越來越多地出現(xiàn)在人們視野當中。并隨著國家“海綿城市”的推進，透水混凝土在城市建設中的應用越來越廣泛[4-7]。

目前，透水混凝土在華北、東北地區(qū)應用還較少，其中凍融破壞的問題一直困擾著其推廣和使用。研究發(fā)現(xiàn)，一定量的硅粉可以提高混凝土的強度[8-10]和抗凍性能[11-12]。但混凝土中硅粉摻量也不能過多，若加入過量的硅粉不僅會降低混凝土的強度[13]，對其抗凍性能也有較大的影響[14-15]。如果硅粉能夠提升透水混凝土強度和抗凍性能，則可以在寒區(qū)工程中更多地去使用透水混凝土。本文將硅粉加入到透水混凝土中,對透水混凝土進行強度試驗和凍融循環(huán)試驗，探究硅粉對透水混凝土的強度和抗凍性的影響。

1 試驗概況

1.1 原材料及配合比

水泥：天鵝牌P·O42.5復合硅酸鹽水泥。

集料：哈爾濱當?shù)厣a(chǎn)的5～10 mm碎石，測得其表觀密度為2 720 kg/m3。

硅粉：超晶牌硅微粉，表面積為1.8×105g/cm2。

水：哈爾濱市自來水廠生產(chǎn)的自來水。

混凝土的配合比見表1。

表1 透水混凝土配合比

1.2 試件制備

根據(jù)試驗配合比，使用強制混凝土攪拌機進行試驗。先將集料和30%的水倒入攪拌機攪拌90 s，使集料充分潤濕；再加入硅粉、水泥和剩余70%的水攪拌90 s后進行裝模成型；裝模采用人工振搗和機械振搗相結合，將混凝土分3次加入到模具中，每次加入使用振搗棒振搗15次，然后將模具放在振動臺震動15 s。震動結束后，用塑料薄膜將試件覆蓋，降低透水混凝土試件水分散失，24 h后對試件進行脫模并將試件放入標準養(yǎng)護室里進行養(yǎng)護；在試件養(yǎng)護24 d后，將其放入(20±2)℃水中繼續(xù)浸泡4 d，待浸泡結束將試件取出進行試驗。

1.3 試驗方法

試驗包括抗壓強度試驗和凍融循環(huán)試驗。抗壓強度試驗是用MTS電液伺服萬能液壓試驗機，以0.002 mm/s的恒定速率對100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試件進行加載，直至試件破壞，取其峰值強度。凍融循環(huán)試驗是用CDR-5型快速凍融機，參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082-2009)，將100 mm×100 mm×400 mm的混凝土試件放入快速凍融機中，將試件凍結溫度設為-20℃，試件融化溫度設為5℃，每次凍結融化時間為4h。在凍融循環(huán)次數(shù)達到25、50、75和100次時，將試件取出，使用京康科瑞非金屬超聲檢測分析儀進行超聲波檢測。每組分別測量3組試件，取其平均值。

2 實驗結果和分析

2.1 透水混凝土抗壓強度

從圖1可以看出，透水混凝土7d的抗壓強度分別增加22%、32%和-1.5%，28d的抗壓強度分別增加26%、33%和11%。硅粉的摻入可以明顯提升透水混凝土7、28 d的抗壓強度，使其抗壓強度峰值達到16.6、20.2 MPa。通過試件7、28 d的抗壓強度變化，說明摻硅粉可以有效提升透水混凝土強度，但最佳摻量為10%。

圖1 混凝土抗壓強度與硅粉摻量的關系

分析該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，水泥在水化反應過程中，會在混凝土內(nèi)部生成Ca(OH)2，而硅粉的化學成分中含有活性SiO2和Al2O3；隨著硅粉的加入，硅粉中的SiO2和Al2O3會與混凝土中的Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣[16-17]，不僅填充膠凝材料的孔隙，減少了混凝土的孔隙率，還可以降低結晶粗大的氫氧化鈣晶體，提高混凝土的強度。但是隨著硅粉摻量的增加，硅粉顆粒會包裹水泥顆粒，使水泥的水化反應不充分，抑制了Ca(OH)2的生成，減少了二次水化反應。同時，也會阻礙膠凝材料和骨料之間的黏接，降低混凝土的強度。

2.2 硅粉對質(zhì)量損失率的影響

由圖2可以看出，未摻硅粉的試件在凍融循環(huán)開始后質(zhì)量損失率開始上升，質(zhì)量損失率為2.2%、3.2%、5.5%和7.6%。加入硅粉的試件在凍融循環(huán)達到25次時，則出現(xiàn)了質(zhì)量增加的現(xiàn)象，硅粉摻量為5%、10%和15%的透水混凝土質(zhì)量損失率分別為-0.12%、-0.5%和-0.18%。

圖2 透水混凝土質(zhì)量損失率和凍融循環(huán)次數(shù)的關系

凍融循環(huán)次數(shù)達到25次，未加入硅粉的透水混凝土中缺乏二次水化反應，混凝土中充斥著大量的氫氧化鈣晶體，氫氧化鈣晶體結晶粗大、穩(wěn)定性差、強度低，且結晶粗大的氫氧化鈣不能有效填補混凝土內(nèi)部孔隙。而凍融循環(huán)破壞會在凍漲破壞下加劇膠凝材料內(nèi)部形成細小通道，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，透水混凝土試件表面開始出現(xiàn)輕微脫落，當脫落量大于吸水量，透水混凝土試件質(zhì)量下降。與之相比，加入硅粉的透水混凝土內(nèi)部發(fā)生二次水化反應，減少了氫氧化鈣晶體數(shù)量，生成了可以有效填補透水混凝土內(nèi)部孔隙的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，減少毛細孔數(shù)量，透水混凝土的表面脫落量小于吸水量，使得試件質(zhì)量不減反增。當透水混凝土凍融循環(huán)次數(shù)超過25次時，試件吸水量達到飽和，但是凍融循環(huán)破壞加劇，脫落量增加，質(zhì)量損失率隨之變大。

2.3 硅粉對相對動彈性模量的影響

由圖3可以看出，未摻硅粉的透水混凝土相對動彈性模量在凍融循環(huán)的過程中一直小于摻入硅粉的透水混凝土，在凍融循環(huán)100次后，其相對動彈性模量小于凍融循環(huán)破壞要求的60%，達到破壞要求。而摻入硅粉的透水混凝土在凍融循環(huán)過程中，均未達到破壞標準。

圖3 透水混凝土相對動彈性模量和凍融循環(huán)次數(shù)的關系

凍融循環(huán)在0～50次這一階段，未摻硅粉的透水混凝土相對動彈性模量降低至78.5%。此時，其質(zhì)量損失率也較大，表面縫隙增多，脫落量增大，但是由于內(nèi)部產(chǎn)生孔隙較少，透水混凝土相對動彈性模量下降趨勢稍緩。凍融循環(huán)在50～100次這一階段，未摻硅粉的透水混凝土達到破壞標準；隨著凍融循環(huán)繼續(xù)進行，透水混凝土內(nèi)部損傷增多，裂縫數(shù)量加多，密實度下降，透水混凝土相對動彈性模量急劇下降。與之相比，摻入硅粉的透水混凝土相對動彈性模量下降趨勢較緩。由于透水混凝土中二次水化反應的生成物與骨料形成膠凝物質(zhì)，透水混凝土內(nèi)部結構更加密實，降低孔隙率，使透水混凝土相對動彈性模量提高。

3 結 論

1) 硅粉摻入量過大，不僅不能提高透水混凝7 d的抗壓強度，還會使透水混凝土7 d抗壓強度降低。硅粉的摻入對透水混凝土后期強度改善明顯，并能提升其28 d抗壓強度。當硅粉摻量為10%時，摻量最優(yōu)。

2) 在凍融循環(huán)的過程中，質(zhì)量損失率更能反映透水混凝土的外觀損傷，相對動彈性模量則更能反映透水混凝土的內(nèi)部損傷。

3) 適量的硅粉可以有效提高透水混凝土抗凍性能。與其它試件相比，10%摻量的透水混凝土抵抗凍融破壞的能力更強，損壞程度較輕。