掺纳米材料透水混凝土强度试验研究

徐子强 毛耐民 史明辉 吕 龙

(云南大学建筑与规划学院，云南 昆明 650500)

0 引言

随着我国城镇化建设进入高速发展时期，城市路面、空间已逐渐被混凝土等不透水材料所覆盖，建筑密度也越来越大[1]。有资料表明，我国城市不透水道路的覆盖率已达7%～15%，特大城市可能超过20%。因此，这一系列现状导致了“热岛效应”“城市内涝”等城市通病的加剧。为解决这一问题，国内从20世纪90年代对透水性混凝土进行了研究，并将其应用到海绵城市的建设中。透水混凝土由于具有透水、透气、密度小等特点，而对于缓解城市内涝、降低噪声、加强水资源循环利用等有显著作用[2]。但透水混凝土同时存在强度低、易塌陷等缺陷[3]，严重限制了透水混凝土在“海绵城市”建设中的应用和推广。因此，对透水混凝土强度发展规律、破坏机理进行试验研究对改善其强度性能有着重要意义。

本试验以“海绵城市”建设中常用的普通透水混凝土为研究对象，掺入纳米二氧化硅、纳米碳酸钙以及硅灰微粉对水泥浆体进行改性，分别配制普通透水混凝土纳米二氧化硅、单掺纳米碳酸钙以单掺硅灰微粉透水混凝土各2组和9组复掺透水混凝土，其中单掺组包括7 d，28 d，56 d三个龄期，复掺组重点研究其28 d抗压强度，并根据数据以及破坏形态进一步分析PCPC强度改善机理，为透水混凝土的应用和配制提供理论参考。

1 试验

1.1 原材料

1)水泥。

本次试验所用水泥南省红狮公司生产的水泥，水泥型号为P.O42.5R，3 d抗折和抗压强度分别为4.8 MPa,7 MPa，28 d的抗折和抗压强度分别为22.1 MPa,43.2 MPa，均符合GB 175—2007通用硅酸盐水泥的要求，其他主要性能指标见表1。

表1 本试验研究所用水泥性能

2)骨料。

石场生产的碎石，粗骨料从碎石场运送到实验室后，因为泥沙含量较高，通过高压水枪对粗骨料进行了冲洗，并放置于实验室外进行晾晒。对碎石骨料进行筛分，筛分出粒径为5 m～10 m的骨料，堆积密度为1 670 kg/m3，表观密度为2 700 kg/m3。

3)硅灰。

通过动态光散射得到其平均直径在0.5 μm，参数见表2。

表2 硅灰材料参数

4)纳米材料。

选用的纳米材料均为缘江牌，材料参数均由厂家提供，见表3,表4。

表3 纳米二氧化硅材料参数

表4 纳米碳酸钙材料参数

5)减水剂。

减水剂采用山西秦奋公司生产的均衡型聚羧酸系高性能减水剂，建议用量为0.2%～0.5%。

1.2 试件制备及养护

采用水泥裹浆法是预先将骨料投入搅拌机中，并加以部分水进行搅拌，对粗骨料预湿，然后加入部分水泥继续搅拌，形成第一层薄浆，最后再将剩余的水和胶凝材料均匀倒入骨料表面搅拌至拌合物表面光亮。在制备中需事先将纳米CaCO3与纳米SiO2进行超声分散。之后将减水剂倒入水中进行搅拌，随后加入进行超声分散过的纳米CaCO3与纳米SiO2继续搅拌5 min。待水溶液稳定后，将水与纳米材料分批次倒入水泥浆体和骨料拌合物中，继续搅拌5 min后出料。

将拌合好的透水混凝土制作成150 mm×150 mm×150 mm混凝土试块，试件成型1 d后进行拆模并放入湿气养护室进行标准养护，温度控制在(20±1)℃，湿度在95%以上。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

在进行透水混凝土试块抗压强度试验时，加载速率为0.05 MPa/s，当压力机停止加载，读数恒定时记录压力值，每组3块，取其平均值，试验结果见表5。

表5 单掺组立方体抗压强度试验结果

表6 复掺组28 d抗压强度试验结果

由表6可知，当掺入4%硅灰时，随着纳米材料掺量的增加PCPC抗压强度先增大后减小；当掺入6%硅灰时，随着纳米材料的增加，PCPC抗压强度先略微减小，后大幅度降低；当掺入8%硅灰时，随着纳米材料掺量的增强呈现较大幅度的降低趋势。说明在低硅灰掺量时，纳米材料的增加，有助于协同硅灰填充水泥浆体孔隙，改善过渡区结构，增强PCPC抗压，但高硅灰掺量下，纳米材料反而会阻碍强度发展，纳米材料和硅灰相比水泥粒径更小，具有更高的活性，结合净浆粘度测试可以发现单掺时均会导致表观粘度上升，因而复掺时表观粘度将继续增大，在振捣成型下难以紧密堆积，整体松散。结合孔隙率分析可知随着纳米材料和硅灰掺量增加，E7组～E9组孔隙率增加，可以证实其表观粘度对PCPC成型密实度的影响，并随着孔隙率的增加，其抗压强度降低。

2.2 试验结果分析

为方便分析，将表5和表6试验结果分别制成条形图(如图1所示)关于抗压强度—复合掺料掺合比例的曲线图(见图2)。

由图1可知掺入纳米二氧化硅后透水混凝土7 d，28 d的抗压强度值均得到了提升。其中掺入NS后，7 d时分别增长42%和54%；28 d时分别增长10%和20%；NS的掺入对早期强度影响较为明显，其成核效应和火山灰反应，促使早期水泥浆体强度快速增加，提高骨料间水泥浆体料的粘结力。由图2可知，掺入1%和2%的NS，PCPC抗压强度均有增长，但7 d～28 d强度增长趋势明显放缓，说明NS的掺入在一定程度上抑制了后期强度的发展，早期占据了水泥水化所需要的大部分水量，因而部分水泥水化较慢，其强度增长较低。由图2可知掺入NC后，在7 d以及28 d时，随着掺量的增加，强度均有增长，其中7 d时强度分别增长了29%和39%；28 d时分别增长了3%和12%，而掺入3%的NS由柱形图可知7 d～28 d间增长趋势明显放缓，仅增长了1 MPa。 NS与NC对于强度的增长有着相似性，早期对强度影响较为明显，但7 d～28 d强度增长均不明显。掺入硅灰后，强度同掺入纳米材料影响一样均有助于各龄期强度增长，其中7 d时，随着硅灰掺入强度分别增长了26%，55%;28 d时强度分别增长了7%和20%。同样也是早期强度增长较快，但7 d和28 d强度增长幅度较小。

由图2可知在复掺体系下，两种因素对抗压强度影响趋势相同，且极差相差不大，为了进一步探究对抗压强度具有显著性影响的因素水平，对试验数据进行方差分析，通过显著性指标判断纳米材料、硅灰以及二者的交互作用在不同掺量下是否对抗压强度具有显著性影响。将试验数据输入SPSS，根据目录中单因素方差分析，对数据的显著性进行检验，并通过事后分析考察两两水平间的差异性。计算后方差分析结果可知全因子模型分析中，纳米材料、硅灰以及二者之间的交互作用sig均为0，说明纳米材料与硅灰均会对PCPC的抗压强度有显著影响，通过比较F值可知，其中纳米材料与硅灰的交互作用以及纳米材料掺量相比于硅灰掺量对PCPC抗压强度值有更显著影响。

3 结论

1)纳米材料和硅灰均有助于透水混凝土抗压强度及劈裂抗拉强度增加。

2)在试验设计水平下，当复掺入1%纳米二氧化硅、1%纳米碳酸钙以及4%硅灰时，透水混凝土取得最高抗压强度值。