基于不同掺和料的透水混凝土强度性能试验研究

2021-08-13杨建永张裕显

科技和产业 2021年7期

刘建，杨建永，张裕显，王婕

（江西理工大学土木与测绘工程学院，江西赣州 341000）

中国南方大部分地区以热带亚热带季风气候为主，夏季时具有高温多雨、降水量大、雨季时间长等气候特征。而目前城市道路路面主要是普通混凝土或沥青混凝土。随着城镇化进程的快速发展，许多自然透水的路面变成了不透水的硬化路面，大量的城市内涝，行车噪声和热岛现象正在日益影响人们的正常生活。在海绵城市建设的大背景下，诞生了具有一定力学强度且透水性高的透水混凝土。透水混凝土优点虽多，但本身缺点亦不少，由于透水混凝土内部空隙多，导致其强度底、透水性不佳等问题出现。近年来，纳米SiO2逐渐在多个领域获得应用［1］，纳米SiO2不仅能将水泥空隙填满，还能够促进水泥水化作用并与氢氧化钙反应形成类C-S-H 凝胶状物质，使水泥浆体更加致密，以提高其在实际应用中的强度［2-5］。目前，矿物掺和料应用在透水混凝土中的研究还比较少，如能从宏观和微观视角深入研究粉煤灰、硅灰和纳米SiO2部分取代水泥对透水混凝土力学性能的影响，可为以后相关研究提供参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：采用江西锦溪塑料制品有限公司生产的P·O42.5 水泥；粗骨料：使用本地产5～10 mm 碎石，其表观密度为2 718 kg/m3，堆积密度为1 483 kg/m3；掺和料：细度模数为45 μm 的Ⅱ级粉煤灰；硅灰平均粒径0.1～0.3 μm；纳米SiO2采用泰鹏金属材料有限公司生产的产品，性能参数见表1；外加剂：FDN-C 萘系高效减水剂；水：普通自然水。

表1 纳米SiO2性能参数

1.2 试验方法

1.2.1 透水混凝土的抗压强度和抗折强度试验

按《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）进行；透水混凝土配合比设计参照规范《透水水泥混凝土路面技术规程》（CJJ/T135—2009）；扫描电镜：美国FEI 公司生产的MLA650F型扫描电子显微镜。

1.2.2 透水系数的测定

参照规范《透水水泥混凝土路面技术规程》（CJJ/T 135—2009），透水系数的计算公式为

式中：k为试样的透水系数，mm/s；Q为时间t内渗出的水量，mL；A为试块的透水面面积，mm2；t为时间，s。

1.2.3 有效孔隙率测试

孔隙率测试公式为

式中：P为孔隙率；m1为试块在水中的质量，g；m2为试块在烘箱中烘24 h 后的质量，g；V为试块的体积，m3。

养护28 d 后的透水混凝土试件如图1 所示；透水混凝土的抗折试验如图2 所示。

图1 养护28 d 后的透水混凝土试件

图2 透水混凝土的抗折试验

1.3 试验配合比

透水混凝土的配合比见表2。

表2 试验配合比及结果

2 结果与分析

2.1 单掺粉煤灰对透水混凝土力学性能的影响

在保持设计孔隙率、水胶比、骨料和减水剂用量都不变的条件下，分析不同掺量（10%、20%、30%）粉煤灰对透水混凝土抗压强度和抗折强度的影响。由表2 和图3 可知，随着粉煤灰的掺入，透水混凝土透水系数先升高后呈现略下降趋势，但变化并不大。掺粉煤灰的透水混凝土28 d 抗压、抗折强度均比基准对照组高，且当粉煤灰掺量为20%时强度最高，其抗压强度和抗折强度分别达到29.6 MPa 和4.6 MPa；这说明在不影响渗透系数前提下，适量掺入粉煤灰可以在一定程度上改善提高透水混凝土的力学性能。

图3 粉煤灰掺量对透水混凝土的影响

2.2 单掺硅灰对透水混凝土力学性能的影响

在保持设计孔隙率、水胶比、骨料和减水剂用量都不变的条件下，分析了不同掺量（2%、5%、8%）硅灰对透水混凝土抗压强度和抗折强度的影响。由表2 和图4 可知，掺入硅灰后，透水混凝土的透水系数先下降后上升且与孔隙率有很好的相关性，满足应用要求；随着硅灰掺量在2%～8%的范围内逐渐增加，透水混凝土的抗压强度先增大后减小，28 d 抗折强度一直增大，总体上抗压、抗折强度均高于基准组混凝土，其中5%时抗压强度达到最大值27.8 MPa，硅粉的比表面积很大，是一种火山灰效应极强的添加剂，当硅粉和混凝土搅拌时，它可以与水泥的水化产物Ca（OH）2发生二次水化反应［6］，反应形成的胶凝产物填充了水泥石结构，可以很好地改善浆体与骨料的界面过渡区结构。

图4 硅灰掺量对透水混凝土的影响

2.3 单掺纳米SiO2对透水混凝土力学性能的影响

在保持设计孔隙率、水胶比、骨料和减水剂用量都不变的条件下，分析了不同掺量（0.5%、1%、2%）纳米SiO2对透水混凝土抗压强度和抗折强度的影响。由表2 和图5 可知，纳米SiO2能小幅度提高透水混凝土的连通孔隙率和透水系数，推测的原因可能是纳米SiO2对浆体包裹性的改善，促进了浆体在透水混凝土竖直方向的均匀分布［7］。纳米SiO2的掺量在0.5%～2% 的范围内，透水混凝土28 d 抗压、抗折强度均高于基准对照组，且随着掺量的增加抗压强度和抗折强度先增大后减小。当纳米SiO2掺量为1%时抗压强度可以达到最大值31.7 MPa；抗折强度也达到最大值5.0 MPa。

图5 纳米SiO2掺量对透水混凝土的影响

2.4 复掺掺和料对透水混凝土力学性能的影响

在保持设计孔隙率、水胶比、骨料和减水剂用量都不变的条件下，取两组粉煤灰、硅灰和纳米SiO2复掺的透水混凝土进行28 d 抗压和抗折强度试验，试验结果从表2 中可以得到，复掺组的抗压、抗折强度都较基准组有了很大提高并且渗透系数和孔隙率略微偏大，说明在透水混凝土中复掺一定比例的矿物掺和料替代水泥是可行的，其中10%的粉煤灰、8%的硅灰和2%的纳米SiO2取代水泥复掺后效果最好，抗压强度能达到30.1 MPa、抗折强度达到4.8 MPa。

2.5 微观机理分析

从表2 试验结果分析可以得出，3 种矿物掺和料对透水混凝土的28 d 抗压强度和抗折强度贡献程度为纳米SiO2＞粉煤灰＞硅灰。主要因为这3 种掺和料的微观形貌、火山灰活性及细度不一致，这就导致宏观力学性能有所差异。对比图6 和图7 可以观察到，基准组透水混凝土水化程度较低，内部结构孔隙大且中间存在微米级缝隙，还可以看到对强度不利的较大的Ca（OH）2晶体和较多的钙矾石晶体结构；单掺1%纳米SiO2后Ca（OH）2大晶体的数量减少，大孔隙较少，孔径基本都很小，这是因为纳米SiO2是由纳米级颗粒组成，纳米SiO2的成核作用及火山灰活性，能够促进水泥水化并与Ca（OH）2反应生成类C-S-H 凝胶物质，提高透水混凝土的密实度，使水泥浆体进一步密实［8］，所以其宏观力学强度会最高。

图6 基准组28 d 试块SEM 图

图7 掺1%纳米SiO228 d 试块SEM 图

从图8 和图9 中可以观察到，在10%粉煤灰掺量的透水混凝土中空间结构较疏松，孔隙也较大，晶粒周围有少量絮状凝胶产物，这主要因为粒径小的粉煤灰表面的活性硅与水泥水化产物Ca（OH）2早期反应时，单掺粉煤灰混凝土中粉煤灰活性并未完全激发［9］，生成的凝胶产物量也较少，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，水泥水化产生的大量Ca（OH）2都被消耗掉，基本找不到Ca（OH）2晶体，整体结构较致密。这种细微结构上的差异导致了单掺粉煤灰的28 d 力学强度要高于单掺硅灰；单掺5%硅灰后胶结层结构变得比较密实，孔洞减少，Ca（OH）2大晶体的数量也减少很多，这是因为硅粉的火山灰活性很高，它不仅能在早期阶段促进硅酸三钙（3Ca O·Si O2）水化，而且还能吸收水泥水化产物Ca（OH）2，同时产生了许多C-S-H 凝胶，持续填充钙钒石晶体间的微观孔隙，提高材料的微观结构的致密性，提高了界面过渡区的黏结力，并改善了宏观性能［10-12］。

图8 掺10%粉煤灰28 d 试块SEM 图

图9 掺5%硅灰28 d 试块SEM 图

试验结果显示，三者复掺的试块28 d 力学强度均高于三者单掺时的力学强度。从图10 中看出，复掺10%粉煤灰、8%硅灰、2%纳米SiO2时透水混凝土孔结构较均匀，大的孔隙和裂纹较少，孔隙比单掺粉煤灰、硅灰要少很多，致密程度更高，主要是由于复合矿物掺和料存在超叠加效应，能很好地填充密实硬化浆体结构，该结果与高英力等［13］研究的纳米SiO2、硅灰与粉煤灰形成的三元多尺度堆积体系能优化粉体材料在混凝土中的微集料密实填充效应结论相一致，透水混凝土的宏观力学性能得到明显改善。