硅粉對(duì)透水混凝土性能影響的試驗(yàn)研究

袁方正,李治斌,張淼鑫,陳克政

0 引 言

隨著我國城市化建設(shè)的推進(jìn)，城市地面硬化率也隨之急劇增大。近年來，越來越多的城市在暴雨來臨后雨水不能及時(shí)排空，從而引發(fā)城市內(nèi)澇[1]，出現(xiàn)“城市看?！钡默F(xiàn)象。為了解決這個(gè)問題，國務(wù)院近期印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見》，提出綜合治理辦法，采取了諸如“滲、滯、蓄、凈、用、排”等措施，盡最大限度緩解城市化建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。

透水混凝土是一種新型環(huán)保的綠色路面材料，憑借其多孔、透氣、透水等特性，對(duì)保護(hù)地下水、緩解城市內(nèi)澇以及降聲處噪有顯著作用。歐美等國家為了解決城市路面的缺陷，相繼開發(fā)了透水混凝土。和普通混凝土路面相比[2-5]，透水混凝土路面可以有效解決城市內(nèi)澇問題，同時(shí)也可以較好保護(hù)地下水和生態(tài)平衡，緩解城市熱島效應(yīng)，具有較好的環(huán)境效益和社會(huì)效益[6-7]。硅粉作為摻合料在透水混凝土的領(lǐng)域中得到較好應(yīng)用[8-11]?；炷恋耐杆耘c其強(qiáng)度成反比，如何既有良好的透水性同時(shí)具有較高的強(qiáng)度是目前研究的熱點(diǎn)[12-14]。本次試驗(yàn)?zāi)康氖茄芯抗璺蹖?duì)透水混凝土物理性能和力學(xué)性能的影響，探究硅粉透水混凝土強(qiáng)度的形成機(jī)理，為后續(xù)透水混凝土的進(jìn)一步應(yīng)用提供研究基礎(chǔ)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

1) 水泥：采用天鵝牌P·O42.5復(fù)合硅酸鹽水泥，安定性合格。

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

3) 硅粉：超晶牌硅微粉，SiO2含量97.18%，表面積為1.8×105 cm2/g。

4) 水：自來水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)的孔隙率設(shè)為20%，水膠比設(shè)為0.3。本次試驗(yàn)主要研究硅粉對(duì)透水混凝土物理性能和力學(xué)性能的影響。本實(shí)驗(yàn)采用等質(zhì)量替代，即硅粉等質(zhì)量替代水泥?；炷恋呐浜媳纫姳?。

表1 透水混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方法

抗壓試驗(yàn)按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2019)進(jìn)行，試件為100 mm×100 mm×100 mm立方體，每組3個(gè)試件共10組，試件分別在標(biāo)準(zhǔn)室養(yǎng)護(hù)7 d、28 d后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，儀器采用MTS型壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。有效孔隙率的測定方法采用排水體積法進(jìn)行。透水系數(shù)測定方法則采用常水頭法測試，儀器由研究團(tuán)隊(duì)制作，見圖1。

圖1 自制儀器

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 硅粉摻量對(duì)透水混凝土有效孔隙率的影響

由圖2可見，透水混凝土的有效孔隙率隨著硅粉摻量的增加從19.11%增大至21.56%，之后再減小至20.31%。硅粉摻量為0%時(shí)，透水混凝土的有效孔隙率最小為19.11%；而當(dāng)硅粉摻量為10%時(shí)，透水混凝土的有效孔隙率最大為21.56%，與硅粉摻量為0%的透水混凝土相比，有效孔隙率增大11.36%。

圖2 硅粉摻量對(duì)透水混凝土有效孔隙率的影響

因?yàn)楣璺壑泻写罅壳蛐晤w粒SiO2，它們表面光滑、無棱角、性能穩(wěn)定，在混凝土中產(chǎn)生了“形態(tài)效應(yīng)”，使它們能夠在混凝土中起潤滑作用，減少混凝土拌和物之間的摩擦阻力，顯著改善混凝土拌和料的和易性，并且隨著硅粉摻量的增加透水混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)得到了調(diào)整，使其孔隙率增加。但是當(dāng)硅粉摻量過大時(shí)，透水混凝土拌和物的和易性逐漸降低，拌和物中開始出現(xiàn)“團(tuán)聚”現(xiàn)象，從而導(dǎo)致透水混凝土有效孔隙率降低。

2.2 硅粉摻量對(duì)透水混凝土透水系數(shù)的影響

由圖3可見，透水混凝土的透水系數(shù)隨著硅粉摻量的增加從2.33 mm/s增大至3.02 mm/s，之后再減小至2.45 mm/s。硅粉摻量為0%時(shí)，透水混凝土的透水系數(shù)最小為2.33 mm/s；而當(dāng)硅粉摻量為10%時(shí)，透水混凝土的透水系數(shù)最大為3.02 mm/s，與硅粉摻量為0%的透水混凝土相比，透水系數(shù)增大22.84%。

圖3 硅粉摻量對(duì)透水混凝土透水系數(shù)的影響

查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，透水系數(shù)與有效孔隙率有良好的相關(guān)性。因此，透水混凝土的透水系數(shù)變化和其有效孔隙率的變化保持一致。

2.3 硅粉摻量對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖4可見，透水混凝土7 d的抗壓強(qiáng)度隨著硅粉摻量的增加從13.5 MPa增大至16.6 MPa，之后再減小至12.6 MPa。28 d抗壓強(qiáng)度從15.2 MPa增大至20.2 MPa，之后再減小至16.8 MPa。硅粉摻量為0%時(shí)，透水混凝土的7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度都是最小，分別為13.5和15.2 MPa；而當(dāng)硅粉摻量為10%時(shí)，透水混凝土的7 d、28 d抗壓強(qiáng)度都是最大，分別為15.2和20.2 MPa，與硅粉摻量為0%的透水混凝土相比，抗壓強(qiáng)度分別增大了18.6%和24.7%。

圖4 硅粉摻量對(duì)透水混凝土7 d、28 d抗壓強(qiáng)度的影響

得到以上結(jié)果是因?yàn)楣璺壑泻写罅康那蛐晤w粒SiO2，其粒徑比水泥顆粒小很多，摻入到水泥混凝土中，能夠填充水泥顆粒的堆積孔隙，可以使透水混凝土試件結(jié)構(gòu)更加緊密，使得透水混凝土試件強(qiáng)度提高。同時(shí)，硅粉中含有的SiO2其活性極強(qiáng)，會(huì)在試件養(yǎng)護(hù)過程中與水泥水化反應(yīng)生成的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)生成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的C-S-H凝膠，這些C-S-H凝膠可以有效填充水泥在水化后的遺留空隙，并在晶體之間形成強(qiáng)有力的連接，使得透水混凝土的抗壓強(qiáng)度得到提高。

但是當(dāng)硅粉摻量過大時(shí)，由于硅粉中的SiO2發(fā)生火山灰效應(yīng)，吸收混凝土中大量水分，導(dǎo)致水泥水化反應(yīng)不充分，減少Ca(OH)2的生成，從而使C-S-H凝膠產(chǎn)生的數(shù)量降低，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度也會(huì)下降。當(dāng)試件養(yǎng)護(hù)28 d后，試件中的SiO2則會(huì)與水泥水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，再次生成較多的C-S-H凝膠，提高了試件中C-S-H凝膠的含量，使透水混凝土的抗壓強(qiáng)度有較大增強(qiáng)。

3 結(jié) 論

1) 隨著硅粉摻量的增加，硅粉透水混凝土的有效孔隙率、透水系數(shù)和7 d、28 d抗壓強(qiáng)度均先增大后減小。

2) 本次硅粉透水混凝土試驗(yàn)的硅粉最優(yōu)摻量為10%，此時(shí)透水混凝土試件7 d抗壓強(qiáng)度為16.6 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為20.2 MPa，透水系數(shù)為 3.02 mm/s，有效孔隙率為21.56%。

3) 硅粉透水混凝土抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)的的機(jī)理是由于硅粉的形態(tài)效應(yīng)和火山灰效應(yīng)，其通過與水泥水化反應(yīng)生成的水化物進(jìn)行二次水化反應(yīng)形成C-S-H凝膠，極大地提升了透水混凝土的抗壓強(qiáng)度。