摻納米材料透水混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)研究

徐子強(qiáng) 毛耐民 史明輝 呂 龍

(云南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，云南 昆明 650500)

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，城市路面、空間已逐漸被混凝土等不透水材料所覆蓋，建筑密度也越來(lái)越大[1]。有資料表明，我國(guó)城市不透水道路的覆蓋率已達(dá)7%～15%，特大城市可能超過(guò)20%。因此，這一系列現(xiàn)狀導(dǎo)致了“熱島效應(yīng)”“城市內(nèi)澇”等城市通病的加劇。為解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)90年代對(duì)透水性混凝土進(jìn)行了研究，并將其應(yīng)用到海綿城市的建設(shè)中。透水混凝土由于具有透水、透氣、密度小等特點(diǎn)，而對(duì)于緩解城市內(nèi)澇、降低噪聲、加強(qiáng)水資源循環(huán)利用等有顯著作用[2]。但透水混凝土同時(shí)存在強(qiáng)度低、易塌陷等缺陷[3]，嚴(yán)重限制了透水混凝土在“海綿城市”建設(shè)中的應(yīng)用和推廣。因此，對(duì)透水混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律、破壞機(jī)理進(jìn)行試驗(yàn)研究對(duì)改善其強(qiáng)度性能有著重要意義。

本試驗(yàn)以“海綿城市”建設(shè)中常用的普通透水混凝土為研究對(duì)象，摻入納米二氧化硅、納米碳酸鈣以及硅灰微粉對(duì)水泥漿體進(jìn)行改性，分別配制普通透水混凝土納米二氧化硅、單摻納米碳酸鈣以單摻硅灰微粉透水混凝土各2組和9組復(fù)摻透水混凝土，其中單摻組包括7 d，28 d，56 d三個(gè)齡期，復(fù)摻組重點(diǎn)研究其28 d抗壓強(qiáng)度，并根據(jù)數(shù)據(jù)以及破壞形態(tài)進(jìn)一步分析PCPC強(qiáng)度改善機(jī)理，為透水混凝土的應(yīng)用和配制提供理論參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1)水泥。

本次試驗(yàn)所用水泥南省紅獅公司生產(chǎn)的水泥，水泥型號(hào)為P.O42.5R，3 d抗折和抗壓強(qiáng)度分別為4.8 MPa,7 MPa，28 d的抗折和抗壓強(qiáng)度分別為22.1 MPa,43.2 MPa，均符合GB 175—2007通用硅酸鹽水泥的要求，其他主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 本試驗(yàn)研究所用水泥性能

2)骨料。

石場(chǎng)生產(chǎn)的碎石，粗骨料從碎石場(chǎng)運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室后，因?yàn)槟嗌澈枯^高，通過(guò)高壓水槍對(duì)粗骨料進(jìn)行了沖洗，并放置于實(shí)驗(yàn)室外進(jìn)行晾曬。對(duì)碎石骨料進(jìn)行篩分，篩分出粒徑為5 m～10 m的骨料，堆積密度為1 670 kg/m3，表觀密度為2 700 kg/m3。

3)硅灰。

通過(guò)動(dòng)態(tài)光散射得到其平均直徑在0.5 μm，參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 硅灰材料參數(shù)

4)納米材料。

選用的納米材料均為緣江牌，材料參數(shù)均由廠家提供，見(jiàn)表3,表4。

表3 納米二氧化硅材料參數(shù)

表4 納米碳酸鈣材料參數(shù)

5)減水劑。

減水劑采用山西秦奮公司生產(chǎn)的均衡型聚羧酸系高性能減水劑，建議用量為0.2%～0.5%。

1.2 試件制備及養(yǎng)護(hù)

采用水泥裹漿法是預(yù)先將骨料投入攪拌機(jī)中，并加以部分水進(jìn)行攪拌，對(duì)粗骨料預(yù)濕，然后加入部分水泥繼續(xù)攪拌，形成第一層薄漿，最后再將剩余的水和膠凝材料均勻倒入骨料表面攪拌至拌合物表面光亮。在制備中需事先將納米CaCO3與納米SiO2進(jìn)行超聲分散。之后將減水劑倒入水中進(jìn)行攪拌，隨后加入進(jìn)行超聲分散過(guò)的納米CaCO3與納米SiO2繼續(xù)攪拌5 min。待水溶液穩(wěn)定后，將水與納米材料分批次倒入水泥漿體和骨料拌合物中，繼續(xù)攪拌5 min后出料。

將拌合好的透水混凝土制作成150 mm×150 mm×150 mm混凝土試塊，試件成型1 d后進(jìn)行拆模并放入濕氣養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，溫度控制在(20±1)℃，濕度在95%以上。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

在進(jìn)行透水混凝土試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，加載速率為0.05 MPa/s，當(dāng)壓力機(jī)停止加載，讀數(shù)恒定時(shí)記錄壓力值，每組3塊，取其平均值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 單摻組立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表6 復(fù)摻組28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，當(dāng)摻入4%硅灰時(shí)，隨著納米材料摻量的增加PCPC抗壓強(qiáng)度先增大后減?。划?dāng)摻入6%硅灰時(shí)，隨著納米材料的增加，PCPC抗壓強(qiáng)度先略微減小，后大幅度降低；當(dāng)摻入8%硅灰時(shí)，隨著納米材料摻量的增強(qiáng)呈現(xiàn)較大幅度的降低趨勢(shì)。說(shuō)明在低硅灰摻量時(shí)，納米材料的增加，有助于協(xié)同硅灰填充水泥漿體孔隙，改善過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)PCPC抗壓，但高硅灰摻量下，納米材料反而會(huì)阻礙強(qiáng)度發(fā)展，納米材料和硅灰相比水泥粒徑更小，具有更高的活性，結(jié)合凈漿粘度測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)單摻時(shí)均會(huì)導(dǎo)致表觀粘度上升，因而復(fù)摻時(shí)表觀粘度將繼續(xù)增大，在振搗成型下難以緊密堆積，整體松散。結(jié)合孔隙率分析可知隨著納米材料和硅灰摻量增加，E7組～E9組孔隙率增加，可以證實(shí)其表觀粘度對(duì)PCPC成型密實(shí)度的影響，并隨著孔隙率的增加，其抗壓強(qiáng)度降低。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為方便分析，將表5和表6試驗(yàn)結(jié)果分別制成條形圖(如圖1所示)關(guān)于抗壓強(qiáng)度—復(fù)合摻料摻合比例的曲線圖(見(jiàn)圖2)。

由圖1可知摻入納米二氧化硅后透水混凝土7 d，28 d的抗壓強(qiáng)度值均得到了提升。其中摻入NS后，7 d時(shí)分別增長(zhǎng)42%和54%；28 d時(shí)分別增長(zhǎng)10%和20%；NS的摻入對(duì)早期強(qiáng)度影響較為明顯，其成核效應(yīng)和火山灰反應(yīng)，促使早期水泥漿體強(qiáng)度快速增加，提高骨料間水泥漿體料的粘結(jié)力。由圖2可知，摻入1%和2%的NS，PCPC抗壓強(qiáng)度均有增長(zhǎng)，但7 d～28 d強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯放緩，說(shuō)明NS的摻入在一定程度上抑制了后期強(qiáng)度的發(fā)展，早期占據(jù)了水泥水化所需要的大部分水量，因而部分水泥水化較慢，其強(qiáng)度增長(zhǎng)較低。由圖2可知摻入NC后，在7 d以及28 d時(shí)，隨著摻量的增加，強(qiáng)度均有增長(zhǎng)，其中7 d時(shí)強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了29%和39%；28 d時(shí)分別增長(zhǎng)了3%和12%，而摻入3%的NS由柱形圖可知7 d～28 d間增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯放緩，僅增長(zhǎng)了1 MPa。 NS與NC對(duì)于強(qiáng)度的增長(zhǎng)有著相似性，早期對(duì)強(qiáng)度影響較為明顯，但7 d～28 d強(qiáng)度增長(zhǎng)均不明顯。摻入硅灰后，強(qiáng)度同摻入納米材料影響一樣均有助于各齡期強(qiáng)度增長(zhǎng)，其中7 d時(shí)，隨著硅灰摻入強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了26%，55%;28 d時(shí)強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了7%和20%。同樣也是早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，但7 d和28 d強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度較小。

由圖2可知在復(fù)摻體系下，兩種因素對(duì)抗壓強(qiáng)度影響趨勢(shì)相同，且極差相差不大，為了進(jìn)一步探究對(duì)抗壓強(qiáng)度具有顯著性影響的因素水平，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，通過(guò)顯著性指標(biāo)判斷納米材料、硅灰以及二者的交互作用在不同摻量下是否對(duì)抗壓強(qiáng)度具有顯著性影響。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入SPSS，根據(jù)目錄中單因素方差分析，對(duì)數(shù)據(jù)的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，并通過(guò)事后分析考察兩兩水平間的差異性。計(jì)算后方差分析結(jié)果可知全因子模型分析中，納米材料、硅灰以及二者之間的交互作用sig均為0，說(shuō)明納米材料與硅灰均會(huì)對(duì)PCPC的抗壓強(qiáng)度有顯著影響，通過(guò)比較F值可知，其中納米材料與硅灰的交互作用以及納米材料摻量相比于硅灰摻量對(duì)PCPC抗壓強(qiáng)度值有更顯著影響。

3 結(jié)論

1)納米材料和硅灰均有助于透水混凝土抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度增加。

2)在試驗(yàn)設(shè)計(jì)水平下，當(dāng)復(fù)摻入1%納米二氧化硅、1%納米碳酸鈣以及4%硅灰時(shí)，透水混凝土取得最高抗壓強(qiáng)度值。