納米SiO2復合改性劑對不同孔隙率透水混凝土性能的影響

李崇智，牛振山，吳慧華，曹瑩瑩

（北京建筑大學土木與交通工程學院，北京 100044）

0 引言

混凝土的普及，使得城市排水不暢、“熱島效應”明顯以及地下水資源被破壞等問題，嚴重的影響著人與自然的和諧發展[1-3]。透水混凝土的發明應用使得這些問題得到了有效解決。隨著“海綿城市”理念不斷的深入人心，透水混凝土的需求量與日俱增[4-5]。透水混凝土是由骨料和膠凝材料粘結而行成的骨架—空隙結構，具有良好的透水性和透氣性[6]。較高的孔隙率，使得透水混凝土的力學性能較差，骨料與膠凝材料連接的位置是其最薄弱的部位。透水混凝土在現實運用中，不單要強度達標，并且要具備充足的耐久性。大量的連通空隙，使得有害物質容易進入到透水混凝土內部，分解水泥石結構，混凝土的強度和耐久性很難得到保障[7-9]。其力學性能比常規混凝土強度更低，抗化學腐蝕的能力更差。同時，透水混凝土屬于干硬混凝土，拌制過程當中無細骨料的“珠滾”效應，骨料間摩擦力大，因此工作性能差，不便施工。這些致使透水混凝土推廣受阻。如何能使透水混凝土具有良好透水和透氣性能的同時，仍然具有較高的強度，并且可以滿足耐久性的要求，成為當今迫切需要解決的問題[10-11]。

針對上述透水混凝土的問題，配制出納米 SiO2復合改性劑（NSCM），其主要是由聚羧酸減水劑、苯丙乳液、納米二氧化硅水性漿料、緩凝劑等組分構成。通過工作性、力學性、抗化學腐蝕和透水性試驗，研究NSCM 對透水混凝土性能的影響。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：水泥采用金隅 P·O42.5 水泥。

水：飲用自來水。

粗骨料：石灰巖碎石，粒徑為 5～10mm。

納米二氧化硅水性漿料：北京德科島金科技的 JLSiO2-J15，含量為 30% 的透明狀液體。

納米 SiO2復合改性劑（NSCM）復配比例為：減水組分 A : 緩凝組分 B : 苯丙乳液 C : 納米二氧化硅水性漿料 : 水玻璃 = 1:1.69:3.23:2.85:1.15。該改性劑呈乳白色，略有刺激性氣味，其基本物理性能見表 1。

表 1 NSCM 的基本物理性能

1.2 試驗方法

1.2.1 混凝土試塊的制備

按照表 2 配制目標孔隙率為 15%、20% 和 25% 的透水混凝土，使用 40mm×40mm×160mm 尺寸的模具，24 小時后脫模，進行標準養護。空白組配合比見表 2，NSCM 的摻量見表 3。

表 2 透水混凝土基準配合比 kg/m3

表 3 復摻 NSCM 的配合比

1.2.2 工作性能

參照 GB/T 8077—2000《混凝土外加劑勻質性試驗方法》，采用透水混凝土相同的水膠比，配制水泥凈漿，進行流動度試驗。

1.2.3 力學性能

由于國內目前沒有透水混凝土抗壓、抗折強度試驗的標準規范，本文采用尺寸為 40mm×40mm×160mm的透水混凝土試塊，標準養護至 3d、7d 和 28d 時進行抗壓、抗折試驗。

1.2.4 抗化學侵蝕性能測試

參照 GB /T 50082—2009，配制質量分數為 3% 的HCl 溶液、3% 的 NaOH 溶液和 5% 的 Na2SO4溶液。將標準養護 28d 的透水混凝土試塊浸泡在溶液中，7d 后測得各組試塊的質量變化。

1.2.5 透水性能

參照 CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術規程》，將尺寸為 70.7mm×70.7mm×70.7mm 試快標養至 28d，用石蠟將其四周均勻密封涂刷，放入管槽中，進行試驗，根據公式 (1)，計算各組透水系數。

其中：KT——透水系數，mm/s；

t——試驗時間，s；

Q——透水量，mm3；

L——厚度，mm；

A——觸水面積，mm2；

H——水位差，mm。

2 結果與討論

2.1 NSCM 摻量對不同孔隙率透水混凝土工作性能的影響

工作性能對透水混凝土的應用推廣以及工程質量的保證有著重大的關系。長安大學盛燕萍等人[12]提出了富余漿量試驗方法對其評價。青島理工大學顧曉帆[13]在此基礎上進行改進，研究認為，當水泥凈漿的流動度為 240mm 時，膠凝材料可以充分地包裹骨料的表面，形成均勻且泛有金屬光澤的包裹層。

圖 1 為固定 0.32 的水膠比，不同用量的 NSCM 對流動度的影響曲線。NSCM 摻量越大，流動度改善越顯著。摻量為 2% 時，流動度為 241mm，最為接近240mm。過小的流動度使得水泥漿無足夠延展性，難以形成勻質的包裹層；過大，透水混凝土在拌制過程中，漿體下沉，骨料析出，從而降低其力學性能和透水率。NSCM 摻量為 2%，可以拌制出效果最好的透水混凝土。

2.2 NSCM 摻量對不同孔隙率透水混凝土力學性能的影響

圖 1 NSCM 不同摻量對水泥凈漿流動度的影響

不同孔隙率的透水混凝土在不同時長標養下的抗壓和抗折強度結果見表 4 和圖 2～4。結果顯示：當透水混凝土孔隙率為 15% 時，NSCM 摻量為 2% 的 A-TS2組，其抗壓強度，7d 比 3d 提高了 14.69%；空白試驗組的抗壓強度，7d 比 3d 提升了 6.2%。且 A-TS2 組 28d抗壓強度比空白試驗組提升了 36.11%，抗折強度提升了 82.93%。其對抗折強度的提高程度要優于抗壓強度。當 NSCM 摻量都為 2% 時，孔隙率為 15%、20%和 25% 的透水混凝土 28d 抗壓強度比空白組分別提升了 36.11%、38.95% 和 57.84%。NSCM 對大孔隙率透水混凝土的力學性能有更大幅度的提升。這是因為 NSCM中有納米 SiO2，可以很好地發揮火山灰效應、微集料填充效應和晶核效應。納米 SiO2顆粒極細，可以很好地嵌填入水泥石孔隙內部，增加凝膠體的密實度。并且，納米 SiO2有很高的火山灰活性，可以在水化早期和剛生成的水化產物 Ca(OH)2發生二次水化反應，相比較首次水化，二次水化反應生成絮狀物相互搭接、結構更加致密的水化硅酸鈣凝膠。同時，可以對初次水化生成的Ca(OH)2具有細化作用，提升了水泥石和骨料之間的粘結強度，提升了穩定性。因此，NSCM 可以顯著地提升不同孔隙率下透水混凝土的力學性能，且抗折強度的改善效果要高于抗壓強度。

表 4 不同養護齡期的強度

2.3 NSCM 摻量對不同孔隙率透水混凝土抗化學侵蝕性能的影響

如表 5 所示，不同孔隙率透水混凝土標養 28d，在質量分數為 3% HCl、3% NaOH 和 5% Na2SO4的溶液中浸泡 7d 的質量變化情況。結果表明：在質量分數為 3%的 HCl 溶液中，不同孔隙率下的透水混凝土的質量有顯著減少。當孔隙率不變時，隨 NSCM 摻量的增加，透水混凝土的質量損失率出現先下降后升高的趨勢，當摻量為 2% 時，其質量損失率最低。此時，孔隙率為 15%、20% 和 25% 的透水混凝土在 3% HCl 溶液中的質量損失分別為 1.46%、1.74% 和 1.98%，比對空白對照組分別降低了 42.52%、36.26% 和 38.51%。這是因為水泥水化反應生成大量的 Ca(OH)2晶體，在強酸環境下，大量的 H+與其發生中和反應，水泥石不斷水解。而 NSCM 中的納米 SiO2和水玻璃組分有較高的活性，可以與 Ca(OH)2發生二次水化反應，減少透水混凝土膠凝材料中的堿含量，并且細化 Ca(OH)2的晶體結構，使其均勻地分部在水泥石當中。NSCM 可以減弱 H+與對透水混凝土的侵蝕作用。

圖 2 孔隙率為 15% 的力學性能

圖 3 孔隙率為 20% 的力學性能

圖 4 孔隙率為 25% 的力學性能

表 5 不同孔隙率的透水混凝土在酸、堿和鹽溶液中浸泡 7d 的質量變化

固定 NSCM 摻量，孔隙率越大，質量減損量越大。這是因為，不同孔隙率的透水混凝土，其內部的連通空隙量有著很大的差別，往往目標孔隙率越大，連通空隙的數量也越多。本試驗中，孔隙率為 25% 的透水混凝土必然比孔隙率為 15% 的透水混凝土有更大的接觸面積接受鹽酸溶液的侵蝕，其質量損失率也會更大。在 3% NaOH 和 5% Na2SO4溶液中，不同孔隙率透水混凝土浸泡前后，質量有著不同程度的增加。這是因為透水混凝土中存在的堿活性骨料與堿溶液發生堿骨料反應，生成了堿硅酸凝膠。其有吸水膨脹性，吸水飽和時，體積最大可以擴展 3 倍以上，從而產生增重的效果。NSCM 的使用量越大，其質量增加率有著波動性降低的趨勢，2% 和 3%的摻量對透水混凝土的保護作用沒有太大差別。

2.4 NSCM 摻量對不同孔隙率透水混凝土透水性能的影響

NSCM 在差別摻量下，透水混凝土孔隙率為 15%、20% 和 25% 的透水系數見表 6 和圖 5。結果表明，NSCM 可以明顯改進透水混凝土的透水性。當 NSCM摻量為 1% 時，孔隙率為 15%、20% 和 25% 的透水混凝土透水系數各增加了 114.81%、52.11% 和 4.46%。NSCM 對低孔隙率透水混凝透水性有更大提升。這是因為低孔隙率的透水混凝土中有更多的膠漿，其有效的連通空隙較少，骨料表面的水泥漿膜薄厚不均。NSCM 可以有效地提高水泥漿的粘聚性能，從而提升骨料的掛漿能力，形成更為密實均勻的結構，在孔隙率不變的情況下，也可以擁有更多有效的連通空隙，提高透水性能。而對于孔隙率為 25% 的透水混凝土，當 NSCM 摻量超過 1% 時，其透水系數幾乎沒有變化。

表 6 不同 NSCM 摻量下的透水系數 mm

3 結論

（1）NSCM 可以有效地提升水泥凈漿的流動度，當摻量為 2% 時，流動度為 241mm，最為接近240mm，此時的水泥漿可以在骨料表面形成勻質包裹層，性能最佳。

圖 5 NSCM 的摻量對透水混凝土透水系數的影響

（2）摻入適量的 NSCM 對不同孔隙率下的透水混凝土的力學性能有顯著改善的效果。相比抗壓強度，其對抗折強度改善更佳。且 NSCM 可以有效提升透水混凝土的初期強度。

（3）NSCM 可以明顯提升透水混凝土在酸堿鹽溶液下的抗侵蝕能力。隨著摻量增加，酸性溶液中，其抗腐蝕性呈現先增后減的變化趨勢；堿性和鹽溶液中，波動性降低。

（4）NSCM 對不同孔隙率（15%、20%、25%）透水混凝土的透水性能提升效果有明顯差別，孔隙率越小，其改善性能越好。當 NSCM 摻量為 2% 時，孔隙率為 15% 的透水混凝土，其透水系數提升了125.72%；孔隙率為 20% 的透水混凝土，其透水系數提升了 59.43%。當孔隙率為 25% 時，NSCM 對其改善效果甚微。