復(fù)摻硅粉及偏高嶺土的透水混凝土抗凍性能研究

劉松顏

（吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院，吉林長春130021）

0 引言

透水混凝土又被稱為多孔混凝土，與普通混凝土不同，內(nèi)部存在較多由水泥漿體包裹的粗骨料堆積而成的孔隙，具有良好的透氣性、透水性。[1]然而由于透水混凝土內(nèi)部的孔隙較多，其強(qiáng)度、抗凍性能與耐磨性能相對較低，如何提高透水混凝土的性能仍然是影響透水混凝土廣泛應(yīng)用的技術(shù)難題。

針對提高透水混凝土強(qiáng)度與抗凍性問題，國內(nèi)外學(xué)者提出改變骨料種類、骨料粒徑、摻入礦物摻合料等方法以便于提高透水混凝土強(qiáng)度與抗凍性。張茂林[2]在透水混凝土中混合加入一定量的聚丙烯纖維與橡膠集料，結(jié)果表明摻加橡膠集料與聚丙烯纖維可以提升透水混凝土的強(qiáng)度。張炯[3]在透水混凝土中摻加粉煤灰、EVA 乳膠及聚乙烯纖維，結(jié)果表明透水混凝土的強(qiáng)度及抗凍性均有提高。

礦物摻合料是制備高性能混凝土的重要組成材料，在現(xiàn)代混凝土中應(yīng)用極為廣泛。[4]摻入高活性礦物摻合料可以有效地提升混凝土的密實度，提高混凝土的強(qiáng)度與抗凍性能。微硅粉是冶煉硅鐵合金中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，主要活性成分是非晶態(tài)的SiO2，在透水混凝土摻入微硅粉可以極大地提高透水混凝土的抗壓強(qiáng)度[5]。偏高嶺土是高嶺土經(jīng)過煅燒后的產(chǎn)物，主要成分除非晶態(tài)的SiO2外，還含有大量的AL2O3，可以與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)和微集料反應(yīng)，從而提升混凝土密實度，提升強(qiáng)度。已有相關(guān)文獻(xiàn)表明[6]，在混凝土中摻入偏高嶺土可以提高混凝土的強(qiáng)度，然而在透水混凝土中還尚未有過多研究。

本文采用不同摻量的微硅粉與偏高嶺土取代一定量的水泥制備透水混凝土，以正交設(shè)計的方式研究雙摻偏高嶺土與硅粉對透水混凝土物理及力學(xué)性能、抗凍融耐久性的影響，以期為透水混凝土在寒區(qū)應(yīng)用提供一定的參考。

1 試驗

1.1 材料

試驗采用的水泥為亞泰P.O42.5 等級水泥，密度為3 050 kg/m3；微硅粉，偏高嶺土為上海靈動化工有限公司生產(chǎn)。試驗采用的粗骨料為長春本地產(chǎn)石灰石碎石，碎石粒徑的選取范圍在5～10 mm。細(xì)骨料采用的ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，砂率為6%。外加劑選用萘系FDN 高效減水劑，減水率為21%，此次試驗減水劑使用量為水泥摻量的1%。具體數(shù)值見表1、表2。

表1 偏高嶺土基本參數(shù)

表2 微硅粉基本參數(shù)

1.2 方法

攪拌工藝按照CJJ/T 135-2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》規(guī)定攪拌；將骨料倒入60 L 強(qiáng)制攪拌機(jī)，倒入50%的試驗用水?dāng)嚢?0 s，加入膠凝材料后攪拌60 s，最后加入剩余試驗用水?dāng)嚢?0 s，最后出料。透水混凝土制備流程：凝膠材料拌合→骨料+50%試驗用水?dāng)嚢琛尤肽z材料攪拌60 s→加入剩余試驗用水?dāng)嚢?0 s→成型出料。

成型采用手動插搗，將拌合好的混凝土倒入模具的2/3 處，沿四邊插搗，填裝好后用保鮮膜覆蓋在試件表面防止水分蒸發(fā)，后放在相對濕度在95%左右的養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，保持室溫在20±3 ℃，靜置48 h 后拆模。

此次試驗場地為吉林省水工程安全與災(zāi)害防治工程實驗室，力學(xué)試驗采用YE-2000E 型壓力試驗機(jī)進(jìn)行，透水試驗根據(jù)CJJ/T 135-2009 自制透水系數(shù)測定工具，凍融試驗采用快凍法，儀器采用SKDR-28S 型混凝土自動快速凍融試驗機(jī)，每間隔10 個凍融循環(huán)檢測透水混凝土的抗凍性能。

1.3 試驗配合比方案設(shè)計

此次試驗配合比計算依據(jù)CJJ/T 135-2009中規(guī)定計算，水膠比為0.3，水為103.72 kg，碎石為1 496.95 kg，其他配合比見表3。

表3 透水混凝土配合比

2 結(jié)果與討論

2.1 水膠比對透水混凝土強(qiáng)度的影響

此次試驗根據(jù)規(guī)程推薦選用0.25，0.30，0.35 等3 組水膠比進(jìn)行試驗。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)水膠比為0.30的抗壓強(qiáng)度最高，28 d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到14.24 MPa，而0.25 的水膠比試驗組28 d 強(qiáng)度只有11.91 MPa，0.35 的水膠比試驗組28 d 強(qiáng)度為11.36 MPa。由此可以得出，0.30 的水膠比相對于另外兩組來說更適合透水混凝土。

由透水混凝土水膠比與抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖（圖1）可以看出，透水試件的抗壓強(qiáng)度隨著水膠比的增大先增大后減小，當(dāng)水膠比為0.25 時，水泥顆粒不能完全水化，并且漿體的流動性太小，水泥漿體不足以完全包裹骨料，從而影響透水混凝土的密實性，所以抗壓強(qiáng)度相對較低；當(dāng)水膠比為0.30時，水泥顆粒可以充分水化，流動性較好，在制備時水泥漿體可以充分地包裹骨料，增加透水混凝土的密實性，使透水混凝土的強(qiáng)度達(dá)到最大值；當(dāng)水膠比為0.35 時，水泥漿體的流動性過大，在制備時水泥漿體隨著時間向下流動，致使透水試件的下半部孔隙堵塞，進(jìn)而降低透水試件的抗壓強(qiáng)度與透水性，故此次試驗采用的水膠比均為0.30。

圖1 28 d 透水混凝土水膠比與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

2.2 雙摻硅粉與偏高嶺土對透水混凝土強(qiáng)度的影響

由圖1 可知，在不摻入礦物摻合料的情況下，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度很難達(dá)到20 MPa，為保證透水混凝土的強(qiáng)度與實用性，此次試驗選用硅粉與偏高嶺土作為礦物摻合料代替部分水泥作為外摻料。據(jù)國內(nèi)文獻(xiàn)調(diào)查，在透水混凝土領(lǐng)域尚未有使用偏高嶺土作為外摻料的先例；硅粉可以有效地提高透水混凝土的強(qiáng)度；在混凝土中運(yùn)用纖維可以有效地防止混凝土的開裂，可以提高透水混凝土的強(qiáng)度，故參考普通混凝土的摻量范圍，此次試驗設(shè)計9 組孔隙率為15%的正交試驗，具體水平因素見表4，各組試驗測試結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 透水混凝土的透水系數(shù)與孔隙率

圖3 透水混凝土的抗壓強(qiáng)度

表4 水平因素表 %

結(jié)合圖2，3 可以發(fā)現(xiàn)，在透水混凝土中摻入硅粉與偏高嶺土可以大幅度提升透水混凝土的抗壓強(qiáng)度，在硅粉摻量7%、偏高嶺土摻量10%、聚丙烯纖維摻量1%時試件的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高，為25.2 MPa，透水系數(shù)為2.59 mm/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)程中規(guī)定的最低透水系數(shù)要求（0.5 mm/s），孔隙率為15.5%，與目標(biāo)孔隙率相差僅0.5%，總體看性能較為優(yōu)越。

根據(jù)正交設(shè)計原理，分別計算硅粉摻量、偏高嶺土摻量、聚丙烯纖維摻量對透水混凝土的極差值，具體見表5。

由表5 可知，硅粉摻量對透水混凝土抗壓強(qiáng)度與透水系數(shù)影響最大，聚丙烯纖維摻量對透水混凝土孔隙率影響最大，綜合成本、性能等各方面因素考慮，得到的最優(yōu)配合比為硅粉摻量7%、偏高嶺土摻量10%、聚丙烯纖維摻量2%。

表5 抗壓強(qiáng)度透水系數(shù)孔隙率極差分析

圖5 偏高嶺土摻量對強(qiáng)度影響

由硅粉、偏高嶺土摻量對強(qiáng)度影響示意圖（圖4，5）可知，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著硅粉摻量的增加而遞增，隨著偏高嶺土摻量增大先增加后減小。硅粉顆粒遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水泥顆粒，這些細(xì)小的顆粒會填充在透水混凝土的孔隙中，硅粉中的SiO2可以與游離石灰及高堿水化硅酸鈣生成火山反應(yīng)，會生成強(qiáng)度更高并且穩(wěn)定性更加良好的低堿水化硅酸鈣，導(dǎo)致透水混凝土的強(qiáng)度增長。而偏高嶺土本身除含有大量的SiO2外，還含有大量的AL2O3，研究表明，偏高嶺土可以加速水泥水化進(jìn)程，在水化反應(yīng)中形成C3AH6（水化鋁酸鈣）與CFH（水化鐵酸鈣），提升混凝土的性能。然而偏高嶺土比表面積大，在偏高嶺土摻量增加后需增加水量，致使制備出的透水混凝土出料階段的和易性較差，水泥漿的粘結(jié)能力有所降低，從而導(dǎo)致透水混凝土的強(qiáng)度下降。

圖4 硅粉摻量對強(qiáng)度影響

2.3 凍融循環(huán)對透水混凝土性能影響

透水混凝土規(guī)程中規(guī)定：經(jīng)過凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率大于5%或抗壓強(qiáng)度損失率大于20%時即為透水混凝土遭受凍融破壞。依據(jù)極差分析法分析影響透水混凝土強(qiáng)度的因素，選取最優(yōu)配合比制備透水混凝土進(jìn)行凍融試驗。

由于透水混凝土孔隙率大，在抗凍能力上相對較弱，故此次試驗抗凍融循環(huán)試件每經(jīng)過10 次凍融循環(huán)后測出檢測試件的質(zhì)量損失率、抗壓強(qiáng)度損失率。

圖6 為透水混凝土凍融后質(zhì)量損失率曲線，圖7 為透水混凝土凍融后抗壓強(qiáng)度及擬合曲線，混凝土經(jīng)過凍融循環(huán)后會導(dǎo)致表面的水泥漿脫落，內(nèi)部中孔隙產(chǎn)生凍脹破壞，導(dǎo)致透水混凝土質(zhì)量損失與抗壓強(qiáng)度降低。由圖6 可知，透水混凝土在經(jīng)歷120 次凍融循環(huán)時質(zhì)量損失率僅為1.32%，在經(jīng)歷100 次凍融循環(huán)時透水混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率達(dá)到24.2%，發(fā)生凍融破壞，與規(guī)程中25 次凍融循環(huán)相比極大地提升了透水混凝土的抗凍性能。將透水混凝土凍融循環(huán)次數(shù)與凍融后抗壓強(qiáng)度擬合曲線：

圖6 透水混凝土的質(zhì)量損失率曲線

圖7 透水混凝土凍融后抗壓強(qiáng)度

其中y為凍融后抗壓強(qiáng)度，x為凍融循環(huán)次數(shù)；預(yù)測透水混凝土凍融后抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.924，說明方程相關(guān)性良好。

3 結(jié)論

1）硅粉、偏高嶺土雙摻可以顯著地提升透水混凝土的強(qiáng)度，正交設(shè)計試驗表明：透水混凝土在透水系數(shù)滿足規(guī)程要求的條件下可以達(dá)到25.2 MPa。

2）硅粉摻量對透水混凝土抗壓強(qiáng)度與透水系數(shù)影響最大，聚丙烯纖維摻量對透水混凝土孔隙率影響最大，綜合成本、性能等各方面因素考慮，得到的最優(yōu)配合比為硅粉摻量7%、偏高嶺土摻量10%、聚丙烯纖維摻量2%。

3）經(jīng)過改良后的透水混凝土可以經(jīng)受100 次的凍融循環(huán)，擬合凍融次數(shù)與抗壓強(qiáng)度、凍融次數(shù)與凍融后孔隙率、凍融后孔隙率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線，相關(guān)性均大于0.85。