乳膠粉與硅灰對透水混凝土性能影響的試驗研究

何玉龍

（長春冀東水泥混凝土有限公司，吉林 長春 130000）

0 前言

透水混凝土是一種具有連續孔隙的特殊混凝土，具有一定強度的同時又具有一定的透水、透氣性能，對改善城市內澇、城市熱島效應，維持城市水資源平衡有一定促進作用，所以近年來在海綿城市建設中得以廣泛應用。透水混凝土主要原材為水泥和礦物摻和料、碎石、水和外加劑等，又稱無砂混凝土，拌和后為干硬性狀態，基本沒有坍落度，骨料之間由膠凝材料包裹后相互粘結，所以硬化后可形成連續的孔隙結構。透水混凝土之所以能透水、透氣，主要歸功于內部的連通孔隙，而孔隙的存在又決定其內部的密實程度，所以透水混凝土的強度與孔隙率是相互矛盾的因素，透水混凝土在配合比設計過程中要綜合考慮，在滿足透水系數的基礎上要盡量降低內部的孔隙率。

透水混凝土與普通混凝土的強度原理有區別，普通混凝土的強度主要取決于硬化體系內部的密實度，而透水混凝土的強度主要來源于骨料之間的咬合、骨料外膠凝材料的粘結力、骨料自身的強度。所以在透水混凝土的應用過程中，很多學者從不同角度開展研究。透水混凝土制備過程中要適當控制水泥漿體的流動度，漿體的流動性與粘聚性決定了漿體在骨料表面包裹的厚度，直接影響透水混凝土的透水系數[1-2]。楊福儉[3]通過正交試驗發現插搗次數、靜壓荷載、入模層數、加載時間均不同程度影響透水混凝土抗壓強度。很多學者嘗試利用再生骨料制備透水混凝土，經研究發現，再生骨料粒徑的大小和粒形均影響透水混凝土的抗壓強度和耐久 性[4-5]。黃嘉祺[6]利用工業尾氣中高濃度 CO2激發鋼渣中活性成分，制備高早強、低堿度的生物相容的碳激發鋼渣透水混凝土，走出傳統制備方法的束縛。為提高透水混凝土的耐久性與強度，常用的方法為采用礦物摻和料對其進行改性，經研究發現，礦物摻和料改性后，在不影響透水性能的前提下，其強度和耐久性均有一定提 高[7-10]。近年來聚合物改性方法也逐漸應用到透水混凝土的研究中，研究發現聚合物可在一定程度上改善骨料與漿體的粘聚力，提高透水混凝土的韌性[11-12]。

本文結合無機摻和料和有機聚合物復摻改性的方法，重點研究了硅灰和可再分散乳膠粉對透水混凝土性能的影響規律。在提高透水混凝土強度的同時也能改善其韌性，對提高透水混凝土的耐久性具有重要意義，為高強與耐久透水混凝土的發展提供一定理論支持。

1 試驗方法與原材料

1.1 原材料

水泥：采用唐山冀東 P·O42.5 級普通硅酸鹽水泥，具體性能指標見表1。

表1 水泥性能指標

硅灰：萬砼實業提供，其 SiO2占比 95.2%，需水量比為 115%；密度 2.20kg/m3，比表面積 20000m2/kg。

外加劑：唐山冀東外加劑生產的聚羧酸高效減水劑，減水率 25%。

可再分散乳膠粉：德國瓦克生產 5044 系列，固含量 99%，表觀密度 450kg/m3。

粗骨料：5～10mm 細石。表觀密度 2780kg/m3，堆積密度 1560kg/m3，壓碎值＜8%。

1.2 配合比的設計

配合比的設計根據 CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術規程》的有關規定進行，采用填充理論及體積法應滿足公式 (1) 的要求：

其中：

Mg、Mc、Mw、Mz——分別為每方透水混凝土中粗骨料、水泥、水和增強料的用量，kg/m3；

ρg、ρc、ρw、ρz——分別為粗骨料、水泥、水和增強料的表觀密度，kg/m3。

P——設計孔隙率，%。

1.3 攪拌、成型及養護

將稱量好的骨料一次性投入攪拌機，啟動攪拌機的同時分別投入水泥、硅灰、乳膠粉，攪拌 30s 后加入水和外加劑，再攪拌兩分鐘后待拌合物攪拌均勻即可。骨料攥在手里應具有一定的粘聚性，但漿體不應從骨料表面脫落，此時骨料表面應均勻包裹漿體，且骨料表面呈金屬光澤。

成型采用 100mm×100mm×100mm 立方體塑料試模，分兩次裝填，每次裝填高度為試模的 1/2，裝填后立即用抹刀對四面進行插搗，底層插搗貫穿試模底部，第二層插搗要貫穿到第一層的 1/2，整個裝填過程不宜超過 150s。最后采用加壓成型，成型壓力 3MPa，恒定壓力時間 60s。壓制成型完畢后用抹刀將試模頂部抹平，對棱、角等缺陷部位采用手工補平。

試件成型后立即覆膜并在試配間養護，環境溫度 (20±2)℃、相對濕度大于 95%。養護期間每隔 4h 進行一次噴霧，24h 后拆模然后立即移入標準養護室進行養護。

1.4 試驗方法

透水混凝土漿體流動性試驗參考 GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》進行測試。透水混凝土的抗壓強度和抗折強度參照 GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行。孔隙率測試方法參考 CJJ/T 253—2016《再生骨料透水混凝土應用技術規程》進行。透水系數參考 GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》進行測試。

2 試驗結果與分析

2.1 硅灰對水泥膠砂性能的影響

表2 反映了不同硅灰摻量對水泥膠砂性能的影響。從圖 1 可見，隨著硅灰摻量的增加，膠砂的擴展度逐漸降低。從物理角度來看硅灰具有巨大的比表面積，一般可達到 20000m2/kg 以上。硅灰與水接觸后，硅灰顆粒間自由水量迅速減少，表現出粘度增大、流動度減小，所以理論上硅灰表面潤濕需要的用水量比水泥大。從化學反應角度，硅灰接觸拌合水后首先形成富硅的凝膠，吸收水分，凝膠逐漸包裹水泥顆粒，進一步減小了水泥凈漿的流動性。28d 抗壓強度隨硅灰的摻量出現先增加后降低的趨勢。原因是硅灰中的活性 SiO2組分與水泥水化產物 Ca(OH)2反應生成 C-S-H 凝膠，表現出火山灰效應。其次，硅灰具有較高的分散效應，硅灰顆粒可填充在水化產物之間，提高水化產物的密實度。所以摻硅灰后表現出強度有一定的提高。但是由于硅灰摻量過多，水泥水化后不能提供充足的 Ca(OH)2激發硅灰的火山灰效應，多余的硅灰只能形成物理填充效應，表現出強度有一定的下降。在水泥基材料中建議硅灰摻量在 6%～8%。

表2 硅灰對水泥膠砂性能的影響

圖1 硅灰摻量與水泥膠砂折壓比的關系

2.2 乳膠粉對水泥膠砂性能的影響

無機材料的最大弱點就是脆性較大，有研究表明可再分散乳膠粉在一定程度上可對水泥基材料進行改性，改善漿體在骨料表面的包裹程度[13-14]。本試驗以乳膠粉外摻法分析乳膠粉對水泥膠砂性能的影響。結果見表3 和圖 2。從圖 2 可見，隨乳膠粉摻量的增加，水泥膠砂的折壓比先增加后降低，在 1.0% 摻量達到最高點。可再分散乳膠粉的低彈模特性降低了水泥水化產物的彈性模量，使得一定摻量內水泥膠砂韌性提高。從表3 來看，隨著乳膠粉摻量的增加，水泥膠砂抗壓強度總體上是逐漸減小的趨勢。出現上述原因主要是因為乳膠粉遇水后形成的聚合物薄膜會包裹水泥顆粒，阻止水泥的水化進程。所以摻乳膠粉的水泥膠砂 28d 抗壓強度是呈現下降趨勢的。

圖2 乳膠粉摻量與水泥膠砂折壓比的關系

表3 乳膠粉對水泥膠砂性能的影響

2.3 硅灰對透水混凝土強度的影響

從上述試驗結果來看，乳膠粉摻量過大時其自身的柔性會對砂漿的抗壓強度產生負面的影響，本試驗固定乳膠粉 1.0% 摻量，以硅灰為變量考察兩者對透水混凝土的影響，結果見表4 和圖 3。

表4 透水混凝土配合比及其強度

由圖 3 可見，透水混凝土的抗壓強度與抗折強度均隨硅灰摻量增加先增加后降低。抗壓強度在硅灰摻量 10% 時達到最大，抗折強度在 5% 后開始出現下降趨勢。但是硅灰摻量在 10% 之前的抗折強度均高于空白試驗。出現上述現象的原因與硅灰和乳膠粉在膠砂中的原因類似。透水混凝土由于是高孔隙材料，其強度貢獻主要靠骨料表面包裹的膠凝材料水化后粘結。硅灰摻入后提高了膠凝材料的粘結力，所以抗壓強度在 10% 之前基本呈直線上升。摻量過大后，骨料單位面積所占水泥量減少，不足以完全將硅灰活性激發，水化產物減少，所以粘結力下降。綜上所述，在乳膠粉與硅灰共同改性透水混凝土的同時，建議乳膠粉占膠凝材料在 1.0% 以內，外摻硅灰在透水混凝土中摻量建議在 10% 以內。

圖3 硅灰/乳膠粉對透水混凝土強度的影響

3 結論

（1）硅灰在一定摻量內可顯著提高水泥膠砂抗壓強度，但抗折強度隨硅灰摻量的增加而降低。水泥凈漿流動度隨硅灰摻量增加而降低。

（2）乳膠粉可提高水泥凈漿的流動度，抗壓強度隨乳膠粉摻入逐漸降低。乳膠粉摻量在 1.0% 內時，抗折強度有所提高，摻量繼續增加，抗折強度也隨之降低。

（3）乳膠粉摻量占膠凝材料 1.0%，硅灰摻量在 10% 時透水混凝土的抗壓強度達到最高，且韌性也有較好的改善。