硅粉對透水混凝土性能影響的試驗研究

袁方正,李治斌,張淼鑫,陳克政

0 引 言

隨著我國城市化建設的推進，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排空，從而引發城市內澇[1]，出現“城市看?！钡默F象。為了解決這個問題，國務院近期印發了《關于推進海綿城市建設的指導意見》，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對生態環境的影響。

透水混凝土是一種新型環保的綠色路面材料，憑借其多孔、透氣、透水等特性，對保護地下水、緩解城市內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澇問題，同時也可以較好保護地下水和生態平衡，緩解城市熱島效應，具有較好的環境效益和社會效益[6-7]。硅粉作為摻合料在透水混凝土的領域中得到較好應用[8-11]。混凝土的透水性與其強度成反比，如何既有良好的透水性同時具有較高的強度是目前研究的熱點[12-14]。本次試驗目的是研究硅粉對透水混凝土物理性能和力學性能的影響，探究硅粉透水混凝土強度的形成機理，為后續透水混凝土的進一步應用提供研究基礎。

1 試 驗

1.1 試驗材料

1) 水泥：采用天鵝牌P·O42.5復合硅酸鹽水泥，安定性合格。

2) 集料：采用哈爾濱當地生產的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 實驗方案

本次試驗的孔隙率設為20%，水膠比設為0.3。本次試驗主要研究硅粉對透水混凝土物理性能和力學性能的影響。本實驗采用等質量替代，即硅粉等質量替代水泥?；炷恋呐浜媳纫姳?。

表1 透水混凝土配合比

1.3 試驗方法

抗壓試驗按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2019)進行，試件為100 mm×100 mm×100 mm立方體，每組3個試件共10組，試件分別在標準室養護7 d、28 d后進行抗壓強度試驗，儀器采用MTS型壓力試驗機進行試驗。有效孔隙率的測定方法采用排水體積法進行。透水系數測定方法則采用常水頭法測試，儀器由研究團隊制作，見圖1。

圖1 自制儀器

2 試驗結果及分析

2.1 硅粉摻量對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，透水混凝土的有效孔隙率最小為19.11%；而當硅粉摻量為10%時，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 硅粉摻量對透水混凝土有效孔隙率的影響

因為硅粉中含有大量球形顆粒SiO2，它們表面光滑、無棱角、性能穩定，在混凝土中產生了“形態效應”，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部孔隙結構得到了調整，使其孔隙率增加。但是當硅粉摻量過大時，透水混凝土拌和物的和易性逐漸降低，拌和物中開始出現“團聚”現象，從而導致透水混凝土有效孔隙率降低。

2.2 硅粉摻量對透水混凝土透水系數的影響

由圖3可見，透水混凝土的透水系數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，透水混凝土的透水系數最小為2.33 mm/s；而當硅粉摻量為10%時，透水混凝土的透水系數最大為3.02 mm/s，與硅粉摻量為0%的透水混凝土相比，透水系數增大22.84%。

圖3 硅粉摻量對透水混凝土透水系數的影響

查閱相關文獻發現，透水系數與有效孔隙率有良好的相關性。因此，透水混凝土的透水系數變化和其有效孔隙率的變化保持一致。

2.3 硅粉摻量對透水混凝土抗壓強度的影響

由圖4可見，透水混凝土7 d的抗壓強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，透水混凝土的7 d、28 d的抗壓強度都是最小，分別為13.5和15.2 MPa；而當硅粉摻量為10%時，透水混凝土的7 d、28 d抗壓強度都是最大，分別為15.2和20.2 MPa，與硅粉摻量為0%的透水混凝土相比，抗壓強度分別增大了18.6%和24.7%。

圖4 硅粉摻量對透水混凝土7 d、28 d抗壓強度的影響

得到以上結果是因為硅粉中含有大量的球形顆粒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構更加緊密，使得透水混凝土試件強度提高。同時，硅粉中含有的SiO2其活性極強，會在試件養護過程中與水泥水化反應生成的Ca(OH)2發生反應生成結構穩定的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有力的連接，使得透水混凝土的抗壓強度得到提高。

但是當硅粉摻量過大時，由于硅粉中的SiO2發生火山灰效應，吸收混凝土中大量水分，導致水泥水化反應不充分，減少Ca(OH)2的生成，從而使C-S-H凝膠產生的數量降低，透水混凝土的抗壓強度也會下降。當試件養護28 d后，試件中的SiO2則會與水泥水化產物中的Ca(OH)2發生二次水化反應，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度有較大增強。

3 結 論

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

2) 本次硅粉透水混凝土試驗的硅粉最優摻量為10%，此時透水混凝土試件7 d抗壓強度為16.6 MPa，28 d抗壓強度為20.2 MPa，透水系數為 3.02 mm/s，有效孔隙率為21.56%。

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