硅灰對透水水泥混凝土路面強度影響的研究

李尚輝，富英春

(1.福州外語外貿學院 理工學院，福州 350202；2.中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 361021)

公園道路、人行道和步行街通常使用彩色透水混凝土路面，這種路面是由膠凝材料、粗骨料、微量或無細骨料、水、外加劑和摻合料按照一定比例拌制而成的一種多孔混凝土.其典型的特點是硬化后孔隙率大、滲透性強，能緩解城市中的“熱島效應”，但是其弊端是強度相對較低[1].因此，如何在保證透水混凝土滲透性的前提下提高其強度具有重要的價值.

大量的學者從透水混凝土的原材料上研究路面強度的影響因素.如孫家瑛等[2]從骨料種類、劉小康等[3]從骨料級配、Chindaprasirt 等[4]從骨料的粒徑大小上研究了透水混凝土抗壓強度的變化規律；Yahia 等[5]認為骨料的密實度越大，透水混凝土的強度也越大，但滲透性隨之下降；Kishore等[6]認為在透水混凝土中加入一定量的細砂有助于提高透水混凝土的抗壓和抗折強度，但滲透性有所降低；Torres 等[7]從水泥用量、Sonebi 等[8]從水灰比(W/C)上研究了透水混凝土強度及其變化機理.

雖然改變原材料的配比和種類可以提高混凝土的強度，但是會降低混凝土的透水性.于是，有學者在原材料上添加活性劑來研究混凝土強度問題，如Zerdi 等[9]和Teja 等[10]用粉煤灰，Sata等[11]用高鈣粉煤灰和Elango 等[12]用石灰和石膏，李子成等[13]用鋼渣與粉煤灰替代部分水泥來配置透水混凝土，均取得了良好的效果.同時，我國每年都有大量的硅灰被排放到大氣中，若能對硅灰進行收集并利用在建筑材料中，不僅能夠在一定程度上緩解其污染環境以及堆積占用空間等問題，還能夠產生良好的經濟與社會效益.事實上，Ramadhansyah 等[14]與Yusak 等[15]的研究已經證實了透水混凝土內摻入硅灰將有助于改善路面的物理和化學性能.Yang 等[16]和Chen 等[17]認為硅灰和高效減水劑配合使用可以大幅度提高透水混凝土的強度.Lian 等[18]認為硅灰制備高強透水混凝土時需同時摻入高效減水劑.鑒于此，本文在透水混凝土混合料中摻入不同含量的硅灰，并通過室內試驗的方式研究不同硅灰摻量對混凝土強度的影響，同時揭示其強度變化機理，為透水混凝土配合比的優化設計提供參考.

1 原材料

本試驗主要原材料為普通硅酸鹽水泥、玄武巖碎石、硅灰、聚羧酸高效減水劑、羥丙基甲纖維素醚和拌合用水.

1.1 水泥

由于透水混凝土少用或不用細集料，可將其看作是粗集料顆粒與水泥石膠結而成的多孔堆聚結構.研究混凝土的結構破壞特征可以發現，低強度等級的混凝土水泥石與粗集料的粘結界面往往是混凝土中最薄弱的環節.由于集料的強度多高于混凝土的強度，結構的破壞常常發生在集料界面間的水泥石層中.因此，水泥的活性、品種、用量是決定混凝土強度的關鍵因素.透水混凝土的強度主要取決于集料之間膠凝材料漿體的強度及其粘結強度，所以應采用強度較高、混合材料摻量較少的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，水泥強度等級最好在42.5 以上，且水泥用量一般為350～500 kg/m3.綜上，采用福建省永定閩福建材有限公司生產的閩福P.O 42.5R 普通硅酸鹽水泥，水泥性能指標見表1.其各項指標均符合《通用硅酸鹽水泥》[19](GB175—2007)要求.

表1 水泥性能指標

1.2 集料

因為透水混凝土中不添加或添加少量的細集料，故粗集料是其主要結構骨架.集料可以采用普通砂和碎石，也可以采用浮石、陶粒等輕集料及廢棄建筑物的碎磚、廢棄混凝土、廢玻璃等.通常集料的粒徑不宜過大，細集料含量也不宜太多，一般粗集料約占總體積的70%～80%.集料的粒徑大小、表面粗糙度、強度、顆粒形狀等決定了混凝土的性能.如形狀接近立方體的集料，要比形狀為扁平或狹長的集料所配制的透水性混凝土受力特性好；表面粗糙的集料，其粘結面積要比表面光滑的集料大，因此界面粘結強度也較表面光滑的集料大；表面潔凈的集料便于水泥漿體的粘結，粘結強度也較大.在成型過程中，新拌混凝土中的集料處于懸浮狀態，顆粒之間間隙較大，當新拌混凝土受到外力時，集料發生位移相互擠壓從而使集料間距縮小，在此過程中，不同集料表現出不同的性質，使各種集料配制的混凝土具有不同的性能.因此，粗集料對混凝土的力學性能和物理性能有重要的影響.由此，選用的粗集料為玄武巖碎石，其物理性能見表2.

表2 粗集料物理性能指標

按照《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》[20](JGJ52—2006)中對應操作步驟對其進行碎石篩分試驗，可得集料的級配組成，見表3.

表3 粗集料的級配組成

為保證粗骨料質量的均勻性和水灰比的準確性，試驗前，均將粗骨料過水沖洗并晾曬至干燥狀態，并置于封閉容器內直至澆筑時使用.每次使用前依照文獻[20]中的操作步驟對粗骨料進行含水率試驗，試驗結果用于調整對應的配合比.因每次含水率的試驗結果均小于0.1%，故配合比無需調整.此外該集料自身強度、顆粒形狀、針片狀顆粒含量、含泥量性能指標均滿足要求.

1.3 硅灰

活性礦物摻合料的種類有多種，如硅灰、磨細礦渣粉、磨細粉煤灰等.硅灰因其比表面積大、活性高，是混凝土理想的活性礦物摻合料.水泥漿體容易形成絮凝結構，會將一部分水包裹在絮團內，摻入硅灰之后會加劇絮凝結構的產生，這不僅起不到微填充作用，反而使凝膠體內部含有更多的孔隙.因此，除了硅灰，通常還會在混合料中添加高效減水劑以發揮硅灰的增強效果.本試驗用硅灰的化學組分見表4，其物理性能指標見表5.這些指標均滿足《高強高性能混凝土用礦物外加劑》[21](GB/T 18736—2017)要求.

表4 硅灰的化學組分 %

表5 硅灰物理性能指標

1.4 減水劑

采用湖南金華達建材有限公司生產的27%HD-PCA 聚羧酸高性能減水劑.該減水劑分散性好、減水率高，與各種水泥的相容性好，能改善漿體的和易性，從而提高透水混凝土強度.減水劑的性能指標見表6.

表6 HD-PCA 型減水劑性能指標

1.5 纖維素醚

纖維素醚是一類重要的水溶性高分子化合物，是天然纖維素經過堿化、醚化反應而生成的一系列產品的總稱.羥丙基甲基纖維素醚(HPMC)為白色粉末，無味無毒，且因其具有較好的保水增稠作用，又易溶于水，所以可以有效地使水泥基聚合物膠凝材料均勻分布和根據需求改善混凝土色度，故可將其添加至減水劑中.本試驗采用的HPMC 物理性能指標見表7.

表7 HPMC 性能指標

2 試驗方案

本文通過內摻硅灰，研究不同硅灰摻量對高透水性混凝土抗壓強度和抗折強度的影響.混合料配合比如下：水膠比為0.27，漿集比為0.45，目標孔隙率為18%，制作了6 組試件并標注為試件1～試件6.這6 組試件對應的硅灰摻量依次為0%，3%，5%，6%，8%和10%，每個試件均摻入0.3%的聚羧酸減水劑來調節水泥漿的流動度，并同時摻入0.03%的HPMC 來改善混凝土的色澤度和保水性.對于抗壓強度試驗，試件的尺寸規格為Φ150 mm×300 mm 的圓柱體；對于抗折強度試驗，試件的尺寸規格為150 mm×150 mm×300 mm 的棱柱體.

3 試驗結果

隨著硅灰摻量的逐漸提高，透水混凝土7 和28 d 強度試驗結果見圖1 和圖2.

圖1 抗壓強度變化趨勢

圖2 抗折強度變化趨勢

由圖1 和圖2 可知，硅灰的摻入對混凝土強度變化有很大的影響，所有摻加硅灰的試件，其強度均高于未摻加硅灰的試件.硅灰摻量不同，對混凝土強度的增強效果也不相同，當硅灰摻量不超過6%時，混凝土抗壓強度隨硅灰摻量的增加而增加，但是不同階段的強度增幅不相同.由圖1 可知，硅灰摻量在3%～5%范圍時混凝土強度增幅最為顯著，如7 和28 d 抗壓強度增幅分別約達28%和31%，是混凝土強度增幅最大的階段；當硅灰摻量超過6%時，混凝土強度的變化趨于平緩，甚至呈略微下降趨勢.圖2 中的抗折強度隨硅灰摻量的變化趨勢有著類似規律，即硅灰摻量為6%時強度達最大值，且摻量在3%～5%時增幅最顯著，其7 和28 d 的抗折強度最大增幅分別約為20%和17%.總體上抗折強度曲線較抗壓強度曲線更平緩，這說明相比抗壓強度，硅灰對抗折強度的影響相對要小些，抗壓強度對硅灰摻量更為敏感.綜上，用硅灰替代部分水泥，可以提高混凝土的抗壓和抗折強度，且存在一個最佳摻量值.在該最佳摻量下混凝土的抗壓和抗折強度最大，其強度曲線呈“山峰”式的變化趨勢.產生以上現象的原因是硅灰的摻入改變了水泥石的內部結構和集料與水泥石界面層的微結構.具體來說，硅灰內部的SiO2與水泥發生水化反應，生成了一種較穩定的低堿性C-S-H 膠凝水化物，該膠凝水化物使結構更加密實，孔隙率降低，強度高于水泥水化生成的C-S-H 及Ca(OH)2混合物，也正是由于摻入硅灰時生成的Ca(OH)2含量減小，使得結構的密實度和膠結區強度得到提高，因此透水混凝土強度得以提高；另一方面，對比表1與表5 中水泥和硅灰的比表面積可知，硅灰的比表面積遠遠大于水泥，其作為微集料填充在膠結料間的空隙以及骨料與膠結料之間的過渡區，改善了膠結料的級配，進而增加了膠結料的致密程度以及過渡區的密實度.當硅灰摻量超過一定值時，混凝土強度降低的主要原因是膠結料周邊的自由水被過剩的硅灰包裹或被硅灰微粒置換出水泥顆粒之間的空隙，導致水泥水化反應不充分，最終使混凝土強度下降.

4 透水混凝土優化配比建議

有研究[16-18]表明，硅灰代替部分水泥增大混凝土強度的舉措應同時配合使用高效減水劑，其原因是高效減水劑分子具有很強的表面活性作用，它能夠打破漿體的絮凝作用，使硅灰的細小顆粒充分分散在漿體中，并填沖水泥凝膠體的毛細孔，從而改善混凝土成型時的和易性，實現硅灰對混凝土性能的增強效果.綜上，對于工程實體為彩色透水混凝土面層的結構，如若混凝土基色較深將影響整體上色效果，因此建議考慮混凝土硅灰的摻量為5%，聚羧酸高性能減水劑摻量為0.3%，同時在膠體中摻加0.03%的HPMC，即占外加劑總量約為10%，經過均勻攪拌后運至現場備用.成型的混凝土表面具有金屬光澤，見圖3.該舉措不僅可顯著提高彩色混凝土表面亮度，而且可以減少后期混凝土表面保護劑噴涂量.

圖3 上色后的透水混凝土效果

在新拌混凝土中添加5%的硅灰和3%的具有保水增粘作用的專用減水劑(在該減水劑中添加約10%的HPMC)，代替市場上參差不齊的高成本添加劑，既保證了施工質量又節約了建筑成本.

5 結論

本文通過在混合料中摻加不同含量的硅粉，并制作不同規格的試件，研究了硅灰對透水混凝土強度的影響，并揭示其強度變化機理.結果表明，透水混凝土內摻入硅灰會提高混合料的強度，總體規律是當硅灰摻量不超過6%時，抗壓強度與硅灰摻量正相關；當摻量在3%～5%時，抗壓強度增長幅度最大，7 和28 d 抗壓強度增幅分別約達28%和31%；當硅灰摻量超過6%時，混凝土強度略微下降.抗折強度隨硅灰摻量的變化趨勢有著類似的規律，只是抗折強度最大增長幅度較抗壓強度低，這表明抗壓強度對硅灰摻量更為敏感.當在混合料中摻入一定量的羥丙基甲基纖維素醚時，可在一定程度上改善透水混凝土的光澤度，進而可以減少后期混凝土表面保護劑噴涂量.