硅粉透水混凝土的強度和抗凍性能研究

丁 琳，郭潤麒

(黑龍江大學 建筑工程學院，哈爾濱 150080)

0 引 言

隨著我國城市“熱島效應”[1-3]愈發嚴重，洪澇災害頻繁發生。像透水混凝土這樣可以緩解城市內澇、加強地面與空氣之間水分和熱量交換的新型環保綠色路面材料，也越來越多地出現在人們視野當中。并隨著國家“海綿城市”的推進，透水混凝土在城市建設中的應用越來越廣泛[4-7]。

目前，透水混凝土在華北、東北地區應用還較少，其中凍融破壞的問題一直困擾著其推廣和使用。研究發現，一定量的硅粉可以提高混凝土的強度[8-10]和抗凍性能[11-12]。但混凝土中硅粉摻量也不能過多，若加入過量的硅粉不僅會降低混凝土的強度[13]，對其抗凍性能也有較大的影響[14-15]。如果硅粉能夠提升透水混凝土強度和抗凍性能，則可以在寒區工程中更多地去使用透水混凝土。本文將硅粉加入到透水混凝土中,對透水混凝土進行強度試驗和凍融循環試驗，探究硅粉對透水混凝土的強度和抗凍性的影響。

1 試驗概況

1.1 原材料及配合比

水泥：天鵝牌P·O42.5復合硅酸鹽水泥。

集料：哈爾濱當地生產的5～10 mm碎石，測得其表觀密度為2 720 kg/m3。

硅粉：超晶牌硅微粉，表面積為1.8×105g/cm2。

水：哈爾濱市自來水廠生產的自來水。

混凝土的配合比見表1。

表1 透水混凝土配合比

1.2 試件制備

根據試驗配合比，使用強制混凝土攪拌機進行試驗。先將集料和30%的水倒入攪拌機攪拌90 s，使集料充分潤濕；再加入硅粉、水泥和剩余70%的水攪拌90 s后進行裝模成型；裝模采用人工振搗和機械振搗相結合，將混凝土分3次加入到模具中，每次加入使用振搗棒振搗15次，然后將模具放在振動臺震動15 s。震動結束后，用塑料薄膜將試件覆蓋，降低透水混凝土試件水分散失，24 h后對試件進行脫模并將試件放入標準養護室里進行養護；在試件養護24 d后，將其放入(20±2)℃水中繼續浸泡4 d，待浸泡結束將試件取出進行試驗。

1.3 試驗方法

試驗包括抗壓強度試驗和凍融循環試驗。抗壓強度試驗是用MTS電液伺服萬能液壓試驗機，以0.002 mm/s的恒定速率對100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試件進行加載，直至試件破壞，取其峰值強度。凍融循環試驗是用CDR-5型快速凍融機，參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082-2009)，將100 mm×100 mm×400 mm的混凝土試件放入快速凍融機中，將試件凍結溫度設為-20℃，試件融化溫度設為5℃，每次凍結融化時間為4h。在凍融循環次數達到25、50、75和100次時，將試件取出，使用京康科瑞非金屬超聲檢測分析儀進行超聲波檢測。每組分別測量3組試件，取其平均值。

2 實驗結果和分析

2.1 透水混凝土抗壓強度

從圖1可以看出，透水混凝土7d的抗壓強度分別增加22%、32%和-1.5%，28d的抗壓強度分別增加26%、33%和11%。硅粉的摻入可以明顯提升透水混凝土7、28 d的抗壓強度，使其抗壓強度峰值達到16.6、20.2 MPa。通過試件7、28 d的抗壓強度變化，說明摻硅粉可以有效提升透水混凝土強度，但最佳摻量為10%。

圖1 混凝土抗壓強度與硅粉摻量的關系

分析該現象產生的原因，水泥在水化反應過程中，會在混凝土內部生成Ca(OH)2，而硅粉的化學成分中含有活性SiO2和Al2O3；隨著硅粉的加入，硅粉中的SiO2和Al2O3會與混凝土中的Ca(OH)2發生二次水化反應，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣[16-17]，不僅填充膠凝材料的孔隙，減少了混凝土的孔隙率，還可以降低結晶粗大的氫氧化鈣晶體，提高混凝土的強度。但是隨著硅粉摻量的增加，硅粉顆粒會包裹水泥顆粒，使水泥的水化反應不充分，抑制了Ca(OH)2的生成，減少了二次水化反應。同時，也會阻礙膠凝材料和骨料之間的黏接，降低混凝土的強度。

2.2 硅粉對質量損失率的影響

由圖2可以看出，未摻硅粉的試件在凍融循環開始后質量損失率開始上升，質量損失率為2.2%、3.2%、5.5%和7.6%。加入硅粉的試件在凍融循環達到25次時，則出現了質量增加的現象，硅粉摻量為5%、10%和15%的透水混凝土質量損失率分別為-0.12%、-0.5%和-0.18%。

圖2 透水混凝土質量損失率和凍融循環次數的關系

凍融循環次數達到25次，未加入硅粉的透水混凝土中缺乏二次水化反應，混凝土中充斥著大量的氫氧化鈣晶體，氫氧化鈣晶體結晶粗大、穩定性差、強度低，且結晶粗大的氫氧化鈣不能有效填補混凝土內部孔隙。而凍融循環破壞會在凍漲破壞下加劇膠凝材料內部形成細小通道，隨著凍融循環次數的增加，透水混凝土試件表面開始出現輕微脫落，當脫落量大于吸水量，透水混凝土試件質量下降。與之相比，加入硅粉的透水混凝土內部發生二次水化反應，減少了氫氧化鈣晶體數量，生成了可以有效填補透水混凝土內部孔隙的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，減少毛細孔數量，透水混凝土的表面脫落量小于吸水量，使得試件質量不減反增。當透水混凝土凍融循環次數超過25次時，試件吸水量達到飽和，但是凍融循環破壞加劇，脫落量增加，質量損失率隨之變大。

2.3 硅粉對相對動彈性模量的影響

由圖3可以看出，未摻硅粉的透水混凝土相對動彈性模量在凍融循環的過程中一直小于摻入硅粉的透水混凝土，在凍融循環100次后，其相對動彈性模量小于凍融循環破壞要求的60%，達到破壞要求。而摻入硅粉的透水混凝土在凍融循環過程中，均未達到破壞標準。

圖3 透水混凝土相對動彈性模量和凍融循環次數的關系

凍融循環在0～50次這一階段，未摻硅粉的透水混凝土相對動彈性模量降低至78.5%。此時，其質量損失率也較大，表面縫隙增多，脫落量增大，但是由于內部產生孔隙較少，透水混凝土相對動彈性模量下降趨勢稍緩。凍融循環在50～100次這一階段，未摻硅粉的透水混凝土達到破壞標準；隨著凍融循環繼續進行，透水混凝土內部損傷增多，裂縫數量加多，密實度下降，透水混凝土相對動彈性模量急劇下降。與之相比，摻入硅粉的透水混凝土相對動彈性模量下降趨勢較緩。由于透水混凝土中二次水化反應的生成物與骨料形成膠凝物質，透水混凝土內部結構更加密實，降低孔隙率，使透水混凝土相對動彈性模量提高。

3 結 論

1) 硅粉摻入量過大，不僅不能提高透水混凝7 d的抗壓強度，還會使透水混凝土7 d抗壓強度降低。硅粉的摻入對透水混凝土后期強度改善明顯，并能提升其28 d抗壓強度。當硅粉摻量為10%時，摻量最優。

2) 在凍融循環的過程中，質量損失率更能反映透水混凝土的外觀損傷，相對動彈性模量則更能反映透水混凝土的內部損傷。

3) 適量的硅粉可以有效提高透水混凝土抗凍性能。與其它試件相比，10%摻量的透水混凝土抵抗凍融破壞的能力更強，損壞程度較輕。