硅灰透水混凝土強度性能和凍融耐久性試驗研究

葉穆平，李 威，原寶盛

(1.廣西北部灣投資集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著近年來城市內(nèi)澇的頻發(fā)以及城市熱島效應(yīng)的加劇，海綿城市建設(shè)逐步成為了城市發(fā)展的新方向，越來越受到人們的關(guān)注[1-3]。然而，實際工程應(yīng)用表明，由于透水混凝土典型的大孔隙結(jié)構(gòu)，其強度性能和抗凍耐久性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通混凝土，因此，改善透水混凝土強度和抗凍性成為促進透水混凝土規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵[4]。

硅灰(silica fume，以下簡寫為SF)作為工業(yè)副產(chǎn)品，常被用來作為路面材料的添加劑，特別是在混凝土材料中，由于其含量豐富的SiO2和較大的比表面積，對改善混凝土微觀孔隙結(jié)構(gòu)、提高混凝土宏觀性能具有重要影響[5]。關(guān)于SF在普通混凝土中的應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究[6-9]。結(jié)果表明，SF可以顯著提高混凝土的強度、改善其抗凍性，但是由于需水量的增加，制備SF改性混凝土?xí)r一般都會使用減水劑，導(dǎo)致其收縮性升高、抗裂性下降[10-13]。

然而，SF作為改性材料在透水混凝土中應(yīng)用方面的研究相對較少，透水混凝土本身的強度較低，耐久性較差，基于SF在普通混凝土改性方面的優(yōu)勢，本文將SF作為改性劑，開展SF改性透水混凝土基本力學(xué)性能試驗和凍融循環(huán)試驗，研究了SF摻量對透水混凝土透水率、抗壓強度、彎拉強度和抗凍性的影響，以期制備具有較高力學(xué)性能和耐久性的透水混凝土，本文研究成果對改善透水混凝土性能、促進透水混凝土應(yīng)用具有一定的理論意義和工程價值。

1 試驗配合比及測試方法

1.1 試驗材料

粗骨料采用5～10 mm天然骨料，水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥，所用SF粒徑為100～300 nm，密度為2 231 kg/m3，試驗用水為自來水，各原材料性能指標(biāo)如表1～4所示。

表1 粗骨料性能表

表2 水泥性能表

表3 硅灰性能表

表4 水泥及硅灰化學(xué)組成表

1.2 配合比設(shè)計

按照《透水混凝土路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T135-2009)中的配合比設(shè)計方法進行SF改性透水混凝土設(shè)計，其中取水膠比為0.35，設(shè)計孔隙率為20%。SF采用等體積替代水泥，摻量分別為2%、4%、6%、8%、10%。配合比如表5所示。表中PC2表示SF摻量為2%，其他含義相同。

表5 透水混凝土配合比設(shè)計表(kg/m3)

1.3 試件制備及試驗方法

采用文獻[14]中的方法進行試件制備，其中SF和水泥一起加入并充分?jǐn)嚢?，在實驗室成型兩種試件，邊長為10 cm的立方體試件和10 cm10 cm40 cm的長方體試件。立方體試件用于透水混凝土的抗壓強度試驗、透水性試驗和凍融試驗，長方體試件用于透水混凝土彎拉強度試驗。所有試驗均在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d后開展。透水性能采用透水率表征，透水率通過常水頭透水儀測定，抗壓強度和彎拉強度按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2019)進行，凍融循環(huán)試驗按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082-2009)進行，凍融次數(shù)設(shè)定為20、40、60。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 透水率

各組試件的透水率實驗結(jié)果如表6所示，透水率隨SF摻量的變化如圖1所示。從試驗結(jié)果可以看出，透水率總體上不隨SF摻量的增加發(fā)生變化，說明SF的加入對透水性能沒有影響，這主要是因為SF采用等體積法替代透水混凝土中的水泥，并未對透水混凝土的孔隙率造成影響，因而其透水性能不會改變。

表6 透水率試驗結(jié)果表(cm/s)

圖1 透水率隨SF摻量的變化曲線圖

2.2 抗壓強度

各組試件的抗壓強度試驗結(jié)果如下頁表7所示，抗壓強度隨SF摻量的變化如下頁圖2所示。從試驗結(jié)果可以看出，抗壓強度隨著SF摻量的增加而不斷增加，當(dāng)SF摻量從2%增加到10%時，抗壓強度提高3.5%～21.1%，說明SF的加入有利于提高抗壓強度。同時PC10和PC8的抗壓強度基本相同，說明SF的最佳摻量范圍為8%～10%。SF對透水混凝土抗壓強度的改善主要是因為SF含有豐富的SiO2，與水泥水化產(chǎn)物能夠發(fā)生反應(yīng)，其產(chǎn)物可以提高膠凝材料的強度，另外，SF可以改善混凝土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，進而提高其強度。

表7 抗壓強度試驗結(jié)果表(MPa)

圖2 抗壓強度隨SF摻量的變化曲線圖

2.3 彎拉強度

各組試件的彎拉強度試驗結(jié)果如表8所示，彎拉強度隨SF摻量的變化如圖3所示。可以看出，隨著SF摻量的增加，透水混凝土彎拉強度逐漸提高，當(dāng)SF摻量從2%增加到10%時，彎拉強度從3.93 MPa增加到4.46 MPa，彎拉強度提高13.5%，隨摻量的增加，彎拉強度增速逐漸放緩。

表8 彎拉強度試驗結(jié)果表(MPa)

圖3 彎拉強度隨SF摻量的變化曲線圖

2.4 抗凍性

各組試件的抗凍性試驗結(jié)果如表9所示，抗壓強度損失率隨SF摻量和凍融循環(huán)次數(shù)的變化如圖4和圖5所示。由圖4可以看出，不同凍融循環(huán)次數(shù)下，隨著SF摻量的增加，透水混凝土抗壓強度損失率逐漸降低，表明SF改善了透水混凝土的抗凍性。由圖5可以看出，不同SF摻量下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，透水混凝土抗壓強度損失率逐漸升高，表明隨著凍融次數(shù)的增加，透水混凝土的抗凍性逐漸降低。當(dāng)SF摻量從0%增加到10%時，凍融后強度損失率分別下降69%、58%和42%。

表9 凍融試驗結(jié)果表

圖4 不同SF摻量下抗壓強度損失率圖

圖5 不同凍融循環(huán)次數(shù)下抗壓強度損失率圖

3 結(jié)語

(1)采用等體積法制備的SF透水混凝土，其透水性能基本不受SF摻量的影響。

(2)透水混凝土的抗壓強度和彎拉強度隨SF摻量的增加而逐漸提高，8%和10%摻量時，抗壓強度和彎拉強度分別提高21.1%和13.5%，表明SF有利于提高透水混凝土的強度特性。

(3)當(dāng)SF摻量為10%時，不同凍融次數(shù)下抗壓強度損失率分別下降近40%～70%，表明SF對改善透水混凝土的抗凍性具有顯著效果。