劉 建，楊建永，張?jiān)ｏ@，王 婕

（江西理工大學(xué)土木與測(cè)繪工程學(xué)院，江西贛州 341000）

中國南方大部分地區(qū)以熱帶亞熱帶季風(fēng)氣候?yàn)橹?，夏季時(shí)具有高溫多雨、降水量大、雨季時(shí)間長(zhǎng)等氣候特征。而目前城市道路路面主要是普通混凝土或?yàn)r青混凝土。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速發(fā)展，許多自然透水的路面變成了不透水的硬化路面，大量的城市內(nèi)澇，行車噪聲和熱島現(xiàn)象正在日益影響人們的正常生活。在海綿城市建設(shè)的大背景下，誕生了具有一定力學(xué)強(qiáng)度且透水性高的透水混凝土。透水混凝土優(yōu)點(diǎn)雖多，但本身缺點(diǎn)亦不少，由于透水混凝土內(nèi)部空隙多，導(dǎo)致其強(qiáng)度底、透水性不佳等問題出現(xiàn)。近年來，納米SiO2逐漸在多個(gè)領(lǐng)域獲得應(yīng)用［1］，納米SiO2不僅能將水泥空隙填滿，還能夠促進(jìn)水泥水化作用并與氫氧化鈣反應(yīng)形成類C-S-H 凝膠狀物質(zhì)，使水泥漿體更加致密，以提高其在實(shí)際應(yīng)用中的強(qiáng)度［2-5］。目前，礦物摻和料應(yīng)用在透水混凝土中的研究還比較少，如能從宏觀和微觀視角深入研究粉煤灰、硅灰和納米SiO2部分取代水泥對(duì)透水混凝土力學(xué)性能的影響，可為以后相關(guān)研究提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：采用江西錦溪塑料制品有限公司生產(chǎn)的P·O42.5 水泥；粗骨料：使用本地產(chǎn)5～10 mm 碎石，其表觀密度為2 718 kg/m3，堆積密度為1 483 kg/m3；摻和料：細(xì)度模數(shù)為45 μm 的Ⅱ級(jí)粉煤灰；硅灰平均粒徑0.1～0.3 μm；納米SiO2采用泰鵬金屬材料有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，性能參數(shù)見表1；外加劑：FDN-C 萘系高效減水劑；水：普通自然水。

表1 納米SiO2性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

按《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019）進(jìn)行；透水混凝土配合比設(shè)計(jì)參照規(guī)范《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T135—2009）；掃描電鏡：美國FEI 公司生產(chǎn)的MLA650F型掃描電子顯微鏡。

1.2.2 透水系數(shù)的測(cè)定

參照規(guī)范《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 135—2009），透水系數(shù)的計(jì)算公式為

式中：k為試樣的透水系數(shù)，mm/s；Q為時(shí)間t內(nèi)滲出的水量，mL；A為試塊的透水面面積，mm2；t為時(shí)間，s。

1.2.3 有效孔隙率測(cè)試

孔隙率測(cè)試公式為

式中：P為孔隙率；m1為試塊在水中的質(zhì)量，g；m2為試塊在烘箱中烘24 h 后的質(zhì)量，g；V為試塊的體積，m3。

養(yǎng)護(hù)28 d 后的透水混凝土試件如圖1 所示；透水混凝土的抗折試驗(yàn)如圖2 所示。

圖1 養(yǎng)護(hù)28 d 后的透水混凝土試件

圖2 透水混凝土的抗折試驗(yàn)

1.3 試驗(yàn)配合比

透水混凝土的配合比見表2。

表2 試驗(yàn)配合比及結(jié)果

2 結(jié)果與分析

2.1 單摻粉煤灰對(duì)透水混凝土力學(xué)性能的影響

在保持設(shè)計(jì)孔隙率、水膠比、骨料和減水劑用量都不變的條件下，分析不同摻量（10%、20%、30%）粉煤灰對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響。由表2 和圖3 可知，隨著粉煤灰的摻入，透水混凝土透水系數(shù)先升高后呈現(xiàn)略下降趨勢(shì)，但變化并不大。摻粉煤灰的透水混凝土28 d 抗壓、抗折強(qiáng)度均比基準(zhǔn)對(duì)照組高，且當(dāng)粉煤灰摻量為20%時(shí)強(qiáng)度最高，其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別達(dá)到29.6 MPa 和4.6 MPa；這說明在不影響滲透系數(shù)前提下，適量摻入粉煤灰可以在一定程度上改善提高透水混凝土的力學(xué)性能。

圖3 粉煤灰摻量對(duì)透水混凝土的影響

2.2 單摻硅灰對(duì)透水混凝土力學(xué)性能的影響

在保持設(shè)計(jì)孔隙率、水膠比、骨料和減水劑用量都不變的條件下，分析了不同摻量（2%、5%、8%）硅灰對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響。由表2 和圖4 可知，摻入硅灰后，透水混凝土的透水系數(shù)先下降后上升且與孔隙率有很好的相關(guān)性，滿足應(yīng)用要求；隨著硅灰摻量在2%～8%的范圍內(nèi)逐漸增加，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度先增大后減小，28 d 抗折強(qiáng)度一直增大，總體上抗壓、抗折強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)組混凝土，其中5%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值27.8 MPa，硅粉的比表面積很大，是一種火山灰效應(yīng)極強(qiáng)的添加劑，當(dāng)硅粉和混凝土攪拌時(shí)，它可以與水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生二次水化反應(yīng)［6］，反應(yīng)形成的膠凝產(chǎn)物填充了水泥石結(jié)構(gòu)，可以很好地改善漿體與骨料的界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)。

圖4 硅灰摻量對(duì)透水混凝土的影響

2.3 單摻納米SiO2對(duì)透水混凝土力學(xué)性能的影響

在保持設(shè)計(jì)孔隙率、水膠比、骨料和減水劑用量都不變的條件下，分析了不同摻量（0.5%、1%、2%）納米SiO2對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響。由表2 和圖5 可知，納米SiO2能小幅度提高透水混凝土的連通孔隙率和透水系數(shù)，推測(cè)的原因可能是納米SiO2對(duì)漿體包裹性的改善，促進(jìn)了漿體在透水混凝土豎直方向的均勻分布［7］。納米SiO2的摻量在0.5%～2% 的范圍內(nèi)，透水混凝土28 d 抗壓、抗折強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)對(duì)照組，且隨著摻量的增加抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度先增大后減小。當(dāng)納米SiO2摻量為1%時(shí)抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到最大值31.7 MPa；抗折強(qiáng)度也達(dá)到最大值5.0 MPa。

圖5 納米SiO2摻量對(duì)透水混凝土的影響

2.4 復(fù)摻摻和料對(duì)透水混凝土力學(xué)性能的影響

在保持設(shè)計(jì)孔隙率、水膠比、骨料和減水劑用量都不變的條件下，取兩組粉煤灰、硅灰和納米SiO2復(fù)摻的透水混凝土進(jìn)行28 d 抗壓和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果從表2 中可以得到，復(fù)摻組的抗壓、抗折強(qiáng)度都較基準(zhǔn)組有了很大提高并且滲透系數(shù)和孔隙率略微偏大，說明在透水混凝土中復(fù)摻一定比例的礦物摻和料替代水泥是可行的，其中10%的粉煤灰、8%的硅灰和2%的納米SiO2取代水泥復(fù)摻后效果最好，抗壓強(qiáng)度能達(dá)到30.1 MPa、抗折強(qiáng)度達(dá)到4.8 MPa。

2.5 微觀機(jī)理分析

從表2 試驗(yàn)結(jié)果分析可以得出，3 種礦物摻和料對(duì)透水混凝土的28 d 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度貢獻(xiàn)程度為納米SiO2＞粉煤灰＞硅灰。主要因?yàn)檫@3 種摻和料的微觀形貌、火山灰活性及細(xì)度不一致，這就導(dǎo)致宏觀力學(xué)性能有所差異。對(duì)比圖6 和圖7 可以觀察到，基準(zhǔn)組透水混凝土水化程度較低，內(nèi)部結(jié)構(gòu)孔隙大且中間存在微米級(jí)縫隙，還可以看到對(duì)強(qiáng)度不利的較大的Ca（OH）2晶體和較多的鈣礬石晶體結(jié)構(gòu)；單摻1%納米SiO2后Ca（OH）2大晶體的數(shù)量減少，大孔隙較少，孔徑基本都很小，這是因?yàn)榧{米SiO2是由納米級(jí)顆粒組成，納米SiO2的成核作用及火山灰活性，能夠促進(jìn)水泥水化并與Ca（OH）2反應(yīng)生成類C-S-H 凝膠物質(zhì)，提高透水混凝土的密實(shí)度，使水泥漿體進(jìn)一步密實(shí)［8］，所以其宏觀力學(xué)強(qiáng)度會(huì)最高。

圖6 基準(zhǔn)組28 d 試塊SEM 圖

圖7 摻1%納米SiO228 d 試塊SEM 圖

從圖8 和圖9 中可以觀察到，在10%粉煤灰摻量的透水混凝土中空間結(jié)構(gòu)較疏松，孔隙也較大，晶粒周圍有少量絮狀凝膠產(chǎn)物，這主要因?yàn)榱叫〉姆勖夯冶砻娴幕钚怨枧c水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2早期反應(yīng)時(shí)，單摻粉煤灰混凝土中粉煤灰活性并未完全激發(fā)［9］，生成的凝膠產(chǎn)物量也較少，填充孔隙的效果受到限制，但后期粉煤灰的水化消耗大量的Ca（OH）2，水泥水化產(chǎn)生的大量Ca（OH）2都被消耗掉，基本找不到Ca（OH）2晶體，整體結(jié)構(gòu)較致密。這種細(xì)微結(jié)構(gòu)上的差異導(dǎo)致了單摻粉煤灰的28 d 力學(xué)強(qiáng)度要高于單摻硅灰；單摻5%硅灰后膠結(jié)層結(jié)構(gòu)變得比較密實(shí)，孔洞減少，Ca（OH）2大晶體的數(shù)量也減少很多，這是因?yàn)楣璺鄣幕鹕交一钚院芨?，它不僅能在早期階段促進(jìn)硅酸三鈣（3Ca O·Si O2）水化，而且還能吸收水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2，同時(shí)產(chǎn)生了許多C-S-H 凝膠，持續(xù)填充鈣釩石晶體間的微觀孔隙，提高材料的微觀結(jié)構(gòu)的致密性，提高了界面過渡區(qū)的黏結(jié)力，并改善了宏觀性能［10-12］。

圖8 摻10%粉煤灰28 d 試塊SEM 圖

圖9 摻5%硅灰28 d 試塊SEM 圖

試驗(yàn)結(jié)果顯示，三者復(fù)摻的試塊28 d 力學(xué)強(qiáng)度均高于三者單摻時(shí)的力學(xué)強(qiáng)度。從圖10 中看出，復(fù)摻10%粉煤灰、8%硅灰、2%納米SiO2時(shí)透水混凝土孔結(jié)構(gòu)較均勻，大的孔隙和裂紋較少，孔隙比單摻粉煤灰、硅灰要少很多，致密程度更高，主要是由于復(fù)合礦物摻和料存在超疊加效應(yīng)，能很好地填充密實(shí)硬化漿體結(jié)構(gòu)，該結(jié)果與高英力等［13］研究的納米SiO2、硅灰與粉煤灰形成的三元多尺度堆積體系能優(yōu)化粉體材料在混凝土中的微集料密實(shí)填充效應(yīng)結(jié)論相一致，透水混凝土的宏觀力學(xué)性能得到明顯改善。

圖10 摻10%粉煤灰+8%硅灰+2%納米SiO228 d 試塊SEM 圖

3 結(jié)論

1）在不影響透水混凝土滲透系數(shù)的前提下，3 種礦物摻合料對(duì)透水混凝土的28 d 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度貢獻(xiàn)程度為納米SiO2＞粉煤灰＞硅灰。

2）復(fù)摻粉煤灰（10%）、硅灰（8%）和納米SiO2（2%）的28 d 力學(xué)強(qiáng)度均高于3 種礦物摻和料單摻時(shí)的力學(xué)強(qiáng)度，且其滲透系數(shù)和孔隙率較基準(zhǔn)組有略微提高。

2）通過對(duì)比透水混凝土樣品的SEM 圖可以得出，Ca（OH）2大晶體數(shù)量少、水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)密實(shí)、孔隙較小的微觀結(jié)構(gòu)有利于增強(qiáng)透水混凝土的28 d 的力學(xué)強(qiáng)度，復(fù)摻粉煤灰、硅灰與納米SiO2存在超疊加效應(yīng)，能很好地填充密實(shí)硬化漿體結(jié)構(gòu)，明顯改善透水混凝土的力學(xué)性能。