硅粉对透水混凝土性能影响的试验研究

袁方正,李治斌,张淼鑫,陈克政

0 引 言

随着我国城市化建设的推进，城市地面硬化率也随之急剧增大。近年来，越来越多的城市在暴雨来临后雨水不能及时排空，从而引发城市内涝[1]，出现“城市看海”的现象。为了解决这个问题，国务院近期印发了《关于推进海绵城市建设的指导意见》，提出综合治理办法，采取了诸如“渗、滞、蓄、净、用、排”等措施，尽最大限度缓解城市化建设对生态环境的影响。

透水混凝土是一种新型环保的绿色路面材料，凭借其多孔、透气、透水等特性，对保护地下水、缓解城市内涝以及降声处噪有显著作用。欧美等国家为了解决城市路面的缺陷，相继开发了透水混凝土。和普通混凝土路面相比[2-5]，透水混凝土路面可以有效解决城市内涝问题，同时也可以较好保护地下水和生态平衡，缓解城市热岛效应，具有较好的环境效益和社会效益[6-7]。硅粉作为掺合料在透水混凝土的领域中得到较好应用[8-11]。混凝土的透水性与其强度成反比，如何既有良好的透水性同时具有较高的强度是目前研究的热点[12-14]。本次试验目的是研究硅粉对透水混凝土物理性能和力学性能的影响，探究硅粉透水混凝土强度的形成机理，为后续透水混凝土的进一步应用提供研究基础。

1 试 验

1.1 试验材料

1) 水泥：采用天鹅牌P·O42.5复合硅酸盐水泥，安定性合格。

2) 集料：采用哈尔滨当地生产的5～10 mm碎石，表观密度为2 720 kg/m3。

3) 硅粉：超晶牌硅微粉，SiO2含量97.18%，表面积为1.8×105 cm2/g。

4) 水：自来水。

1.2 实验方案

本次试验的孔隙率设为20%，水胶比设为0.3。本次试验主要研究硅粉对透水混凝土物理性能和力学性能的影响。本实验采用等质量替代，即硅粉等质量替代水泥。混凝土的配合比见表1。

表1 透水混凝土配合比

1.3 试验方法

抗压试验按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2019)进行，试件为100 mm×100 mm×100 mm立方体，每组3个试件共10组，试件分别在标准室养护7 d、28 d后进行抗压强度试验，仪器采用MTS型压力试验机进行试验。有效孔隙率的测定方法采用排水体积法进行。透水系数测定方法则采用常水头法测试，仪器由研究团队制作，见图1。

图1 自制仪器

2 试验结果及分析

2.1 硅粉掺量对透水混凝土有效孔隙率的影响

由图2可见，透水混凝土的有效孔隙率随着硅粉掺量的增加从19.11%增大至21.56%，之后再减小至20.31%。硅粉掺量为0%时，透水混凝土的有效孔隙率最小为19.11%；而当硅粉掺量为10%时，透水混凝土的有效孔隙率最大为21.56%，与硅粉掺量为0%的透水混凝土相比，有效孔隙率增大11.36%。

图2 硅粉掺量对透水混凝土有效孔隙率的影响

因为硅粉中含有大量球形颗粒SiO2，它们表面光滑、无棱角、性能稳定，在混凝土中产生了“形态效应”，使它们能够在混凝土中起润滑作用，减少混凝土拌和物之间的摩擦阻力，显著改善混凝土拌和料的和易性，并且随着硅粉掺量的增加透水混凝土内部孔隙结构得到了调整，使其孔隙率增加。但是当硅粉掺量过大时，透水混凝土拌和物的和易性逐渐降低，拌和物中开始出现“团聚”现象，从而导致透水混凝土有效孔隙率降低。

2.2 硅粉掺量对透水混凝土透水系数的影响

由图3可见，透水混凝土的透水系数随着硅粉掺量的增加从2.33 mm/s增大至3.02 mm/s，之后再减小至2.45 mm/s。硅粉掺量为0%时，透水混凝土的透水系数最小为2.33 mm/s；而当硅粉掺量为10%时，透水混凝土的透水系数最大为3.02 mm/s，与硅粉掺量为0%的透水混凝土相比，透水系数增大22.84%。

图3 硅粉掺量对透水混凝土透水系数的影响

查阅相关文献发现，透水系数与有效孔隙率有良好的相关性。因此，透水混凝土的透水系数变化和其有效孔隙率的变化保持一致。

2.3 硅粉掺量对透水混凝土抗压强度的影响

由图4可见，透水混凝土7 d的抗压强度随着硅粉掺量的增加从13.5 MPa增大至16.6 MPa，之后再减小至12.6 MPa。28 d抗压强度从15.2 MPa增大至20.2 MPa，之后再减小至16.8 MPa。硅粉掺量为0%时，透水混凝土的7 d、28 d的抗压强度都是最小，分别为13.5和15.2 MPa；而当硅粉掺量为10%时，透水混凝土的7 d、28 d抗压强度都是最大，分别为15.2和20.2 MPa，与硅粉掺量为0%的透水混凝土相比，抗压强度分别增大了18.6%和24.7%。

图4 硅粉掺量对透水混凝土7 d、28 d抗压强度的影响

得到以上结果是因为硅粉中含有大量的球形颗粒SiO2，其粒径比水泥颗粒小很多，掺入到水泥混凝土中，能够填充水泥颗粒的堆积孔隙，可以使透水混凝土试件结构更加紧密，使得透水混凝土试件强度提高。同时，硅粉中含有的SiO2其活性极强，会在试件养护过程中与水泥水化反应生成的Ca(OH)2发生反应生成结构稳定的C-S-H凝胶，这些C-S-H凝胶可以有效填充水泥在水化后的遗留空隙，并在晶体之间形成强有力的连接，使得透水混凝土的抗压强度得到提高。

但是当硅粉掺量过大时，由于硅粉中的SiO2发生火山灰效应，吸收混凝土中大量水分，导致水泥水化反应不充分，减少Ca(OH)2的生成，从而使C-S-H凝胶产生的数量降低，透水混凝土的抗压强度也会下降。当试件养护28 d后，试件中的SiO2则会与水泥水化产物中的Ca(OH)2发生二次水化反应，再次生成较多的C-S-H凝胶，提高了试件中C-S-H凝胶的含量，使透水混凝土的抗压强度有较大增强。

3 结 论

1) 随着硅粉掺量的增加，硅粉透水混凝土的有效孔隙率、透水系数和7 d、28 d抗压强度均先增大后减小。

2) 本次硅粉透水混凝土试验的硅粉最优掺量为10%，此时透水混凝土试件7 d抗压强度为16.6 MPa，28 d抗压强度为20.2 MPa，透水系数为 3.02 mm/s，有效孔隙率为21.56%。

3) 硅粉透水混凝土抗压强度增强的的机理是由于硅粉的形态效应和火山灰效应，其通过与水泥水化反应生成的水化物进行二次水化反应形成C-S-H凝胶，极大地提升了透水混凝土的抗压强度。