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作者机构】 绵阳职业技术学院；四川省非金属复合与功能材料重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地
【来 源】 《新型建筑材料》 2017年第3期P16-19页
【分 类 号】 TU528.2;|TU528.37
【分类导航】 工业技术->建筑科学->建筑材料->非金属材料->混凝土及混凝土制品->轻质混凝土
【关 键 字】 透水混凝土 抗压强度 骨料粒径 硅灰
【摘 要】 研究了硅灰掺量、骨料粒径、骨胶比等参数对透水混凝土的抗压强度、孔隙率和透水系数的影响,确定了高强度透水混凝土的最佳配比。结果表明:骨料粒径为5~10 mm的透水混凝土强度最高;当硅灰掺量达到15%时,透水混凝土的强度最高,相比于对照组的7 d和28 d抗压强度分别提高了32.3%和27.7%,而孔隙率随着硅灰掺量的增加持续降低;随着骨胶比从2.6增大到3.8,透水混凝土的抗压强度逐渐降低,孔隙率和透水系数逐渐升高。
0 引言
透水混凝土具有多孔、轻质、透水、透气的特点，在缓解城市“热岛效应”、吸声降噪、减少雨水引起的地表径流等方面发挥着重要作用，被认为是一种环境友好型材料[1-2]。近年来，国家大力提倡“海绵城市”的建设，为透水混凝土的应用起到了积极的推动作用。根据CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》的规定，透水混凝土路面的透水系数不能低于0.5 mm/s。为了满足透水要求，必须在混凝土内部预留大量孔隙，这使得强度难以提高，制约了透水混凝土的推广应用[3-4]。目前，工程上使用的透水混凝土抗压强度普遍低于30 MPa。本文采用硅灰和复合硅酸盐水泥作为复合胶凝材料，并从骨料粒径、硅灰掺量、骨胶比等方面进行了实验研究，探讨了各因素对透水混凝土性能的影响，确定了高强度透水混凝土的最佳配比。
1 实验
1.1 原材料
（1）硅灰：成都中亚特科技发展有限公司提供，密度2.2 g/cm3，比表面积（BET法）20.3 m2/g，化学成分见表1，SEM照片见图1。
表1 硅灰的化学成分 %
图1 硅灰的SEM照片
（2）水泥：P·C42.5R级，四川双马水泥股份有限公司提供，密度2.96 g/cm3，比表面积361 m2/kg，基本性能指标见表2。
表2 水泥的基本物理力学性能
（3）花岗岩碎石：绵阳市涪城全兴砂石建材厂提供，粒径分别为2.5～5 mm、5～10 mm、10～15 mm，15～20 mm。
（4）聚羧酸减水剂：四川三三科技有限责任公司提供，固含量46%，减水率25%。
（5）胶粉：醋酸乙烯-乙烯共聚物类可再分散乳胶粉，广东龙湖科技股份有限公司提供。
（6）拌合水：自来水。
1.2 实验方法
1.2.1 配合比设计
采用体积法进行配合比设计，并进行试拌，对配合比进行微调，得到如表3所示的基础配比。水灰比按0.23计，减水剂的使用能保证在较低的水灰比下，新拌混凝土具有较好的工作性，而胶粉能改善浆体与骨料的粘结，减水剂和胶粉的掺量均按占胶凝材料的质量计算。采用固定掺量法，在表3的基础上分别改变骨料粒径、硅灰掺量和骨胶比，研究各因素对透水混凝土性能的影响，从而确定高强度透水混凝土的最佳配比。
表3 透水混凝土的基础配比
1.2.2 成型工艺
透水混凝土属于干硬型混凝土，要控制浆体的流动性，以免出现“封底”现象；其强度主要由骨料强度、骨料与胶凝材料的粘结强度和胶凝材料的强度三者共同提供，而骨料与胶凝材料的粘结强度是薄弱环节。因此，在成型的时候要求骨料表面能形成一层均匀的胶凝材料包裹层，并且胶凝材料不宜过于粘稠。
透水混凝土成型工艺为：首先将骨料加30%水搅拌20 s，然后加入水泥、硅灰和胶粉搅拌40 s，最后加入余下的70%水和减水剂再搅拌120 s，装模、振实、找平表面，在标准条件下养护24 h后脱模，然后在标准条件下养护至测试龄期进行性能测试。
1.2.3 测试方法
参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》对透水混凝土进行养护和7 d和28 d抗压强度测试，试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。
透水系数测试方法参照GB/T 25993—2010《透水路面砖和透水路面板》。采用排水法测试孔隙率。
为了研究硅灰的增强机理，按表4所示的配比制备净浆，标准养护7 d后进行XRD和SEM测试。
表4 净浆试件的配比
2 结果与分析
2.1 骨料粒径对强度和孔隙率的影响
在基础配比中改变骨料的粒径，测试透水混凝土的抗压强度和孔隙率，结果如表5所示。
表5 骨料粒径对透水混凝土强度和孔隙率的影响
由表5可见，随着粗骨料粒径的增大，透水混凝土的7 d、28 d抗压强度均呈现出先升高后降低的趋势，骨料粒径为5～10 mm时透水混凝土的抗压强度最高。这是因为，相比于粒径大的骨料，较细的骨料比表面积较大，而胶凝材料的量有限，所以使得骨料表面的包裹层相对较薄，骨料之间的粘结力弱，所以强度较低。而在大粒径骨料的透水混凝土中，虽然骨料表面的包裹层较厚，但骨料之间的接触面积偏小，孔隙率高，难以承受较大的破坏力。随着粗骨料粒径的增大，透水混凝土的孔隙率逐渐升高。综合考虑，优选粒径为5～10 mm的骨料进行后续实验。
2.2 硅灰掺量对强度和孔隙率的影响
硅灰等量取代水泥后，对透水混凝土强度和孔隙率的影响如表6所示。
表6 硅灰掺量对透水混凝土强度和孔隙率的影响
由表6可见，随着硅灰掺量增大，透水混凝土的7 d、28 d抗压强度先提高后降低，当硅灰掺量为15%时抗压强度达到最高，7 d、28 d抗压强度较未掺硅灰的分别提高了32.3%和27.7%。当硅灰掺量超过15%时，强度出现下降趋势。说明内掺硅灰能有效提高透水混凝土的强度，但存在最佳掺量。孔隙率随着硅灰掺量的增加逐渐降低，因为硅灰密度比水泥小，等质量取代水泥后，胶凝材料的体积增大，填充了大量孔隙。
对照组和实验组净浆的XRD图谱如图2所示，SEM照片如图3、图4所示。
图2 对照组和实验组净浆的XRD图谱
从图2可以看出，净浆水化7 d后，对照组中的Ca（OH）2峰明显比实验组高，说明掺入硅灰消耗了体系中的Ca（OH）2。硅灰中含有大量的非晶态活性SiO2，能与水泥水化生成的Ca（OH）2反应生成水化硅酸钙凝胶，即二次水化，从而加强骨料与浆体的粘结力[5-7]。
图3 对照组和实验组净浆的SEM照片（×5000）
图4 对照组和实验组净浆的SEM照片（×20 000）
由图3、图4可以看出，将水泥石放大5000倍后，对照组中出现了少量的絮状水化产物，但分布不均匀；而实验组中的絮状产物较多，分布较均匀。进一步放大到20 000倍后可以观察到，对照组中以团状和粒状产物为主，并且还有少量的纤维状产物；实验组中也存在团状和粒状的水化产物，并且大量的纤维状物质从团状物质中延伸出来，相互搭接，为水泥石提供了足够的强度。从图1的硅灰SEM照片可以看出，硅灰颗粒呈规则的球形，且颗粒尺寸都处于纳米级别，在胶凝材料的水化过程中，硅灰微粒能起到良好的物理填充作用，从而使体系更致密[8]，也对提高强度起到了积极的作用。
2.3 骨胶比对强度、孔隙率和透水系数的影响
骨胶比即骨料与胶凝材料的质量比，骨胶比越大胶凝材料越少，浆体对骨料的包裹层越薄；骨胶比过小，说明胶凝材料的量多，骨料表面的包裹层越厚。骨胶比过大或者过小，都会影响新拌混凝土的均匀性，并且会对孔隙率造成影响，因此选择合适的骨胶比极其重要。固定硅灰掺量15%，研究骨胶比对透水混凝土强度、孔隙率和透水系数的影响，结果如表7所示。
表7 骨胶比对透水混凝土强度、孔隙率和透水系数的影响
由表7可见，随着骨胶比的增大，透水混凝土的7 d、28 d抗压强度逐渐降低、孔隙率升高、透水系数也逐渐增大。当骨胶比较小时，骨料填充在胶凝材料中，透水混凝土的强度主要由胶凝材料提供，所以强度较高，但胶凝材料填充了大量的孔隙，使得孔隙率偏低，透水效果差。而骨胶比太大时，相当于胶凝材料填充在骨料之间，浆体对骨料的包裹差，体系存在较多的孔隙，但同时强度下降也非常明显。综合考虑，确定骨胶比为2.9时，强度较优，并且孔隙率基本满足设计要求，透水系数达到1.3 mm/s。
通过对骨料粒径、硅灰掺量和骨胶比的实验研究，得到了高强度透水混凝土优化配合比见表8，按此配合比制备的透水混凝土28 d抗压强度为37.3 MPa，孔隙率为15.2%，透水系数为1.3 mm/s。
表8 高强度透水混凝土的优化配合比
3 结论
本文研究了骨料粒径、硅灰掺量和骨胶比对透水混凝土强度、孔隙率和透水系数的影响，制备得到了28 d抗压强度为37.3MPa，孔隙率为15.2%，透水系数为1.3 mm/s的高强度透水混凝土。
（1）随着骨料粒径的增大，透水混凝土的孔隙率逐渐增大，强度先提高后降低，骨料粒径为5～10 mm的透水混凝土强度最高。
（2）随着硅灰掺量增大，透水混凝土的7 d、28 d抗压强度先提高后降低，当硅灰掺量为15%时抗压强度达到最高，7 d、28 d抗压强度较未掺硅灰的分别提高了32.3%和27.7%；而孔隙率持续降低。微观分析发现，采用适量硅灰取代水泥后，促进了胶凝材料的二次水化，使水化产物增多，从而提高了透水混凝土的强度。
（3）随着骨胶比从2.6增大到3.8，透水混凝土的抗压强度逐渐降低，孔隙率和透水系数逐渐升高。综合考虑，确定骨胶比为2.9时，强度较优，并且孔隙率基本满足设计要求。
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