硅灰透水混凝土强度性能和冻融耐久性试验研究

叶穆平，李 威，原宝盛

(1.广西北部湾投资集团有限公司，广西 南宁 530029；2.广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

随着近年来城市内涝的频发以及城市热岛效应的加剧，海绵城市建设逐步成为了城市发展的新方向，越来越受到人们的关注[1-3]。然而，实际工程应用表明，由于透水混凝土典型的大孔隙结构，其强度性能和抗冻耐久性远远低于普通混凝土，因此，改善透水混凝土强度和抗冻性成为促进透水混凝土规模化应用的关键[4]。

硅灰(silica fume，以下简写为SF)作为工业副产品，常被用来作为路面材料的添加剂，特别是在混凝土材料中，由于其含量丰富的SiO2和较大的比表面积，对改善混凝土微观孔隙结构、提高混凝土宏观性能具有重要影响[5]。关于SF在普通混凝土中的应用，国内外学者开展了大量研究[6-9]。结果表明，SF可以显著提高混凝土的强度、改善其抗冻性，但是由于需水量的增加，制备SF改性混凝土时一般都会使用减水剂，导致其收缩性升高、抗裂性下降[10-13]。

然而，SF作为改性材料在透水混凝土中应用方面的研究相对较少，透水混凝土本身的强度较低，耐久性较差，基于SF在普通混凝土改性方面的优势，本文将SF作为改性剂，开展SF改性透水混凝土基本力学性能试验和冻融循环试验，研究了SF掺量对透水混凝土透水率、抗压强度、弯拉强度和抗冻性的影响，以期制备具有较高力学性能和耐久性的透水混凝土，本文研究成果对改善透水混凝土性能、促进透水混凝土应用具有一定的理论意义和工程价值。

1 试验配合比及测试方法

1.1 试验材料

粗骨料采用5～10 mm天然骨料，水泥为42.5级普通硅酸盐水泥，所用SF粒径为100～300 nm，密度为2 231 kg/m3，试验用水为自来水，各原材料性能指标如表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 水泥及硅灰化学组成表

1.2 配合比设计

按照《透水混凝土路面技术规程》(CJJ/T135-2009)中的配合比设计方法进行SF改性透水混凝土设计，其中取水胶比为0.35，设计孔隙率为20%。SF采用等体积替代水泥，掺量分别为2%、4%、6%、8%、10%。配合比如表5所示。表中PC2表示SF掺量为2%，其他含义相同。

表5 透水混凝土配合比设计表(kg/m3)

1.3 试件制备及试验方法

采用文献[14]中的方法进行试件制备，其中SF和水泥一起加入并充分搅拌，在实验室成型两种试件，边长为10 cm的立方体试件和10 cm10 cm40 cm的长方体试件。立方体试件用于透水混凝土的抗压强度试验、透水性试验和冻融试验，长方体试件用于透水混凝土弯拉强度试验。所有试验均在标准养护28 d后开展。透水性能采用透水率表征，透水率通过常水头透水仪测定，抗压强度和弯拉强度按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2019)进行，冻融循环试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)进行，冻融次数设定为20、40、60。

2 试验结果分析

2.1 透水率

各组试件的透水率实验结果如表6所示，透水率随SF掺量的变化如图1所示。从试验结果可以看出，透水率总体上不随SF掺量的增加发生变化，说明SF的加入对透水性能没有影响，这主要是因为SF采用等体积法替代透水混凝土中的水泥，并未对透水混凝土的孔隙率造成影响，因而其透水性能不会改变。

表6 透水率试验结果表(cm/s)

图1 透水率随SF掺量的变化曲线图

2.2 抗压强度

各组试件的抗压强度试验结果如下页表7所示，抗压强度随SF掺量的变化如下页图2所示。从试验结果可以看出，抗压强度随着SF掺量的增加而不断增加，当SF掺量从2%增加到10%时，抗压强度提高3.5%～21.1%，说明SF的加入有利于提高抗压强度。同时PC10和PC8的抗压强度基本相同，说明SF的最佳掺量范围为8%～10%。SF对透水混凝土抗压强度的改善主要是因为SF含有丰富的SiO2，与水泥水化产物能够发生反应，其产物可以提高胶凝材料的强度，另外，SF可以改善混凝土的微观孔隙结构，进而提高其强度。

表7 抗压强度试验结果表(MPa)

图2 抗压强度随SF掺量的变化曲线图

2.3 弯拉强度

各组试件的弯拉强度试验结果如表8所示，弯拉强度随SF掺量的变化如图3所示。可以看出，随着SF掺量的增加，透水混凝土弯拉强度逐渐提高，当SF掺量从2%增加到10%时，弯拉强度从3.93 MPa增加到4.46 MPa，弯拉强度提高13.5%，随掺量的增加，弯拉强度增速逐渐放缓。

表8 弯拉强度试验结果表(MPa)

图3 弯拉强度随SF掺量的变化曲线图

2.4 抗冻性

各组试件的抗冻性试验结果如表9所示，抗压强度损失率随SF掺量和冻融循环次数的变化如图4和图5所示。由图4可以看出，不同冻融循环次数下，随着SF掺量的增加，透水混凝土抗压强度损失率逐渐降低，表明SF改善了透水混凝土的抗冻性。由图5可以看出，不同SF掺量下，随着冻融循环次数的增加，透水混凝土抗压强度损失率逐渐升高，表明随着冻融次数的增加，透水混凝土的抗冻性逐渐降低。当SF掺量从0%增加到10%时，冻融后强度损失率分别下降69%、58%和42%。

表9 冻融试验结果表

图4 不同SF掺量下抗压强度损失率图

图5 不同冻融循环次数下抗压强度损失率图

3 结语

(1)采用等体积法制备的SF透水混凝土，其透水性能基本不受SF掺量的影响。

(2)透水混凝土的抗压强度和弯拉强度随SF掺量的增加而逐渐提高，8%和10%掺量时，抗压强度和弯拉强度分别提高21.1%和13.5%，表明SF有利于提高透水混凝土的强度特性。

(3)当SF掺量为10%时，不同冻融次数下抗压强度损失率分别下降近40%～70%，表明SF对改善透水混凝土的抗冻性具有显著效果。