硅灰对透水水泥混凝土路面强度影响的研究

李尚辉，富英春

(1.福州外语外贸学院 理工学院，福州 350202；2.中交一公局厦门工程有限公司，福建 厦门 361021)

公园道路、人行道和步行街通常使用彩色透水混凝土路面，这种路面是由胶凝材料、粗骨料、微量或无细骨料、水、外加剂和掺合料按照一定比例拌制而成的一种多孔混凝土.其典型的特点是硬化后孔隙率大、渗透性强，能缓解城市中的“热岛效应”，但是其弊端是强度相对较低[1].因此，如何在保证透水混凝土渗透性的前提下提高其强度具有重要的价值.

大量的学者从透水混凝土的原材料上研究路面强度的影响因素.如孙家瑛等[2]从骨料种类、刘小康等[3]从骨料级配、Chindaprasirt 等[4]从骨料的粒径大小上研究了透水混凝土抗压强度的变化规律；Yahia 等[5]认为骨料的密实度越大，透水混凝土的强度也越大，但渗透性随之下降；Kishore等[6]认为在透水混凝土中加入一定量的细砂有助于提高透水混凝土的抗压和抗折强度，但渗透性有所降低；Torres 等[7]从水泥用量、Sonebi 等[8]从水灰比(W/C)上研究了透水混凝土强度及其变化机理.

虽然改变原材料的配比和种类可以提高混凝土的强度，但是会降低混凝土的透水性.于是，有学者在原材料上添加活性剂来研究混凝土强度问题，如Zerdi 等[9]和Teja 等[10]用粉煤灰，Sata等[11]用高钙粉煤灰和Elango 等[12]用石灰和石膏，李子成等[13]用钢渣与粉煤灰替代部分水泥来配置透水混凝土，均取得了良好的效果.同时，我国每年都有大量的硅灰被排放到大气中，若能对硅灰进行收集并利用在建筑材料中，不仅能够在一定程度上缓解其污染环境以及堆积占用空间等问题，还能够产生良好的经济与社会效益.事实上，Ramadhansyah 等[14]与Yusak 等[15]的研究已经证实了透水混凝土内掺入硅灰将有助于改善路面的物理和化学性能.Yang 等[16]和Chen 等[17]认为硅灰和高效减水剂配合使用可以大幅度提高透水混凝土的强度.Lian 等[18]认为硅灰制备高强透水混凝土时需同时掺入高效减水剂.鉴于此，本文在透水混凝土混合料中掺入不同含量的硅灰，并通过室内试验的方式研究不同硅灰掺量对混凝土强度的影响，同时揭示其强度变化机理，为透水混凝土配合比的优化设计提供参考.

1 原材料

本试验主要原材料为普通硅酸盐水泥、玄武岩碎石、硅灰、聚羧酸高效减水剂、羟丙基甲纤维素醚和拌合用水.

1.1 水泥

由于透水混凝土少用或不用细集料，可将其看作是粗集料颗粒与水泥石胶结而成的多孔堆聚结构.研究混凝土的结构破坏特征可以发现，低强度等级的混凝土水泥石与粗集料的粘结界面往往是混凝土中最薄弱的环节.由于集料的强度多高于混凝土的强度，结构的破坏常常发生在集料界面间的水泥石层中.因此，水泥的活性、品种、用量是决定混凝土强度的关键因素.透水混凝土的强度主要取决于集料之间胶凝材料浆体的强度及其粘结强度，所以应采用强度较高、混合材料掺量较少的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，水泥强度等级最好在42.5 以上，且水泥用量一般为350～500 kg/m3.综上，采用福建省永定闽福建材有限公司生产的闽福P.O 42.5R 普通硅酸盐水泥，水泥性能指标见表1.其各项指标均符合《通用硅酸盐水泥》[19](GB175—2007)要求.

表1 水泥性能指标

1.2 集料

因为透水混凝土中不添加或添加少量的细集料，故粗集料是其主要结构骨架.集料可以采用普通砂和碎石，也可以采用浮石、陶粒等轻集料及废弃建筑物的碎砖、废弃混凝土、废玻璃等.通常集料的粒径不宜过大，细集料含量也不宜太多，一般粗集料约占总体积的70%～80%.集料的粒径大小、表面粗糙度、强度、颗粒形状等决定了混凝土的性能.如形状接近立方体的集料，要比形状为扁平或狭长的集料所配制的透水性混凝土受力特性好；表面粗糙的集料，其粘结面积要比表面光滑的集料大，因此界面粘结强度也较表面光滑的集料大；表面洁净的集料便于水泥浆体的粘结，粘结强度也较大.在成型过程中，新拌混凝土中的集料处于悬浮状态，颗粒之间间隙较大，当新拌混凝土受到外力时，集料发生位移相互挤压从而使集料间距缩小，在此过程中，不同集料表现出不同的性质，使各种集料配制的混凝土具有不同的性能.因此，粗集料对混凝土的力学性能和物理性能有重要的影响.由此，选用的粗集料为玄武岩碎石，其物理性能见表2.

表2 粗集料物理性能指标

按照《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》[20](JGJ52—2006)中对应操作步骤对其进行碎石筛分试验，可得集料的级配组成，见表3.

表3 粗集料的级配组成

为保证粗骨料质量的均匀性和水灰比的准确性，试验前，均将粗骨料过水冲洗并晾晒至干燥状态，并置于封闭容器内直至浇筑时使用.每次使用前依照文献[20]中的操作步骤对粗骨料进行含水率试验，试验结果用于调整对应的配合比.因每次含水率的试验结果均小于0.1%，故配合比无需调整.此外该集料自身强度、颗粒形状、针片状颗粒含量、含泥量性能指标均满足要求.

1.3 硅灰

活性矿物掺合料的种类有多种，如硅灰、磨细矿渣粉、磨细粉煤灰等.硅灰因其比表面积大、活性高，是混凝土理想的活性矿物掺合料.水泥浆体容易形成絮凝结构，会将一部分水包裹在絮团内，掺入硅灰之后会加剧絮凝结构的产生，这不仅起不到微填充作用，反而使凝胶体内部含有更多的孔隙.因此，除了硅灰，通常还会在混合料中添加高效减水剂以发挥硅灰的增强效果.本试验用硅灰的化学组分见表4，其物理性能指标见表5.这些指标均满足《高强高性能混凝土用矿物外加剂》[21](GB/T 18736—2017)要求.

表4 硅灰的化学组分 %

表5 硅灰物理性能指标

1.4 减水剂

采用湖南金华达建材有限公司生产的27%HD-PCA 聚羧酸高性能减水剂.该减水剂分散性好、减水率高，与各种水泥的相容性好，能改善浆体的和易性，从而提高透水混凝土强度.减水剂的性能指标见表6.

表6 HD-PCA 型减水剂性能指标

1.5 纤维素醚

纤维素醚是一类重要的水溶性高分子化合物，是天然纤维素经过碱化、醚化反应而生成的一系列产品的总称.羟丙基甲基纤维素醚(HPMC)为白色粉末，无味无毒，且因其具有较好的保水增稠作用，又易溶于水，所以可以有效地使水泥基聚合物胶凝材料均匀分布和根据需求改善混凝土色度，故可将其添加至减水剂中.本试验采用的HPMC 物理性能指标见表7.

表7 HPMC 性能指标

2 试验方案

本文通过内掺硅灰，研究不同硅灰掺量对高透水性混凝土抗压强度和抗折强度的影响.混合料配合比如下：水胶比为0.27，浆集比为0.45，目标孔隙率为18%，制作了6 组试件并标注为试件1～试件6.这6 组试件对应的硅灰掺量依次为0%，3%，5%，6%，8%和10%，每个试件均掺入0.3%的聚羧酸减水剂来调节水泥浆的流动度，并同时掺入0.03%的HPMC 来改善混凝土的色泽度和保水性.对于抗压强度试验，试件的尺寸规格为Φ150 mm×300 mm 的圆柱体；对于抗折强度试验，试件的尺寸规格为150 mm×150 mm×300 mm 的棱柱体.

3 试验结果

随着硅灰掺量的逐渐提高，透水混凝土7 和28 d 强度试验结果见图1 和图2.

图1 抗压强度变化趋势

图2 抗折强度变化趋势

由图1 和图2 可知，硅灰的掺入对混凝土强度变化有很大的影响，所有掺加硅灰的试件，其强度均高于未掺加硅灰的试件.硅灰掺量不同，对混凝土强度的增强效果也不相同，当硅灰掺量不超过6%时，混凝土抗压强度随硅灰掺量的增加而增加，但是不同阶段的强度增幅不相同.由图1 可知，硅灰掺量在3%～5%范围时混凝土强度增幅最为显著，如7 和28 d 抗压强度增幅分别约达28%和31%，是混凝土强度增幅最大的阶段；当硅灰掺量超过6%时，混凝土强度的变化趋于平缓，甚至呈略微下降趋势.图2 中的抗折强度随硅灰掺量的变化趋势有着类似规律，即硅灰掺量为6%时强度达最大值，且掺量在3%～5%时增幅最显著，其7 和28 d 的抗折强度最大增幅分别约为20%和17%.总体上抗折强度曲线较抗压强度曲线更平缓，这说明相比抗压强度，硅灰对抗折强度的影响相对要小些，抗压强度对硅灰掺量更为敏感.综上，用硅灰替代部分水泥，可以提高混凝土的抗压和抗折强度，且存在一个最佳掺量值.在该最佳掺量下混凝土的抗压和抗折强度最大，其强度曲线呈“山峰”式的变化趋势.产生以上现象的原因是硅灰的掺入改变了水泥石的内部结构和集料与水泥石界面层的微结构.具体来说，硅灰内部的SiO2与水泥发生水化反应，生成了一种较稳定的低碱性C-S-H 胶凝水化物，该胶凝水化物使结构更加密实，孔隙率降低，强度高于水泥水化生成的C-S-H 及Ca(OH)2混合物，也正是由于掺入硅灰时生成的Ca(OH)2含量减小，使得结构的密实度和胶结区强度得到提高，因此透水混凝土强度得以提高；另一方面，对比表1与表5 中水泥和硅灰的比表面积可知，硅灰的比表面积远远大于水泥，其作为微集料填充在胶结料间的空隙以及骨料与胶结料之间的过渡区，改善了胶结料的级配，进而增加了胶结料的致密程度以及过渡区的密实度.当硅灰掺量超过一定值时，混凝土强度降低的主要原因是胶结料周边的自由水被过剩的硅灰包裹或被硅灰微粒置换出水泥颗粒之间的空隙，导致水泥水化反应不充分，最终使混凝土强度下降.

4 透水混凝土优化配比建议

有研究[16-18]表明，硅灰代替部分水泥增大混凝土强度的举措应同时配合使用高效减水剂，其原因是高效减水剂分子具有很强的表面活性作用，它能够打破浆体的絮凝作用，使硅灰的细小颗粒充分分散在浆体中，并填冲水泥凝胶体的毛细孔，从而改善混凝土成型时的和易性，实现硅灰对混凝土性能的增强效果.综上，对于工程实体为彩色透水混凝土面层的结构，如若混凝土基色较深将影响整体上色效果，因此建议考虑混凝土硅灰的掺量为5%，聚羧酸高性能减水剂掺量为0.3%，同时在胶体中掺加0.03%的HPMC，即占外加剂总量约为10%，经过均匀搅拌后运至现场备用.成型的混凝土表面具有金属光泽，见图3.该举措不仅可显著提高彩色混凝土表面亮度，而且可以减少后期混凝土表面保护剂喷涂量.

图3 上色后的透水混凝土效果

在新拌混凝土中添加5%的硅灰和3%的具有保水增粘作用的专用减水剂(在该减水剂中添加约10%的HPMC)，代替市场上参差不齐的高成本添加剂，既保证了施工质量又节约了建筑成本.

5 结论

本文通过在混合料中掺加不同含量的硅粉，并制作不同规格的试件，研究了硅灰对透水混凝土强度的影响，并揭示其强度变化机理.结果表明，透水混凝土内掺入硅灰会提高混合料的强度，总体规律是当硅灰掺量不超过6%时，抗压强度与硅灰掺量正相关；当掺量在3%～5%时，抗压强度增长幅度最大，7 和28 d 抗压强度增幅分别约达28%和31%；当硅灰掺量超过6%时，混凝土强度略微下降.抗折强度随硅灰掺量的变化趋势有着类似的规律，只是抗折强度最大增长幅度较抗压强度低，这表明抗压强度对硅灰掺量更为敏感.当在混合料中掺入一定量的羟丙基甲基纤维素醚时，可在一定程度上改善透水混凝土的光泽度，进而可以减少后期混凝土表面保护剂喷涂量.