硅粉透水混凝土的强度和抗冻性能研究

丁 琳，郭润麒

(黑龙江大学 建筑工程学院，哈尔滨 150080)

0 引 言

随着我国城市“热岛效应”[1-3]愈发严重，洪涝灾害频繁发生。像透水混凝土这样可以缓解城市内涝、加强地面与空气之间水分和热量交换的新型环保绿色路面材料，也越来越多地出现在人们视野当中。并随着国家“海绵城市”的推进，透水混凝土在城市建设中的应用越来越广泛[4-7]。

目前，透水混凝土在华北、东北地区应用还较少，其中冻融破坏的问题一直困扰着其推广和使用。研究发现，一定量的硅粉可以提高混凝土的强度[8-10]和抗冻性能[11-12]。但混凝土中硅粉掺量也不能过多，若加入过量的硅粉不仅会降低混凝土的强度[13]，对其抗冻性能也有较大的影响[14-15]。如果硅粉能够提升透水混凝土强度和抗冻性能，则可以在寒区工程中更多地去使用透水混凝土。本文将硅粉加入到透水混凝土中,对透水混凝土进行强度试验和冻融循环试验，探究硅粉对透水混凝土的强度和抗冻性的影响。

1 试验概况

1.1 原材料及配合比

水泥：天鹅牌P·O42.5复合硅酸盐水泥。

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

硅粉：超晶牌硅微粉，表面积为1.8×105g/cm2。

水：哈尔滨市自来水厂生产的自来水。

混凝土的配合比见表1。

表1 透水混凝土配合比

1.2 试件制备

根据试验配合比，使用强制混凝土搅拌机进行试验。先将集料和30%的水倒入搅拌机搅拌90 s，使集料充分润湿；再加入硅粉、水泥和剩余70%的水搅拌90 s后进行装模成型；装模采用人工振捣和机械振捣相结合，将混凝土分3次加入到模具中，每次加入使用振捣棒振捣15次，然后将模具放在振动台震动15 s。震动结束后，用塑料薄膜将试件覆盖，降低透水混凝土试件水分散失，24 h后对试件进行脱模并将试件放入标准养护室里进行养护；在试件养护24 d后，将其放入(20±2)℃水中继续浸泡4 d，待浸泡结束将试件取出进行试验。

1.3 试验方法

试验包括抗压强度试验和冻融循环试验。抗压强度试验是用MTS电液伺服万能液压试验机，以0.002 mm/s的恒定速率对100 mm×100 mm×100 mm的混凝土试件进行加载，直至试件破坏，取其峰值强度。冻融循环试验是用CDR-5型快速冻融机，参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)，将100 mm×100 mm×400 mm的混凝土试件放入快速冻融机中，将试件冻结温度设为-20℃，试件融化温度设为5℃，每次冻结融化时间为4h。在冻融循环次数达到25、50、75和100次时，将试件取出，使用京康科瑞非金属超声检测分析仪进行超声波检测。每组分别测量3组试件，取其平均值。

2 实验结果和分析

2.1 透水混凝土抗压强度

从图1可以看出，透水混凝土7d的抗压强度分别增加22%、32%和-1.5%，28d的抗压强度分别增加26%、33%和11%。硅粉的掺入可以明显提升透水混凝土7、28 d的抗压强度，使其抗压强度峰值达到16.6、20.2 MPa。通过试件7、28 d的抗压强度变化，说明掺硅粉可以有效提升透水混凝土强度，但最佳掺量为10%。

图1 混凝土抗压强度与硅粉掺量的关系

分析该现象产生的原因，水泥在水化反应过程中，会在混凝土内部生成Ca(OH)2，而硅粉的化学成分中含有活性SiO2和Al2O3；随着硅粉的加入，硅粉中的SiO2和Al2O3会与混凝土中的Ca(OH)2发生二次水化反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙[16-17]，不仅填充胶凝材料的孔隙，减少了混凝土的孔隙率，还可以降低结晶粗大的氢氧化钙晶体，提高混凝土的强度。但是随着硅粉掺量的增加，硅粉颗粒会包裹水泥颗粒，使水泥的水化反应不充分，抑制了Ca(OH)2的生成，减少了二次水化反应。同时，也会阻碍胶凝材料和骨料之间的黏接，降低混凝土的强度。

2.2 硅粉对质量损失率的影响

由图2可以看出，未掺硅粉的试件在冻融循环开始后质量损失率开始上升，质量损失率为2.2%、3.2%、5.5%和7.6%。加入硅粉的试件在冻融循环达到25次时，则出现了质量增加的现象，硅粉掺量为5%、10%和15%的透水混凝土质量损失率分别为-0.12%、-0.5%和-0.18%。

图2 透水混凝土质量损失率和冻融循环次数的关系

冻融循环次数达到25次，未加入硅粉的透水混凝土中缺乏二次水化反应，混凝土中充斥着大量的氢氧化钙晶体，氢氧化钙晶体结晶粗大、稳定性差、强度低，且结晶粗大的氢氧化钙不能有效填补混凝土内部孔隙。而冻融循环破坏会在冻涨破坏下加剧胶凝材料内部形成细小通道，随着冻融循环次数的增加，透水混凝土试件表面开始出现轻微脱落，当脱落量大于吸水量，透水混凝土试件质量下降。与之相比，加入硅粉的透水混凝土内部发生二次水化反应，减少了氢氧化钙晶体数量，生成了可以有效填补透水混凝土内部孔隙的水化硅酸钙和水化铝酸钙，减少毛细孔数量，透水混凝土的表面脱落量小于吸水量，使得试件质量不减反增。当透水混凝土冻融循环次数超过25次时，试件吸水量达到饱和，但是冻融循环破坏加剧，脱落量增加，质量损失率随之变大。

2.3 硅粉对相对动弹性模量的影响

由图3可以看出，未掺硅粉的透水混凝土相对动弹性模量在冻融循环的过程中一直小于掺入硅粉的透水混凝土，在冻融循环100次后，其相对动弹性模量小于冻融循环破坏要求的60%，达到破坏要求。而掺入硅粉的透水混凝土在冻融循环过程中，均未达到破坏标准。

图3 透水混凝土相对动弹性模量和冻融循环次数的关系

冻融循环在0～50次这一阶段，未掺硅粉的透水混凝土相对动弹性模量降低至78.5%。此时，其质量损失率也较大，表面缝隙增多，脱落量增大，但是由于内部产生孔隙较少，透水混凝土相对动弹性模量下降趋势稍缓。冻融循环在50～100次这一阶段，未掺硅粉的透水混凝土达到破坏标准；随着冻融循环继续进行，透水混凝土内部损伤增多，裂缝数量加多，密实度下降，透水混凝土相对动弹性模量急剧下降。与之相比，掺入硅粉的透水混凝土相对动弹性模量下降趋势较缓。由于透水混凝土中二次水化反应的生成物与骨料形成胶凝物质，透水混凝土内部结构更加密实，降低孔隙率，使透水混凝土相对动弹性模量提高。

3 结 论

1) 硅粉掺入量过大，不仅不能提高透水混凝7 d的抗压强度，还会使透水混凝土7 d抗压强度降低。硅粉的掺入对透水混凝土后期强度改善明显，并能提升其28 d抗压强度。当硅粉掺量为10%时，掺量最优。

2) 在冻融循环的过程中，质量损失率更能反映透水混凝土的外观损伤，相对动弹性模量则更能反映透水混凝土的内部损伤。

3) 适量的硅粉可以有效提高透水混凝土抗冻性能。与其它试件相比，10%掺量的透水混凝土抵抗冻融破坏的能力更强，损坏程度较轻。