李崇智，牛振山，吳慧華，曹瑩瑩

（北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京 100044）

0 引言

混凝土的普及，使得城市排水不暢、“熱島效應(yīng)”明顯以及地下水資源被破壞等問題，嚴(yán)重的影響著人與自然的和諧發(fā)展[1-3]。透水混凝土的發(fā)明應(yīng)用使得這些問題得到了有效解決。隨著“海綿城市”理念不斷的深入人心，透水混凝土的需求量與日俱增[4-5]。透水混凝土是由骨料和膠凝材料粘結(jié)而行成的骨架—空隙結(jié)構(gòu)，具有良好的透水性和透氣性[6]。較高的孔隙率，使得透水混凝土的力學(xué)性能較差，骨料與膠凝材料連接的位置是其最薄弱的部位。透水混凝土在現(xiàn)實(shí)運(yùn)用中，不單要強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，并且要具備充足的耐久性。大量的連通空隙，使得有害物質(zhì)容易進(jìn)入到透水混凝土內(nèi)部，分解水泥石結(jié)構(gòu)，混凝土的強(qiáng)度和耐久性很難得到保障[7-9]。其力學(xué)性能比常規(guī)混凝土強(qiáng)度更低，抗化學(xué)腐蝕的能力更差。同時(shí)，透水混凝土屬于干硬混凝土，拌制過程當(dāng)中無細(xì)骨料的“珠滾”效應(yīng)，骨料間摩擦力大，因此工作性能差，不便施工。這些致使透水混凝土推廣受阻。如何能使透水混凝土具有良好透水和透氣性能的同時(shí)，仍然具有較高的強(qiáng)度，并且可以滿足耐久性的要求，成為當(dāng)今迫切需要解決的問題[10-11]。

針對上述透水混凝土的問題，配制出納米 SiO2復(fù)合改性劑（NSCM），其主要是由聚羧酸減水劑、苯丙乳液、納米二氧化硅水性漿料、緩凝劑等組分構(gòu)成。通過工作性、力學(xué)性、抗化學(xué)腐蝕和透水性試驗(yàn)，研究NSCM 對透水混凝土性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：水泥采用金隅 P·O42.5 水泥。

水：飲用自來水。

粗骨料：石灰?guī)r碎石，粒徑為 5～10mm。

納米二氧化硅水性漿料：北京德科島金科技的 JLSiO2-J15，含量為 30% 的透明狀液體。

納米 SiO2復(fù)合改性劑（NSCM）復(fù)配比例為：減水組分 A : 緩凝組分 B : 苯丙乳液 C : 納米二氧化硅水性漿料 : 水玻璃 = 1:1.69:3.23:2.85:1.15。該改性劑呈乳白色，略有刺激性氣味，其基本物理性能見表 1。

表 1 NSCM 的基本物理性能

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 混凝土試塊的制備

按照表 2 配制目標(biāo)孔隙率為 15%、20% 和 25% 的透水混凝土，使用 40mm×40mm×160mm 尺寸的模具，24 小時(shí)后脫模，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)?？瞻捉M配合比見表 2，NSCM 的摻量見表 3。

表 2 透水混凝土基準(zhǔn)配合比 kg/m3

表 3 復(fù)摻 NSCM 的配合比

1.2.2 工作性能

參照 GB/T 8077—2000《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》，采用透水混凝土相同的水膠比，配制水泥凈漿，進(jìn)行流動(dòng)度試驗(yàn)。

1.2.3 力學(xué)性能

由于國內(nèi)目前沒有透水混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，本文采用尺寸為 40mm×40mm×160mm的透水混凝土試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至 3d、7d 和 28d 時(shí)進(jìn)行抗壓、抗折試驗(yàn)。

1.2.4 抗化學(xué)侵蝕性能測試

參照 GB /T 50082—2009，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3% 的HCl 溶液、3% 的 NaOH 溶液和 5% 的 Na2SO4溶液。將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 28d 的透水混凝土試塊浸泡在溶液中，7d 后測得各組試塊的質(zhì)量變化。

1.2.5 透水性能

參照 CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》，將尺寸為 70.7mm×70.7mm×70.7mm 試快標(biāo)養(yǎng)至 28d，用石蠟將其四周均勻密封涂刷，放入管槽中，進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)公式 (1)，計(jì)算各組透水系數(shù)。

其中：KT——透水系數(shù)，mm/s；

t——試驗(yàn)時(shí)間，s；

Q——透水量，mm3；

L——厚度，mm；

A——觸水面積，mm2；

H——水位差，mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 NSCM 摻量對不同孔隙率透水混凝土工作性能的影響

工作性能對透水混凝土的應(yīng)用推廣以及工程質(zhì)量的保證有著重大的關(guān)系。長安大學(xué)盛燕萍等人[12]提出了富余漿量試驗(yàn)方法對其評價(jià)。青島理工大學(xué)顧曉帆[13]在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，研究認(rèn)為，當(dāng)水泥凈漿的流動(dòng)度為 240mm 時(shí)，膠凝材料可以充分地包裹骨料的表面，形成均勻且泛有金屬光澤的包裹層。

圖 1 為固定 0.32 的水膠比，不同用量的 NSCM 對流動(dòng)度的影響曲線。NSCM 摻量越大，流動(dòng)度改善越顯著。摻量為 2% 時(shí)，流動(dòng)度為 241mm，最為接近240mm。過小的流動(dòng)度使得水泥漿無足夠延展性，難以形成勻質(zhì)的包裹層；過大，透水混凝土在拌制過程中，漿體下沉，骨料析出，從而降低其力學(xué)性能和透水率。NSCM 摻量為 2%，可以拌制出效果最好的透水混凝土。

2.2 NSCM 摻量對不同孔隙率透水混凝土力學(xué)性能的影響

圖 1 NSCM 不同摻量對水泥凈漿流動(dòng)度的影響

不同孔隙率的透水混凝土在不同時(shí)長標(biāo)養(yǎng)下的抗壓和抗折強(qiáng)度結(jié)果見表 4 和圖 2～4。結(jié)果顯示：當(dāng)透水混凝土孔隙率為 15% 時(shí)，NSCM 摻量為 2% 的 A-TS2組，其抗壓強(qiáng)度，7d 比 3d 提高了 14.69%；空白試驗(yàn)組的抗壓強(qiáng)度，7d 比 3d 提升了 6.2%。且 A-TS2 組 28d抗壓強(qiáng)度比空白試驗(yàn)組提升了 36.11%，抗折強(qiáng)度提升了 82.93%。其對抗折強(qiáng)度的提高程度要優(yōu)于抗壓強(qiáng)度。當(dāng) NSCM 摻量都為 2% 時(shí)，孔隙率為 15%、20%和 25% 的透水混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度比空白組分別提升了 36.11%、38.95% 和 57.84%。NSCM 對大孔隙率透水混凝土的力學(xué)性能有更大幅度的提升。這是因?yàn)?NSCM中有納米 SiO2，可以很好地發(fā)揮火山灰效應(yīng)、微集料填充效應(yīng)和晶核效應(yīng)。納米 SiO2顆粒極細(xì)，可以很好地嵌填入水泥石孔隙內(nèi)部，增加凝膠體的密實(shí)度。并且，納米 SiO2有很高的火山灰活性，可以在水化早期和剛生成的水化產(chǎn)物 Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，相比較首次水化，二次水化反應(yīng)生成絮狀物相互搭接、結(jié)構(gòu)更加致密的水化硅酸鈣凝膠。同時(shí)，可以對初次水化生成的Ca(OH)2具有細(xì)化作用，提升了水泥石和骨料之間的粘結(jié)強(qiáng)度，提升了穩(wěn)定性。因此，NSCM 可以顯著地提升不同孔隙率下透水混凝土的力學(xué)性能，且抗折強(qiáng)度的改善效果要高于抗壓強(qiáng)度。

表 4 不同養(yǎng)護(hù)齡期的強(qiáng)度

2.3 NSCM 摻量對不同孔隙率透水混凝土抗化學(xué)侵蝕性能的影響

如表 5 所示，不同孔隙率透水混凝土標(biāo)養(yǎng) 28d，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3% HCl、3% NaOH 和 5% Na2SO4的溶液中浸泡 7d 的質(zhì)量變化情況。結(jié)果表明：在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3%的 HCl 溶液中，不同孔隙率下的透水混凝土的質(zhì)量有顯著減少。當(dāng)孔隙率不變時(shí)，隨 NSCM 摻量的增加，透水混凝土的質(zhì)量損失率出現(xiàn)先下降后升高的趨勢，當(dāng)摻量為 2% 時(shí)，其質(zhì)量損失率最低。此時(shí)，孔隙率為 15%、20% 和 25% 的透水混凝土在 3% HCl 溶液中的質(zhì)量損失分別為 1.46%、1.74% 和 1.98%，比對空白對照組分別降低了 42.52%、36.26% 和 38.51%。這是因?yàn)樗嗨磻?yīng)生成大量的 Ca(OH)2晶體，在強(qiáng)酸環(huán)境下，大量的 H+與其發(fā)生中和反應(yīng)，水泥石不斷水解。而 NSCM 中的納米 SiO2和水玻璃組分有較高的活性，可以與 Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，減少透水混凝土膠凝材料中的堿含量，并且細(xì)化 Ca(OH)2的晶體結(jié)構(gòu)，使其均勻地分部在水泥石當(dāng)中。NSCM 可以減弱 H+與對透水混凝土的侵蝕作用。

圖 2 孔隙率為 15% 的力學(xué)性能

圖 3 孔隙率為 20% 的力學(xué)性能

圖 4 孔隙率為 25% 的力學(xué)性能

表 5 不同孔隙率的透水混凝土在酸、堿和鹽溶液中浸泡 7d 的質(zhì)量變化

固定 NSCM 摻量，孔隙率越大，質(zhì)量減損量越大。這是因?yàn)?，不同孔隙率的透水混凝土，其?nèi)部的連通空隙量有著很大的差別，往往目標(biāo)孔隙率越大，連通空隙的數(shù)量也越多。本試驗(yàn)中，孔隙率為 25% 的透水混凝土必然比孔隙率為 15% 的透水混凝土有更大的接觸面積接受鹽酸溶液的侵蝕，其質(zhì)量損失率也會(huì)更大。在 3% NaOH 和 5% Na2SO4溶液中，不同孔隙率透水混凝土浸泡前后，質(zhì)量有著不同程度的增加。這是因?yàn)橥杆炷林写嬖诘膲A活性骨料與堿溶液發(fā)生堿骨料反應(yīng)，生成了堿硅酸凝膠。其有吸水膨脹性，吸水飽和時(shí)，體積最大可以擴(kuò)展 3 倍以上，從而產(chǎn)生增重的效果。NSCM 的使用量越大，其質(zhì)量增加率有著波動(dòng)性降低的趨勢，2% 和 3%的摻量對透水混凝土的保護(hù)作用沒有太大差別。

2.4 NSCM 摻量對不同孔隙率透水混凝土透水性能的影響

NSCM 在差別摻量下，透水混凝土孔隙率為 15%、20% 和 25% 的透水系數(shù)見表 6 和圖 5。結(jié)果表明，NSCM 可以明顯改進(jìn)透水混凝土的透水性。當(dāng) NSCM摻量為 1% 時(shí)，孔隙率為 15%、20% 和 25% 的透水混凝土透水系數(shù)各增加了 114.81%、52.11% 和 4.46%。NSCM 對低孔隙率透水混凝透水性有更大提升。這是因?yàn)榈涂紫堵实耐杆炷林杏懈嗟哪z漿，其有效的連通空隙較少，骨料表面的水泥漿膜薄厚不均。NSCM 可以有效地提高水泥漿的粘聚性能，從而提升骨料的掛漿能力，形成更為密實(shí)均勻的結(jié)構(gòu)，在孔隙率不變的情況下，也可以擁有更多有效的連通空隙，提高透水性能。而對于孔隙率為 25% 的透水混凝土，當(dāng) NSCM 摻量超過 1% 時(shí)，其透水系數(shù)幾乎沒有變化。

表 6 不同 NSCM 摻量下的透水系數(shù) mm

3 結(jié)論

（1）NSCM 可以有效地提升水泥凈漿的流動(dòng)度，當(dāng)摻量為 2% 時(shí)，流動(dòng)度為 241mm，最為接近240mm，此時(shí)的水泥漿可以在骨料表面形成勻質(zhì)包裹層，性能最佳。

圖 5 NSCM 的摻量對透水混凝土透水系數(shù)的影響

（2）摻入適量的 NSCM 對不同孔隙率下的透水混凝土的力學(xué)性能有顯著改善的效果。相比抗壓強(qiáng)度，其對抗折強(qiáng)度改善更佳。且 NSCM 可以有效提升透水混凝土的初期強(qiáng)度。

（3）NSCM 可以明顯提升透水混凝土在酸堿鹽溶液下的抗侵蝕能力。隨著摻量增加，酸性溶液中，其抗腐蝕性呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢；堿性和鹽溶液中，波動(dòng)性降低。

（4）NSCM 對不同孔隙率（15%、20%、25%）透水混凝土的透水性能提升效果有明顯差別，孔隙率越小，其改善性能越好。當(dāng) NSCM 摻量為 2% 時(shí)，孔隙率為 15% 的透水混凝土，其透水系數(shù)提升了125.72%；孔隙率為 20% 的透水混凝土，其透水系數(shù)提升了 59.43%。當(dāng)孔隙率為 25% 時(shí)，NSCM 對其改善效果甚微。