楊文強(qiáng) 湯婉琪 宮 堯 陳 涂林先

天津城建大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（300384）

0 引言

透水混凝土是一種新型生態(tài)路面材料，其內(nèi)部連續(xù)的孔隙結(jié)構(gòu)使其具有更優(yōu)良的滲水透氣性能，與新時(shí)代所提倡的生態(tài)文明建設(shè)理念相適應(yīng)，可以有效緩解城市內(nèi)澇和改善熱島效應(yīng)，因此具有良好的應(yīng)用前景[1-5]。

東南大學(xué)的霍亮[6]研究了透水混凝土配合比設(shè)計(jì)等方面的指標(biāo)，制備出了抗壓強(qiáng)度為32.9 MPa、抗折強(qiáng)度為4.5 MPa、透水系數(shù)為5.7 mm/s的透水混凝土。揚(yáng)州大學(xué)的朱金春、楊鼎宜等人[7]研究水灰比等對透水混凝土的影響；試驗(yàn)表明，當(dāng)目標(biāo)孔隙率為15%、骨料粒徑為16~19 mm、水灰比為0.3時(shí)，透水混凝土性能最好。Ismael[8]使用由多甲基硅氧烷與聚甲基醇纖維配置的超疏水溶液對混凝土表面做疏水處理，通過研究超疏水溶液配比對混凝土超疏水表面接觸角與滾動角的影響，使超疏水溶液的配比達(dá)到最優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)超疏水涂層使混凝土耐久性有較大的提高。王宗鵬[9]研究制備了超疏水涂層，并通過一步噴涂法涂覆超疏水涂層使混凝土表面獲得超疏水性,發(fā)現(xiàn)超疏水涂層使混凝土表面具有良好的防冰性。

文章采用有機(jī)硅表面活性劑浸泡法，使混凝土表面和內(nèi)部都具有超疏水表面，研究了有機(jī)硅表面活性劑浸泡時(shí)間對透水混凝土力學(xué)透水性能的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

1）水泥:天津振興水泥廠生產(chǎn)的標(biāo)號42.5強(qiáng)度等級的普通硅酸鹽水泥；2）粒徑為4.75~9.5 mm的石灰?guī)r碎石，其指標(biāo)見表1；3）減水劑：天津市飛龍砼外加劑有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑；4）表面活性劑：有機(jī)硅溶劑為山東省濟(jì)南市興馳化工有限公司生產(chǎn)的XC-3020甲基硅酸鈉水性滲透防水劑-甲基硅酸鈉，其基本參數(shù)見表2；5）水:普通自來水。

表1 粗骨料基本物理性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 透水混凝土的制備與性能測試

根據(jù)體積法計(jì)算材料配合比；采用水泥裹石法人工拌和混合料3 min，出料后分別放入100 mm×100 mm×100 mm和圓柱形（直徑為100 mm，高度為50 mm）的模具中，采用機(jī)械振動成型工藝，同時(shí)用抹刀壓實(shí)并刮平模具表面的物料。試件成型24 h后拆模，并在相對濕度大于80%、室溫為20±4℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。根據(jù)CJJ/T 135—2009《透水混凝土路面技術(shù)規(guī)程》測試透水系數(shù)和抗壓強(qiáng)度。

1.2.2 透水混凝土的微觀結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)所用儀器是日本電子株式會社生產(chǎn)的JSM-7800F電子掃描顯微鏡，用來拍攝透水混凝土用有機(jī)硅溶液浸泡前后的表面形貌及孔結(jié)構(gòu)的變化情況（5 kV電壓下）。

2 結(jié)果與討論

2.1 有機(jī)硅浸泡時(shí)間對透水系數(shù)和強(qiáng)度的影響

有機(jī)硅浸泡透水混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果分別如圖1和圖2所示。

由圖1可以得出:隨有機(jī)硅浸泡時(shí)間的增加，試塊強(qiáng)度呈先上升再穩(wěn)定的趨勢；有機(jī)硅浸泡時(shí)間達(dá)到24 h后，強(qiáng)度達(dá)到最高，為26.79 MPa。

透水混凝土養(yǎng)護(hù)28 d后，將其浸泡在配置好的有機(jī)硅溶液（有機(jī)硅與水的比例為1∶8）中。在毛細(xì)作用下，有機(jī)硅滲入孔隙內(nèi)部，并在透水混凝土中發(fā)生脫水反應(yīng)，形成的高分子薄膜在基材表面定向排列，并填補(bǔ)在孔隙中，從而提高透水混凝土強(qiáng)度。當(dāng)浸泡時(shí)間為3 h時(shí)，有機(jī)硅并未完全滲入透水混凝土內(nèi)，因而強(qiáng)度提高不明顯；隨著浸泡時(shí)間的增加，有機(jī)硅充分滲入，均勻地填充到孔隙內(nèi)，并在其表面形成憎水膜；浸泡24 h后，強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，說明有機(jī)硅已充分覆蓋孔隙。即使再延長浸泡時(shí)間，其強(qiáng)度無明顯的變化，因此，此臨界點(diǎn)（即24 h）可認(rèn)為是有機(jī)硅的浸泡最佳時(shí)間，混凝土強(qiáng)度得到提高。

由圖2可以得出:當(dāng)有機(jī)硅溶劑浸泡時(shí)間較短時(shí)，透水系數(shù)下降較為明顯；當(dāng)浸泡時(shí)間超過24 h時(shí)，下降較為緩慢。

圖2 透水混凝土透水系數(shù)與有機(jī)硅浸泡時(shí)間關(guān)系

在毛細(xì)作用下，有機(jī)硅滲入透水混凝土內(nèi)部，與透水混凝土水化產(chǎn)物發(fā)生脫水反應(yīng)，形成疏水薄膜。由于其自身良好的疏水和低表面張力等特點(diǎn)，這種很薄的疏水網(wǎng)膜可以抑制基材的毛細(xì)作用，從而阻礙水分的進(jìn)入。并且有機(jī)硅對孔隙具有填補(bǔ)作用。因此，透水系數(shù)呈下降趨勢。

隨著浸泡時(shí)間的延長，有機(jī)硅充分滲入孔隙，使孔隙具有良好的疏水性。因此，此階段透水系數(shù)下降較明顯。當(dāng)浸泡時(shí)間超過24 h時(shí)，孔隙得到充分填充，因此，透水系數(shù)下降緩慢。

2.2 有機(jī)硅浸泡對透水混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響及其改性機(jī)理

試驗(yàn)對水灰比為0.30、聚羧酸高效減水劑摻量為0.8%的普通透水混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了掃描電鏡分析。測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 普通透水混凝土SEM照片

由圖3可以看出，普通透水混凝土的表面非常粗糙，凸凹十分明顯；膠結(jié)層表面有大量水化反應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)晶體向外生長，不規(guī)則地分布在膠結(jié)層表面。晶體的間距較大是普通透水混凝土表面粗糙的原因之一。

試驗(yàn)選取了水灰比為0.30、有機(jī)硅表面活性劑浸泡時(shí)間為24 h的樣品進(jìn)行掃描電鏡分析。測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 有機(jī)硅浸泡24h后透水混凝土SEM照片

由圖4可以看出，浸泡后的透水混凝土表面較為平整、密實(shí)；水泥石表面具有許多均勻的凸起結(jié)構(gòu)。由此表明，有機(jī)硅表面活性劑是通過改變水泥膠結(jié)層的結(jié)構(gòu)來改善基材孔隙結(jié)構(gòu)的。

有機(jī)硅表面活性劑改性透水混凝土孔結(jié)構(gòu)的機(jī)理:透水混凝土的基材是親水材料，雨水會在其孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)部存留，對其耐久性非常不利；在試樣中加入有機(jī)硅后，由于有機(jī)硅的成膜與透水混凝土水化產(chǎn)物相互交織、纏繞、浸潤，有機(jī)硅分子充分細(xì)化后填充到透水混凝土內(nèi)部的空隙中，形成良好的疏水結(jié)構(gòu)，其連續(xù)性得到很大提高。

此外，有機(jī)硅的加入使過渡區(qū)結(jié)構(gòu)變緊密，在整個(gè)過渡區(qū)表面浸潤著更多的連續(xù)的有機(jī)硅膜，包裹著更多的水泥水化顆粒。有機(jī)硅的填充使得結(jié)構(gòu)緊密且柔性更佳。

3 結(jié)論

隨著有機(jī)硅溶液浸泡時(shí)間的增加，強(qiáng)度很大程度上提高，而后增長緩慢；透水系數(shù)則逐漸變小。有機(jī)硅溶液最佳浸泡時(shí)間為24 h，浸泡后的透水混凝土最大強(qiáng)度達(dá)到26.79 MPa、透水系數(shù)達(dá)到2.03 mm/s。有機(jī)硅改性透水混凝土的微觀表面更加平整、密實(shí)，形成疏水效應(yīng)，有利于透水混凝土的耐久性提升。