纳米SiO2复合改性剂对不同孔隙率透水混凝土性能的影响

李崇智，牛振山，吴慧华，曹莹莹

（北京建筑大学土木与交通工程学院，北京 100044）

0 引言

混凝土的普及，使得城市排水不畅、“热岛效应”明显以及地下水资源被破坏等问题，严重的影响着人与自然的和谐发展[1-3]。透水混凝土的发明应用使得这些问题得到了有效解决。随着“海绵城市”理念不断的深入人心，透水混凝土的需求量与日俱增[4-5]。透水混凝土是由骨料和胶凝材料粘结而行成的骨架—空隙结构，具有良好的透水性和透气性[6]。较高的孔隙率，使得透水混凝土的力学性能较差，骨料与胶凝材料连接的位置是其最薄弱的部位。透水混凝土在现实运用中，不单要强度达标，并且要具备充足的耐久性。大量的连通空隙，使得有害物质容易进入到透水混凝土内部，分解水泥石结构，混凝土的强度和耐久性很难得到保障[7-9]。其力学性能比常规混凝土强度更低，抗化学腐蚀的能力更差。同时，透水混凝土属于干硬混凝土，拌制过程当中无细骨料的“珠滚”效应，骨料间摩擦力大，因此工作性能差，不便施工。这些致使透水混凝土推广受阻。如何能使透水混凝土具有良好透水和透气性能的同时，仍然具有较高的强度，并且可以满足耐久性的要求，成为当今迫切需要解决的问题[10-11]。

针对上述透水混凝土的问题，配制出纳米 SiO2复合改性剂（NSCM），其主要是由聚羧酸减水剂、苯丙乳液、纳米二氧化硅水性浆料、缓凝剂等组分构成。通过工作性、力学性、抗化学腐蚀和透水性试验，研究NSCM 对透水混凝土性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥：水泥采用金隅 P·O42.5 水泥。

水：饮用自来水。

粗骨料：石灰岩碎石，粒径为 5～10mm。

纳米二氧化硅水性浆料：北京德科岛金科技的 JLSiO2-J15，含量为 30% 的透明状液体。

纳米 SiO2复合改性剂（NSCM）复配比例为：减水组分 A : 缓凝组分 B : 苯丙乳液 C : 纳米二氧化硅水性浆料 : 水玻璃 = 1:1.69:3.23:2.85:1.15。该改性剂呈乳白色，略有刺激性气味，其基本物理性能见表 1。

表 1 NSCM 的基本物理性能

1.2 试验方法

1.2.1 混凝土试块的制备

按照表 2 配制目标孔隙率为 15%、20% 和 25% 的透水混凝土，使用 40mm×40mm×160mm 尺寸的模具，24 小时后脱模，进行标准养护。空白组配合比见表 2，NSCM 的掺量见表 3。

表 2 透水混凝土基准配合比 kg/m3

表 3 复掺 NSCM 的配合比

1.2.2 工作性能

参照 GB/T 8077—2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》，采用透水混凝土相同的水胶比，配制水泥净浆，进行流动度试验。

1.2.3 力学性能

由于国内目前没有透水混凝土抗压、抗折强度试验的标准规范，本文采用尺寸为 40mm×40mm×160mm的透水混凝土试块，标准养护至 3d、7d 和 28d 时进行抗压、抗折试验。

1.2.4 抗化学侵蚀性能测试

参照 GB /T 50082—2009，配制质量分数为 3% 的HCl 溶液、3% 的 NaOH 溶液和 5% 的 Na2SO4溶液。将标准养护 28d 的透水混凝土试块浸泡在溶液中，7d 后测得各组试块的质量变化。

1.2.5 透水性能

参照 CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》，将尺寸为 70.7mm×70.7mm×70.7mm 试快标养至 28d，用石蜡将其四周均匀密封涂刷，放入管槽中，进行试验，根据公式 (1)，计算各组透水系数。

其中：KT——透水系数，mm/s；

t——试验时间，s；

Q——透水量，mm3；

L——厚度，mm；

A——触水面积，mm2；

H——水位差，mm。

2 结果与讨论

2.1 NSCM 掺量对不同孔隙率透水混凝土工作性能的影响

工作性能对透水混凝土的应用推广以及工程质量的保证有着重大的关系。长安大学盛燕萍等人[12]提出了富余浆量试验方法对其评价。青岛理工大学顾晓帆[13]在此基础上进行改进，研究认为，当水泥净浆的流动度为 240mm 时，胶凝材料可以充分地包裹骨料的表面，形成均匀且泛有金属光泽的包裹层。

图 1 为固定 0.32 的水胶比，不同用量的 NSCM 对流动度的影响曲线。NSCM 掺量越大，流动度改善越显著。掺量为 2% 时，流动度为 241mm，最为接近240mm。过小的流动度使得水泥浆无足够延展性，难以形成匀质的包裹层；过大，透水混凝土在拌制过程中，浆体下沉，骨料析出，从而降低其力学性能和透水率。NSCM 掺量为 2%，可以拌制出效果最好的透水混凝土。

2.2 NSCM 掺量对不同孔隙率透水混凝土力学性能的影响

图 1 NSCM 不同掺量对水泥净浆流动度的影响

不同孔隙率的透水混凝土在不同时长标养下的抗压和抗折强度结果见表 4 和图 2～4。结果显示：当透水混凝土孔隙率为 15% 时，NSCM 掺量为 2% 的 A-TS2组，其抗压强度，7d 比 3d 提高了 14.69%；空白试验组的抗压强度，7d 比 3d 提升了 6.2%。且 A-TS2 组 28d抗压强度比空白试验组提升了 36.11%，抗折强度提升了 82.93%。其对抗折强度的提高程度要优于抗压强度。当 NSCM 掺量都为 2% 时，孔隙率为 15%、20%和 25% 的透水混凝土 28d 抗压强度比空白组分别提升了 36.11%、38.95% 和 57.84%。NSCM 对大孔隙率透水混凝土的力学性能有更大幅度的提升。这是因为 NSCM中有纳米 SiO2，可以很好地发挥火山灰效应、微集料填充效应和晶核效应。纳米 SiO2颗粒极细，可以很好地嵌填入水泥石孔隙内部，增加凝胶体的密实度。并且，纳米 SiO2有很高的火山灰活性，可以在水化早期和刚生成的水化产物 Ca(OH)2发生二次水化反应，相比较首次水化，二次水化反应生成絮状物相互搭接、结构更加致密的水化硅酸钙凝胶。同时，可以对初次水化生成的Ca(OH)2具有细化作用，提升了水泥石和骨料之间的粘结强度，提升了稳定性。因此，NSCM 可以显著地提升不同孔隙率下透水混凝土的力学性能，且抗折强度的改善效果要高于抗压强度。

表 4 不同养护龄期的强度

2.3 NSCM 掺量对不同孔隙率透水混凝土抗化学侵蚀性能的影响

如表 5 所示，不同孔隙率透水混凝土标养 28d，在质量分数为 3% HCl、3% NaOH 和 5% Na2SO4的溶液中浸泡 7d 的质量变化情况。结果表明：在质量分数为 3%的 HCl 溶液中，不同孔隙率下的透水混凝土的质量有显著减少。当孔隙率不变时，随 NSCM 掺量的增加，透水混凝土的质量损失率出现先下降后升高的趋势，当掺量为 2% 时，其质量损失率最低。此时，孔隙率为 15%、20% 和 25% 的透水混凝土在 3% HCl 溶液中的质量损失分别为 1.46%、1.74% 和 1.98%，比对空白对照组分别降低了 42.52%、36.26% 和 38.51%。这是因为水泥水化反应生成大量的 Ca(OH)2晶体，在强酸环境下，大量的 H+与其发生中和反应，水泥石不断水解。而 NSCM 中的纳米 SiO2和水玻璃组分有较高的活性，可以与 Ca(OH)2发生二次水化反应，减少透水混凝土胶凝材料中的碱含量，并且细化 Ca(OH)2的晶体结构，使其均匀地分部在水泥石当中。NSCM 可以减弱 H+与对透水混凝土的侵蚀作用。

图 2 孔隙率为 15% 的力学性能

图 3 孔隙率为 20% 的力学性能

图 4 孔隙率为 25% 的力学性能

表 5 不同孔隙率的透水混凝土在酸、碱和盐溶液中浸泡 7d 的质量变化

固定 NSCM 掺量，孔隙率越大，质量减损量越大。这是因为，不同孔隙率的透水混凝土，其内部的连通空隙量有着很大的差别，往往目标孔隙率越大，连通空隙的数量也越多。本试验中，孔隙率为 25% 的透水混凝土必然比孔隙率为 15% 的透水混凝土有更大的接触面积接受盐酸溶液的侵蚀，其质量损失率也会更大。在 3% NaOH 和 5% Na2SO4溶液中，不同孔隙率透水混凝土浸泡前后，质量有着不同程度的增加。这是因为透水混凝土中存在的碱活性骨料与碱溶液发生碱骨料反应，生成了碱硅酸凝胶。其有吸水膨胀性，吸水饱和时，体积最大可以扩展 3 倍以上，从而产生增重的效果。NSCM 的使用量越大，其质量增加率有着波动性降低的趋势，2% 和 3%的掺量对透水混凝土的保护作用没有太大差别。

2.4 NSCM 掺量对不同孔隙率透水混凝土透水性能的影响

NSCM 在差别掺量下，透水混凝土孔隙率为 15%、20% 和 25% 的透水系数见表 6 和图 5。结果表明，NSCM 可以明显改进透水混凝土的透水性。当 NSCM掺量为 1% 时，孔隙率为 15%、20% 和 25% 的透水混凝土透水系数各增加了 114.81%、52.11% 和 4.46%。NSCM 对低孔隙率透水混凝透水性有更大提升。这是因为低孔隙率的透水混凝土中有更多的胶浆，其有效的连通空隙较少，骨料表面的水泥浆膜薄厚不均。NSCM 可以有效地提高水泥浆的粘聚性能，从而提升骨料的挂浆能力，形成更为密实均匀的结构，在孔隙率不变的情况下，也可以拥有更多有效的连通空隙，提高透水性能。而对于孔隙率为 25% 的透水混凝土，当 NSCM 掺量超过 1% 时，其透水系数几乎没有变化。

表 6 不同 NSCM 掺量下的透水系数 mm

3 结论

（1）NSCM 可以有效地提升水泥净浆的流动度，当掺量为 2% 时，流动度为 241mm，最为接近240mm，此时的水泥浆可以在骨料表面形成匀质包裹层，性能最佳。

图 5 NSCM 的掺量对透水混凝土透水系数的影响

（2）掺入适量的 NSCM 对不同孔隙率下的透水混凝土的力学性能有显著改善的效果。相比抗压强度，其对抗折强度改善更佳。且 NSCM 可以有效提升透水混凝土的初期强度。

（3）NSCM 可以明显提升透水混凝土在酸碱盐溶液下的抗侵蚀能力。随着掺量增加，酸性溶液中，其抗腐蚀性呈现先增后减的变化趋势；碱性和盐溶液中，波动性降低。

（4）NSCM 对不同孔隙率（15%、20%、25%）透水混凝土的透水性能提升效果有明显差别，孔隙率越小，其改善性能越好。当 NSCM 掺量为 2% 时，孔隙率为 15% 的透水混凝土，其透水系数提升了125.72%；孔隙率为 20% 的透水混凝土，其透水系数提升了 59.43%。当孔隙率为 25% 时，NSCM 对其改善效果甚微。