杨文强 汤婉琪 宫 尧 陈 涂林先

天津城建大学材料科学与工程学院（300384）

0 引言

透水混凝土是一种新型生态路面材料，其内部连续的孔隙结构使其具有更优良的渗水透气性能，与新时代所提倡的生态文明建设理念相适应，可以有效缓解城市内涝和改善热岛效应，因此具有良好的应用前景[1-5]。

东南大学的霍亮[6]研究了透水混凝土配合比设计等方面的指标，制备出了抗压强度为32.9 MPa、抗折强度为4.5 MPa、透水系数为5.7 mm/s的透水混凝土。扬州大学的朱金春、杨鼎宜等人[7]研究水灰比等对透水混凝土的影响；试验表明，当目标孔隙率为15%、骨料粒径为16~19 mm、水灰比为0.3时，透水混凝土性能最好。Ismael[8]使用由多甲基硅氧烷与聚甲基醇纤维配置的超疏水溶液对混凝土表面做疏水处理，通过研究超疏水溶液配比对混凝土超疏水表面接触角与滚动角的影响，使超疏水溶液的配比达到最优化，发现超疏水涂层使混凝土耐久性有较大的提高。王宗鹏[9]研究制备了超疏水涂层，并通过一步喷涂法涂覆超疏水涂层使混凝土表面获得超疏水性,发现超疏水涂层使混凝土表面具有良好的防冰性。

文章采用有机硅表面活性剂浸泡法，使混凝土表面和内部都具有超疏水表面，研究了有机硅表面活性剂浸泡时间对透水混凝土力学透水性能的影响。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

1）水泥:天津振兴水泥厂生产的标号42.5强度等级的普通硅酸盐水泥；2）粒径为4.75~9.5 mm的石灰岩碎石，其指标见表1；3）减水剂：天津市飞龙砼外加剂有限公司生产的聚羧酸高效减水剂；4）表面活性剂：有机硅溶剂为山东省济南市兴驰化工有限公司生产的XC-3020甲基硅酸钠水性渗透防水剂-甲基硅酸钠，其基本参数见表2；5）水:普通自来水。

表1 粗骨料基本物理性能指标

1.2 试验方法

1.2.1 透水混凝土的制备与性能测试

根据体积法计算材料配合比；采用水泥裹石法人工拌和混合料3 min，出料后分别放入100 mm×100 mm×100 mm和圆柱形（直径为100 mm，高度为50 mm）的模具中，采用机械振动成型工艺，同时用抹刀压实并刮平模具表面的物料。试件成型24 h后拆模，并在相对湿度大于80%、室温为20±4℃的标准养护室中养护。根据CJJ/T 135—2009《透水混凝土路面技术规程》测试透水系数和抗压强度。

1.2.2 透水混凝土的微观结构

试验所用仪器是日本电子株式会社生产的JSM-7800F电子扫描显微镜，用来拍摄透水混凝土用有机硅溶液浸泡前后的表面形貌及孔结构的变化情况（5 kV电压下）。

2 结果与讨论

2.1 有机硅浸泡时间对透水系数和强度的影响

有机硅浸泡透水混凝土试件的抗压强度、透水系数的试验结果分别如图1和图2所示。

由图1可以得出:随有机硅浸泡时间的增加，试块强度呈先上升再稳定的趋势；有机硅浸泡时间达到24 h后，强度达到最高，为26.79 MPa。

透水混凝土养护28 d后，将其浸泡在配置好的有机硅溶液（有机硅与水的比例为1∶8）中。在毛细作用下，有机硅渗入孔隙内部，并在透水混凝土中发生脱水反应，形成的高分子薄膜在基材表面定向排列，并填补在孔隙中，从而提高透水混凝土强度。当浸泡时间为3 h时，有机硅并未完全渗入透水混凝土内，因而强度提高不明显；随着浸泡时间的增加，有机硅充分渗入，均匀地填充到孔隙内，并在其表面形成憎水膜；浸泡24 h后，强度趋于稳定，说明有机硅已充分覆盖孔隙。即使再延长浸泡时间，其强度无明显的变化，因此，此临界点（即24 h）可认为是有机硅的浸泡最佳时间，混凝土强度得到提高。

由图2可以得出:当有机硅溶剂浸泡时间较短时，透水系数下降较为明显；当浸泡时间超过24 h时，下降较为缓慢。

图2 透水混凝土透水系数与有机硅浸泡时间关系

在毛细作用下，有机硅渗入透水混凝土内部，与透水混凝土水化产物发生脱水反应，形成疏水薄膜。由于其自身良好的疏水和低表面张力等特点，这种很薄的疏水网膜可以抑制基材的毛细作用，从而阻碍水分的进入。并且有机硅对孔隙具有填补作用。因此，透水系数呈下降趋势。

随着浸泡时间的延长，有机硅充分渗入孔隙，使孔隙具有良好的疏水性。因此，此阶段透水系数下降较明显。当浸泡时间超过24 h时，孔隙得到充分填充，因此，透水系数下降缓慢。

2.2 有机硅浸泡对透水混凝土微观结构的影响及其改性机理

试验对水灰比为0.30、聚羧酸高效减水剂掺量为0.8%的普通透水混凝土结构进行了扫描电镜分析。测试结果如图3所示。

图3 普通透水混凝土SEM照片

由图3可以看出，普通透水混凝土的表面非常粗糙，凸凹十分明显；胶结层表面有大量水化反应产生的结晶体向外生长，不规则地分布在胶结层表面。晶体的间距较大是普通透水混凝土表面粗糙的原因之一。

试验选取了水灰比为0.30、有机硅表面活性剂浸泡时间为24 h的样品进行扫描电镜分析。测试结果如图4所示。

图4 有机硅浸泡24h后透水混凝土SEM照片

由图4可以看出，浸泡后的透水混凝土表面较为平整、密实；水泥石表面具有许多均匀的凸起结构。由此表明，有机硅表面活性剂是通过改变水泥胶结层的结构来改善基材孔隙结构的。

有机硅表面活性剂改性透水混凝土孔结构的机理:透水混凝土的基材是亲水材料，雨水会在其孔隙结构内部存留，对其耐久性非常不利；在试样中加入有机硅后，由于有机硅的成膜与透水混凝土水化产物相互交织、缠绕、浸润，有机硅分子充分细化后填充到透水混凝土内部的空隙中，形成良好的疏水结构，其连续性得到很大提高。

此外，有机硅的加入使过渡区结构变紧密，在整个过渡区表面浸润着更多的连续的有机硅膜，包裹着更多的水泥水化颗粒。有机硅的填充使得结构紧密且柔性更佳。

3 结论

随着有机硅溶液浸泡时间的增加，强度很大程度上提高，而后增长缓慢；透水系数则逐渐变小。有机硅溶液最佳浸泡时间为24 h，浸泡后的透水混凝土最大强度达到26.79 MPa、透水系数达到2.03 mm/s。有机硅改性透水混凝土的微观表面更加平整、密实，形成疏水效应，有利于透水混凝土的耐久性提升。