徐柳 葉海華 (天津開發(fā)區(qū)建設(shè)工程試驗(yàn)中心 天津300456)
透水性混凝土的制備及性能研究
徐柳 葉海華 (天津開發(fā)區(qū)建設(shè)工程試驗(yàn)中心 天津300456)
透水性混凝土是一種新型環(huán)保型混凝土,它具有較大的孔隙率,能將雨水迅速滲入地表,同時(shí)將水流中的污染微粒沉淀下來,起到凈化水質(zhì)的作用;透水性混凝土能吸聲降噪,增加車輛行駛及路人行走的安全性和舒適性。研究了水灰比、骨灰比和粉煤灰摻量對透水性混凝土抗壓強(qiáng)度、孔隙率及透水系數(shù)的影響。
透水性混凝土 透水系數(shù) 粉煤灰 抗壓強(qiáng)度
透水混凝土是一種經(jīng)過特殊工藝制成的具有連續(xù)空隙的混凝土,它具有一定的強(qiáng)度,又具有透水性,是一種新型環(huán)保性混凝土,它能把雨水迅速滲入地表,同時(shí)能凈化水質(zhì);透水混凝土能吸聲降噪,增加車輛行駛及路人行走的安全性和舒適性,使環(huán)境更干凈、清涼、舒適。在歐美、日本等發(fā)達(dá)國家的研究比較深入,也達(dá)到了應(yīng)用的程度。20世紀(jì)90年代以來,國內(nèi)對透水性混凝土路面材料開始進(jìn)行研究并取得了一定的成果。[1-6]目前國內(nèi)研究主要是在保證透水系數(shù)的情況下提高強(qiáng)度,以及研究各項(xiàng)的影響因素。
1.1.1 水泥 唐山京東水泥有限公司生產(chǎn)的“京唐”牌P.O42.5級水泥,其物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1。
表1 水泥的物理性能
1.1.2 粗集料 粒徑為5~10 mm的單一粒級的碎石,碎石的物理性能見表2。
表2 碎石的物理性能
1.1.3 粉煤灰 為了進(jìn)一步改善粘附在粗集料上的漿體的流動(dòng)性,另一方面降低成本,取得更好的經(jīng)濟(jì)效益,本實(shí)驗(yàn)通過摻入適量的粉煤灰來制備透水性混凝土。
1.1.4 高效減水劑 減水劑能減少水泥漿體中孔隙率,提高水泥漿體的強(qiáng)度,對透水性混凝土的強(qiáng)度及其他性能有較大影響。本實(shí)驗(yàn)采用天津飛龍外加劑廠生產(chǎn)的羧酸高效減水劑,減水率為20%,最佳摻量為1.2%。
1.1.5 拌合水 采用一般潔凈自來水即可。
1.2.1 配合比設(shè)計(jì) 配合比設(shè)計(jì)的原則是將集料顆粒表面用水泥漿包裹,并將集料顆?;ハ嗾辰Y(jié)起來,形成一個(gè)整體,具有一定的強(qiáng)度,將集料之間的空隙填充密實(shí)。
1.2.2 制備 許多研究表明:在孔隙率相差不多的情況下,采用水泥裹石法時(shí),多孔混凝土的抗壓強(qiáng)度較高。[7]所以本實(shí)驗(yàn)采用的攪拌方法為兩次加料法,振動(dòng)成型。
1.2.3 養(yǎng)護(hù) 由于粉煤灰具有很高的潛在水硬性,所以采用濕熱養(yǎng)護(hù)就可以完全達(dá)到28天標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)所要求的物理力學(xué)性能指標(biāo)。[7]
圖1 簡易透水性測定裝置
1.2.4 透水系數(shù)的測定 測定透水系數(shù)采用簡易透水性測定裝置(見圖1),上下兩端均為開口的透明方框,斷面形狀與試件的斷面形狀相同,正面有刻度。測量前先將試件四周用蠟封好,然后將透水儀方框置于試件上,方框和試件之間接縫用蠟密封好,接著向方框中加水超過200 mm,水通過試件滲漏,當(dāng)水平面下至刻度為160 mm時(shí)起開始計(jì)時(shí)為t0,水平面下降至140 mm時(shí)的時(shí)間為tl,方框中的水全部滲漏完畢時(shí)的時(shí)間為t。
透水系數(shù)分為變水位系數(shù)和定水位透水系數(shù)兩種,分別計(jì)算如下:
其中Tl為平均在150 mm時(shí)的定水位透水系數(shù),T2為水位從160 mm變化到零過程中的平均透水系數(shù)。
1.2.5 抗壓強(qiáng)度的測定 按《普通混凝土力學(xué)性能測試方法》GB/T50081-2002,在微機(jī)控制全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測定。
透水性混凝土的結(jié)構(gòu)示意圖[8]如圖2所示。
圖2 透水性混凝土的內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)模型
設(shè):透水混凝土粗集料的孔隙體積為V,水泥漿的體積為VC,VP1為透水混凝土的宏觀孔隙率,在量上存在如下關(guān)系式:VP1=V-VC;VP2為透水混凝土水泥石中的孔隙率,該孔隙率主要取決于水灰比;模型的邊長為單位1,透水混凝土的宏觀孔隙的截面積為S1,透水混凝土水泥石中的孔隙截面積為S2。
根據(jù)T.C.Hansen的孔隙率理論,[9]混凝土的強(qiáng)度主要取決于孔隙率,即:
其中,f為透水混凝土的強(qiáng)度,f0為孔隙水泥石的強(qiáng)度,用孔隙率帶入(1)得:
其中,k1、k2為常數(shù)。
本實(shí)驗(yàn)1 m3混凝土的水泥用量為320 kg、5~10 mm的碎石1 600 kg,通過調(diào)整用水量,研究了水灰比分別為:0.24、0.26、0.28、0.30、0.32、0.34 時(shí),透水性混凝土的性能。為了使水泥漿有較好的流動(dòng)性,制備時(shí)加入適量高效減水劑,減水劑的摻入量為水泥用量的1.2%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。
表3 水灰比對透水性混凝土性能的影響
從表3和圖3可以看出:當(dāng)透水性混凝土的水灰比小時(shí),混凝土的強(qiáng)度隨水灰比的增大而增大。從實(shí)驗(yàn)過程和對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察發(fā)現(xiàn),當(dāng)水灰比較小時(shí),水泥漿的流動(dòng)性較小,水泥漿不能完全均勻地包裹在骨料的表面,致使骨料間形成不連續(xù)的膠結(jié)層,骨料間的粘結(jié)強(qiáng)度也就較低,隨著水灰比的增大,有效地降低了此現(xiàn)象。當(dāng)水灰比增大到0.28時(shí),強(qiáng)度最高,達(dá)17.45 MPa,當(dāng)水灰比繼續(xù)增大時(shí),透水性混凝土的強(qiáng)度開始降低。當(dāng)水灰比最佳時(shí),骨料表面包裹了一層完整的膠結(jié)層,膠結(jié)層的強(qiáng)度較高,因而透水性混凝土的強(qiáng)度也最高;當(dāng)水灰比大于0.28時(shí),水泥漿的流動(dòng)度就過大,振動(dòng)成型時(shí),水泥漿在振動(dòng)外力及自身重力的作用下會從集料表面滑落到骨料間的孔隙中,占據(jù)部分孔隙,骨料間的粘結(jié)減弱,一部分漿體流到試塊的底部,使試件底部孔隙堵塞更加嚴(yán)重,但增強(qiáng)了試塊底部骨料間的粘結(jié),這樣就形成底部較密實(shí),上部疏松的不均勻結(jié)構(gòu),致使透水性混凝土的強(qiáng)度較低。
圖3 水灰比對透水性混凝土性能的影響
在骨料強(qiáng)度、級配基本相同的情況下,多孔混凝土的抗壓強(qiáng)度主要受骨料與水泥漿體間的粘結(jié)強(qiáng)度的影響,而水泥漿體的強(qiáng)度和界面厚度則嚴(yán)重影響著界面粘結(jié)強(qiáng)度。水泥漿體的抗壓強(qiáng)度主要由水灰比決定,在一定水灰比下,水泥用量的增大使得界面厚度增大,粘結(jié)面積以及粘結(jié)點(diǎn)的數(shù)量增加,從而提高界面的粘結(jié),對混凝土強(qiáng)度的提高是有利的,但另一方面會造成孔隙率的降低,對混凝土的透水性不利,因此應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)乃嘤昧?。[10]本實(shí)驗(yàn)在采用基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上,水灰比為0.28。改變骨灰比為 4.71、4.85、5、5.16,即 1 m3混凝土的水泥用量分別為 340 kg、330 kg、320 kg、310 kg,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表 4。
表4 骨灰比對透水性混凝土性能的影響
從圖4a可看出:滲透系數(shù)隨著骨灰比的減小而減小。這是因?yàn)殡S著水泥用量的增大,骨料顆粒之間的粘結(jié)狀況發(fā)生變化,由原來通過水泥漿體的點(diǎn)接觸粘結(jié)發(fā)展為通過水泥漿體的面接觸粘結(jié),粗骨料之間原來連通的孔隙會逐漸減小有些變得不連通,造成孔隙率的降低,因此,透水系數(shù)降低。又因水泥漿體的流變性比較大,水泥用量的增大將使其更趨于采用填充骨料之間孔隙的方式來構(gòu)成結(jié)構(gòu),因此使得多孔透水混凝土的孔隙率及透水系數(shù)顯著下降。
圖4 骨灰比對透水性混凝土性能的影響
由圖4b可見,隨著骨灰比的減少,水泥用量的增大,試件的抗壓強(qiáng)度有一定幅度的增大。多孔透水混凝土的抗壓強(qiáng)度主要由粗骨料之間的咬合摩擦力以及骨料與水泥漿體的粘結(jié)強(qiáng)度決定。在骨料級配基本相同的情況下,多孔透水混凝土的抗壓強(qiáng)度主要受骨料與水泥漿體間的粘結(jié)強(qiáng)度影響,而水泥漿體的抗壓強(qiáng)度和界面厚度則影響了界面粘結(jié)抗壓強(qiáng)度。水泥漿體的抗壓強(qiáng)度主要由水灰比決定,在一定水灰比下,水泥用量的增大使得界面厚度增大,粘結(jié)面積以及粘結(jié)點(diǎn)的數(shù)量增加,從而提高了它的抗壓強(qiáng)度。
混凝土提高流動(dòng)性后很容易引起離析和泌水,使新拌混凝土的體積不穩(wěn)定。摻入礦物細(xì)摻料的高性能混凝土則有很好的粘聚性。需水量小的細(xì)摻料(如粉煤灰)可以進(jìn)一步降低混凝土的水膠比而保持良好的工作性能。礦物細(xì)摻料還能增進(jìn)混凝土的后期強(qiáng)度,增強(qiáng)混凝土的耐久性。[11]參考上述理論,在透水性混凝土中摻入粉煤灰以改善透水性混凝土的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。
表5 粉煤灰對透水性混凝土的影響
從圖5a可知:透水系數(shù)隨著粉煤灰摻量的增大而減小,主要由于粉煤灰的密度比水泥小,顆粒較細(xì),充分填充在透水性混凝土的空隙中。當(dāng)處于密實(shí)或毛細(xì)孔狀態(tài)時(shí),沒有形成可以透水的孔隙;此時(shí)處于第一類小孔狀態(tài),雖然形成了孔隙,但是由于孔隙不連通也不能有很好的透水性,導(dǎo)致滲透系數(shù)有所下降。
從圖5b可知,粉煤灰的摻量從0%增加到20%,透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度均呈上升趨勢,在20%的地方有個(gè)峰值,摻量再增加時(shí),強(qiáng)度開始下降,這與普通混凝土不同,透水性混凝土的強(qiáng)度隨著粉煤灰的摻量增大而減小。分析其原因,可能是因?yàn)閾饺敕勖夯业耐杆曰炷劣泻芎玫恼尘坌裕诔尚瓦^程中水泥漿體不容易流淌到試件底部,由于粉煤灰顆粒較細(xì),起到微填充的作用,加上粉煤灰的二次水化使它后期對混凝土的貢獻(xiàn)很大,整體表現(xiàn)為整個(gè)齡期強(qiáng)度均較大。當(dāng)粉煤灰的摻量超過20%,粉煤灰的水化進(jìn)行較慢,因加入的膠凝材料總量不變,漿體厚度不變;但由于粉煤灰強(qiáng)度低于水泥,水泥漿中又存在大量沒有水化的粉煤灰,漿體中水泥的量比較少,從而導(dǎo)致透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度下降。
水灰比對透水性混凝土的孔隙率、滲透系數(shù)和強(qiáng)度都有很大的影響。孔隙率、滲透系數(shù)隨水灰比的增大而減小。當(dāng)水灰比較小時(shí),透水性混凝土的強(qiáng)度隨水灰比的增大而增大;當(dāng)水灰比增大到0.28時(shí),強(qiáng)度最高,達(dá)17.45 MPa;當(dāng)水灰比繼續(xù)增大時(shí),強(qiáng)度開始下降。滲透系數(shù)隨著骨灰比的減少而減小,抗壓強(qiáng)度隨著骨灰比的減少而增大。透水系數(shù)隨著粉煤灰摻量的增大而減小,粉煤灰的摻量從0%增加到20%,透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度均呈上升趨勢,當(dāng)摻量為20%時(shí),強(qiáng)度最高,達(dá)22.5 MPa,摻量再增加時(shí),強(qiáng)度開始下降。配制小粒徑(5~10 mm)的透水性混凝土的最佳水灰比為0.28,摻入20%粉煤灰可使透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度提高到22.5 MPa,透水系數(shù)大于 1.5 mm·s-1?!?/p>
[1]程娟,郭向陽.粉煤灰和礦粉對透水混凝土性能的影響[J].建筑砌塊與砌塊建筑,2007(5):27-29.
[2]孟宏睿,陳麗紅,薛麗皎.透水混凝土的配制[J].建筑技術(shù),2005,34(1):136-139.
[3]孟宏睿,徐建國,陳麗紅,等.無砂透水混凝土的試驗(yàn)研究[J].混凝土與水泥制品,2004(2):43-44.
[4]徐立新.無砂混凝土在道橋工程中的應(yīng)用[J].公路,2000(6):28-31.
[5]陳志山.用于水污染治理的生態(tài)混凝土技術(shù)[J].建筑材料學(xué)報(bào),2001(1):19-20
[6]吳中偉,廉惠珍.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社,1999:50.
[7]張巨松,張?zhí)砣A,宋東升,等.影響透水混凝土強(qiáng)度的因素探討[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2006,22(9):760-762.
[8]H ansen T C.Physical structure of hardened cemen[J].Cement and Concrete Research ,1986,19(2):423-436.
[9]楊善順.環(huán)境友好型混凝土-透水性混凝土 [J].廣東建材,2004(10):6-39.
2011-05-09