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

0 引言

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 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

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 試驗(yàn)方法

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。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水灰比對透水性混凝土性能的影響

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

2.2 骨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。

2.3 粉煤灰摻量對透水性混凝土性能的影響

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。

4 結(jié)論

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>

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2011-05-09