張國強 賴俊(廣州大學土木工程學院)
透水混凝土的研究進展綜述
張國強賴俊
(廣州大學土木工程學院)
本文總結了透水混凝土的國內外研究現狀,分析了透水混凝土成型方式和砂率對28d抗壓強度和透水性的影響。研究了其抗凍性,吸聲降噪性和抗疲勞性等性能,指出了透水混凝土目前存在的問題,并結合堵塞機理提出了相關解決思路。
透水混凝土;強度;透水性;抗凍性;吸聲降噪性;抗疲勞性
隨著我國經濟的發(fā)展,大量人口涌入城市,造成水資源短缺,地下水位下降,同時大量高樓的建造也使路面排水設施無處修建。目前城市的路面都是水泥或瀝青混凝土路面,這些路面都是不透水的,當城市有暴雨出現時,路面會積累大量的雨水造成城市內澇,尤其像我國廣州、深圳、長沙、武漢等降雨量大的城市,每年因為內澇造成大量人員傷亡以及財產損失的案例屢見不鮮。另外,不透水道路的舒適度以及安全性能也會因為路面積水而顯著減低。
與普通路面相比,透水混凝土路面具有以下優(yōu)點:①有效解決路面積水問題;②緩解地下水位的下降;③吸收行車產生的噪音。顯然,它能解決普通路面的上述弊端,更加環(huán)保,將會是我國構建“海綿城市”的重要材料。
2.1 國外的研究現狀
透水混凝土并不是現代新式材料。早在20世紀初期,國外就己經開始進行對多孔水泥混凝土的制備,制造出許多預制混凝土構件,并將它用于對房屋的建設。
1972年,出于對水資源以及水質的保護,美國通過了清潔水資源法案(Clean Water Act)法案中規(guī)定了各州和各大城市需要確保被收集的降雨的清潔度。之后,進行了大量透水性混凝土配合比設計方法的研究。1995年,南伊利諾伊大學的Nader Ghafoorim[1]敘述了透水混凝土的概要,研究了其物理力學性質及狀態(tài),以及其磨耗性及抗凍性。2003年華盛頓大學Benjamin O. Brottebo同Derek B.Booth[2]對在1996年鋪設4個停車場所使用的透水混凝土的耐久性、透水性和力學性能進行了的研究和綜合評價,4個停車場透水混凝土均沒有發(fā)生顯著的破壞,雨水的滲透性良好。2016年德克薩斯農機大學 Maria A.Hernandez-Saenz、Silvia Caro[3]等人總結了美國現有的透水混凝土的相關性能,確定出了新的路面設計方法。
在英國二十世紀七十年代,很多學者就開始研究制造透水混凝土,并用透水混凝土建造了長達183m,5cm厚的面層和25cm厚的基層的路面,該路面在第28天的強度達到13.8MPa。有跟蹤研究顯示,這條道路的使用性能一直很好,在使用十年以后,這條道路由于凍融而被破壞。
在日本,由于其特殊的地理位置,常年降雨較多,然而地下水位卻越發(fā)下降,在70年代末,為了解決因為地下水位下降而導致的地基下沉問題,大量學者提出了使雨水還原于地下的政策,緩解地下水位的下降,學者們研究了透水混凝土的透水系數、孔隙率、強度之間的關系,并且在1987年申請了有關透水混凝土的專利。專利中選擇了單一級配的粗集料、少量細集料、有機髙分子樹脂等膠凝材料。此后,日本學者玉井元治同本享久[4]等研究者又以水泥為膠凝材料做了透水混凝土的試驗研究,此種透水混凝土的厚度一般在70~200mm之間,水灰比大約為0.35,釆用5~13mm或2.5~7mm粒級的碎石制成。2016年日本山口大學的Yail J.Kima、Adel Gaddafi[5]等人在透水混凝土中加入粉煤灰和輪胎碎片夾雜物等,改善了混凝土的滲透速度,提高了其抗折強度,但輪胎的切屑容易堵塞孔隙主要依賴于他們的幾何配置。
2.2 國內的研究進展
與國外大量開展的透水混凝土鋪裝材料的研究情況相比,國內對透水混凝土材料的研究時間短,應用比較較少,技術水平也偏低。近些年,許多材料科研機構開始了大量的透水混凝土研究。其中1993年中國建筑材料科學研究院進行了透水混凝土與透水性混凝土路面磚的研究,并得到了廣泛應用。
2000年清華大學的楊靜、蔣國梁[6]等專家采用細骨料,礦物細摻料和有機增強劑等方法,使得透水混凝土道路材料抗壓強度達到35.5MPa,抗折強度6.8MPa,透水系數2.9mm/s,具備了較高的強度和良好的透水性。
2004年長安大學的鄭木蓮[7]開展了大量的有關透水混凝土的排水研究,并分析了全寬式、設盲溝以及設集水溝和管的排水系統(tǒng)的排水能力。
綜上所述,許多國家都對透水混凝土深入的進行了研究分析,主要集中在強度以及其抗凍性、吸聲降噪、抗疲勞性能等方面。在當今社會,人們越來越注重環(huán)保,而透水性混凝土作為一種新的環(huán)保材料,正是當今社會所需要的,是創(chuàng)建“海綿城市”的最佳材料。然而,由于各種條件的限制,目前對透水性混凝土的研究和推廣還有很大的進步空間,諸多國家的有關學者也都仍然在研究分析中。
3.1 成型方式
成型方式作為影響透水混凝土的強度和透水系數高低的關鍵因素之一,振動時間太短導致強度低,透水性好,而時間太長則會出現水泥漿體堵塞孔隙,出現不透水的情況,因此必須合理的選擇成型方式。
⑴手工插搗成型:手工插搗制作的試塊均勻性較好,但密實度差,強度偏低。
⑵機械振搗成型:機械振搗時間越長,孔隙率越小,堆積越緊密,強度越高,但孔隙率越小,透水系數越小,振動時間取8s將能夠獲得較高的強度。相對與只進行機械振搗,采用手工插搗和機械振搗二者相結合的方式可以保證不降低強度的情況下提高其透水系數[8]。
⑶靜壓成型:用靜壓成型方式時,透水混凝土28d抗壓強度將隨成型壓力的增加呈現出先增加后減小的規(guī)律,透水系數則一直減小,當成型壓力由15kN增加為25kN時,部分石子被壓壞,而透水混凝土抗壓強度則提高38.5%,透水系數下降了14.3%。為了避免骨料在過壓狀態(tài)下破碎,造成透水系數降低。最佳的成型壓力應控制在1.5MPa[9]。
⑷機械振動和靜壓成型:當采用機械振動與靜壓成型相結合的方式,可以利用機械振動成型強度高,靜壓成型透水性好的優(yōu)點。當機械振動控制在5s,成型壓力控制在15kN,加載速度控制在0.3MPa/s,其28d抗壓強度可以達到38.8kN,透水系數達到3.5。
3.2 砂率
研究表明隨著砂率的增加,透水混凝土的強度逐漸增加,透水系數逐漸降低。這是因為一般透水混凝土為了保證良好的透水性而不加任何的細骨料,導致水泥凝膠體與粗骨料之間的過渡區(qū)太大,而水泥硬化體本身內部又含有較多的毛細孔和微裂縫,因此降低了強度。參照高性能混凝土中摻入礦物細摻料,提高混凝土密實度、減小過渡區(qū)的經驗,在水泥漿中摻入少量的細砂(1~2mm粒徑),同時使用適量高效減水劑使其分散,填充于水泥凝膠體的毛細孔和微裂縫中,達到提高強度的目的。但加入過多的砂,將會嚴重堵塞粗骨料之間的孔隙,造成透水系數降低。通過研究,發(fā)現當細骨料占粗骨料的10%左右時,將會獲得良好的效果。
4.1 抗凍性
由于我國面積廣闊,南北緯度差別較大,因此氣溫也差別較大,故必須對透水混凝土的抗凍性進行研究。
2006年江蘇大學的萬偉[10]通過實驗得出在透水混凝土中加入無機質添加劑SR-3,可以有效地改善混凝土的孔隙結構和力學性能,提高透水混凝土內部骨料和漿體的粘結力和凍融循環(huán)次數。以動彈性模量損失為參考指標,當最低溫度為-20℃,透水混凝土在氣凍水融循環(huán)過程中,當開始破壞時,可以經受凍融循環(huán)次數為55次左右。透水混凝土在水凍水融循環(huán)中,當開始破壞時,可以經受循環(huán)次數為35次左右。并得出了質量損失率、相對動彈性模量以及相對耐久性的計算公式。
2011年湖南科技大學的李偉[11]通過研究得出了抗凍性與目標孔隙率以及水灰比的關系。同樣水灰比情況下,孔隙率越大,抗凍性能越差。第一主要表現在抗壓強度方面,凍融次數越多,抗壓強度損失率越多。第二主要表現為質量損失方面,凍融次數越多,質量損失越大。
2012年哈爾濱工業(yè)大學的劉星雨[12]通過研究發(fā)現透水混凝土的抗凍性隨骨料粒徑減小而提高、隨水灰比的增大而明顯降低、隨漿體骨料質量比的增加而提高,在保證良好的透水性能和力學性能的前提下,得到1~2cm級骨料粒徑、0.25的水灰比、0.245的漿體骨料質量比為最佳設計參數的結論。并在此基礎上設計了一種抗凍性、耐久性優(yōu)良,透水性能、抗壓強度滿足要求的透水混凝土。
2013年大連理工大學的胡立國[13]通過研究對比發(fā)現,慘加硅灰、粉煤灰的透水混凝在50次凍融循環(huán)后抗壓強度損失大多控制在10%以內,100次凍融循環(huán)抗壓強度損失也未超過20%,150次凍融后抗壓強度損失在25%以內,因此,加入硅灰、粉煤灰對增強透水混凝土的抗凍性產生明顯作用。
目前透水混凝土相比普通混凝土的抗凍性仍然比較差,還需要開展大量的研究。
4.2 吸聲降噪性
隨著經濟的發(fā)展,私家車快速的增長,給城市中的人群帶來了很大的噪音影響,而目前沒有一套合理的措施來解決城市的噪音污染,由于透水混凝土具有較大的孔隙,因此對于噪音的緩解具有重要作用,透水混凝土吸聲主要通過穿過孔隙中的聲波與孔隙中的空氣黏滯和摩擦,將聲能轉化為熱能消耗掉,如此反復,達到吸聲降噪。
2004年東南大學霍亮等[14]研究發(fā)現復合式透水性混凝土吸聲系數的峰值范圍在500Hz左右,平均吸聲系數為0.351,單層式的在700Hz左右,平均吸聲系數0.3,而密實混凝土吸聲系數起伏不大?;酒街?,平均吸聲系數0.136。
2012年濟南市市政工程設計研究院李睿、郇家明等[15]通過研究發(fā)現透水混凝土路面降噪效果受混合料空隙率、骨料級配及路面鋪筑厚度的直接影響,一定厚度的情況下,空隙率越大,降噪效果越顯著。隨著透水混凝土路面鋪筑厚度的增加,吸聲系數向低頻段轉移,為了獲得更加穩(wěn)定的降噪特性和頻響特性,透水混凝土路面的厚度宜為40~50mm或最大公稱粒徑的2~2.5倍左右為合適。
2014年浙江工業(yè)大學的倪彤元、邰惠鑫等人[16]研究發(fā)現不同孔隙率的透水混凝土試件的低頻段聲波吸收能力相差不大。隨著孔隙率的增加,吸聲系數也增大。在孔隙率相同的情況下,隨著透水混凝土鋪裝層厚度的增加,中低頻段的吸聲系數有增大的趨勢,而在高頻段的吸聲系數則有減小的趨勢。透水混凝土鋪裝層的配比設計應綜合考慮滲透性、強度、吸聲性能等因素,從吸聲性能考慮,得出最佳透水混凝土鋪裝層的孔隙率為17%~22%。
4.3 抗疲勞性能
由于透水性混凝土為了保證良好的透水性因此其內部孔隙多連通,界面復雜且強度較低等特征,在車輛的反復荷載作用下極易產生應力集中現象,導致混凝土內部損傷不斷積累并且擴展進而導致疲勞破壞[17]。
2004年長安大學鄭木蓮等[18]通過室內小梁彎拉疲勞試驗,得出透水混凝土疲勞壽命及等效疲勞壽命均服從雙參致威布爾分布.并通過此數學模型建立了不同失效概率下兩種形式的雙對數方程。
2008年L.T.Mo等[19]采用有限元模型,以應力水平和疲勞壽命為指標對透水混凝土抗疲勞性能進行數值分析,指出透水混凝土特定區(qū)域的應力集中現象是導致其早期脫落的重要原因。
2009年解放軍理工大學的卓義金、李志剛等[20]通過對疲勞方程的對比得出:摻加改性劑可以改善混合料的和易性,并且在水泥表面形成較厚的立體包層,使水泥達到較好的分散效果,同時也改善了水泥膠結料與骨料間的界面狀態(tài),使得混凝土具有較好的疲勞韌性。加強了界面延性,提高了材料在荷載作用下界面產生裂隙的初始荷載水平。同時,改性劑在漿體內形成聚合物網絡結構,可以起到增加強度和改善抗變形性能的效果。
與普通混凝土不同,透水混凝土是一種骨架-空隙結構,它是以單粒級粗集料作為骨架,導致出現強度低、容易堵塞、抗凍性和抗疲勞性差的問題。如何提高其抗壓、抗折強度和減小堵塞是目前研究的關鍵問題。
通過研究發(fā)現采用以下三種方法可以有效提高透水混凝土強度:①減小骨料粒徑;②摻入適量的硅粉和高效減水劑;③加入有機增強劑。其次,由于其孔隙較大,因此會導致很多塵土通過風的吹送而堵塞孔隙,造成其無法透水,尤其我國北方氣候干燥,塵土較多,更容易造成透水不暢,隨著時間的積累最終導致無法透水。在孔隙堵塞方面目前國內的研究成果相對較少,早期的研究發(fā)現透水混凝土路面使用5年后,其滲透性降低了90%[21-22]。透水性降低的原因是由于部分雨水攜帶的大量泥土、細砂、碎片等雜質隨水流不斷進入透水混凝土的孔隙而造成堵塞。除此之外,清理路面產生的灰塵以及植被的落葉、揚沙都可能造成孔隙堵塞。減少混凝土的堵塞,主要有以下三種方式:①清掃后吸塵;②高壓水沖洗;③浸潤后清掃。另外對透水混凝土在透氣、透水、吸聲降噪、凈化水體等方面進行更加深入的研究,以拓展其在生態(tài)環(huán)保領域的應用。
相對于歐美、日本等國,我國的透水混凝土應用是非常少的,主要是因為其抗壓強度比較低,容易出現大量堵塞,另外其抗凍性也相對較差,導致在我國北方的應用非常少。通過研究得出,在透水混凝土中加入適量的硅粉和改性劑并將孔隙率控制在17%~22%,能夠提高混凝土強度并改善其抗凍性、抗疲勞性和吸聲降噪性。相信通過深入研究并憑借其優(yōu)良的環(huán)保性能,透水混凝土在未來的應用將會更加廣泛。
[1]GhMoori.Nader,DuttaShivaji.Developrnent of no-fines concretepavementapplications[J].Journalof TransportationEngineefing,1995,121(3):283-288.
[2]BenjaminO.Brattebo,DerekB.Booth.Long-term stormwaterquantityandqualityperformanceof permeablepavementsystems[J].WaterResearch,2003: 4369-4376.
[3]MariaA.Hernandez-Saenz,SilviaCaro,Mixdesign,performance and maintenance of Permeable concrete[J]. Construction and Building Materials,2016(111):358-367.
[4]玉井元治.コニクリートの髙性能[J].髙機能化(透水性コニクリート)コニクリート工學,32(7):133-138
[5]Yail J.Kim,Adel Gaddafi,Permeable concrete mixed with various admixtures,Materials and Design[J].2016 (100):110-119.
[6]楊靜,蔣國梁.透水性混凝土路面材料強度的研究[J].混凝土,2000,10:27-30.
[7]鄭木蓮,多孔混凝土排水基層研究[D].長安大學,2004.
[8]吳冬,劉霞,吳小強,趙西寬.成型方式和砂率對透水混凝土性能的影響[J].混凝土,2009,05:100-102.
[9]龔平,謝先當,李俊濤.成型工藝對再生骨料透水混凝土性能的影響研究[J].施工技術,2015,12:65-68.
[10]萬煒.透水性生態(tài)混凝土的制備及抗凍性研究[D].江蘇大學,2006.
[11]李偉.透水性混凝土力學性能及其在護坡板上的應用研究[D].湖南科技大學,2011.
[12]劉星雨.透水混凝土抗凍性的影響因素研究[D].哈爾濱工業(yè)大學,2012.
[13]胡立國.透水混凝土的抗凍性研究 [D].大連交通大學,2013.
[14]霍亮.透水性混凝土路面材料的制備及性能研究[D].東南大學,2004.
[15]李睿,郇家民,肖鵬飛.多孔瀝青混凝土路面的降噪特性[J].北方交通,2012,06:54-56.
[16]倪彤元.邰惠鑫.多孔性混凝土鋪裝層吸聲性能研究[J].北方建筑材料,2014,41(3).
[17]吳金榮,董曉紅,馬芹永.聚酯纖維摻量對瀝青混凝土疲勞性能影響的試驗與分析[J].公路,2014,(7):314-317.
[18]鄭木蓮,王秉綱,胡長順.多孔混凝土疲勞性能的研究[J].中國公路學報,2004,01:11-15.
[19]MOLT,HUURMANM,WUSP,eta1.2Dand3Dmeso-scale finite element models for ravelling analysis of porous asphalt concrete[J].Finite Elements in Analysis and Design,2008(44):186-196.
[20]卓義金,李志剛,陳志勇.新型改性劑對多孔混凝土疲勞性能影響研究[J].國防交通工程與技術,2009,04:19-22.
[21]Wei,I w.Installation and evaluation of permeable pavement at Walden Pond state reservation[R].Report to theCommonweathofMassachusettsDivisionofWater PollutionControl,Boston:NortheastemUniversity Department ofCivil Engineering,1986.
[22]John M S St.,Homer R R.Effect on road shoulder treatments on highway runoff quality and Quantity[R]. WA-RD-4291,WashingtonStateDepartmentof Transportation,Olympia,wA,1997.