汪 慶，王小笑，羅梓茗，唐少龍，萬(wàn)思源

(江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029)

0 引 言

透水混凝土并不是現(xiàn)代新式材料，早在約150年前，歐洲就已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行對(duì)多孔水泥混凝土的制備，制造出許多預(yù)制混凝土構(gòu)件，并將它用于對(duì)房屋的建設(shè)[1，2]。目前，國(guó)內(nèi)的某些設(shè)計(jì)院、科研院所，相關(guān)大學(xué)對(duì)透水混凝土進(jìn)行了相關(guān)研究。例如，依托于國(guó)建局，中建科研院在1993年研究了透水混凝土與透水磚的研究，并且進(jìn)行了實(shí)際的試點(diǎn)應(yīng)用，取得了很好的評(píng)價(jià)[3，4]。1998年交通運(yùn)輸部鑒定，專家認(rèn)為鋪筑的透水混凝土磚技術(shù)具有國(guó)際先進(jìn)水平[5]。目前各大設(shè)計(jì)院以及科研部門對(duì)于透水混凝土的綠色環(huán)保功能十分青睞，已經(jīng)在一線城市進(jìn)行了推廣[6，7]。20世紀(jì)90年代，經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，在透水混凝土中加入外加劑以及增強(qiáng)劑，可以大幅度的提高混凝土的強(qiáng)度[8]。長(zhǎng)安大學(xué)的王秉綱教授和鄭木蓮博士在1999年做過(guò)多孔水泥混凝土排水基層的相關(guān)研究，給出了水泥穩(wěn)定碎石排水基層的建議級(jí)配，采用正交試驗(yàn)法和均勻設(shè)計(jì)法分別對(duì)振動(dòng)成型和插搗成型多孔水泥混凝土進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)的配合比設(shè)計(jì)方法[9-11]。

本文通過(guò)查閱文獻(xiàn)，了解碳纖維混凝土蓋板的使用功能及制作所需原材料的參數(shù)、性能指標(biāo)，分析透水混凝土的強(qiáng)度形成機(jī)理以及透水機(jī)理。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)判斷和確定所需儀器、制作方法等，進(jìn)行多組力學(xué)性能試驗(yàn)和透水性能試驗(yàn)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析不同水灰比、碳纖維體積率以及孔隙率對(duì)碳纖維透水混凝土的水力學(xué)性能影響規(guī)律；深入研究碳纖維透水混凝土強(qiáng)度與透水性能之間的關(guān)系，得出滿足要求的最優(yōu)配合比。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料及主要性能

透水混凝土一般是由水泥、水、粗骨料、少量或者沒(méi)有細(xì)集料、化學(xué)添加劑等攪拌成的具有多孔隙的混凝土。由于透水混凝土形成過(guò)程以及力學(xué)性能以及透水性能要求等方面較普通混凝土要求嚴(yán)格，所以對(duì)原材料的選擇，主要從水泥強(qiáng)度等級(jí)、粗骨料粒徑及外加劑添加等方面考慮。

水泥：配制C25以下的混凝土，主要選用強(qiáng)度等級(jí)32.5以下硅酸鹽水泥；配制C30以上的混凝土宜選用強(qiáng)度等級(jí)42.5及以上的水泥；本文主要選用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。

粗集料：粗骨料分為連續(xù)級(jí)配、間斷級(jí)配和單粒級(jí)配。從力學(xué)強(qiáng)度來(lái)看，連續(xù)級(jí)配高于間斷級(jí)配和單粒級(jí)配，從透水性能上看，單粒級(jí)配和間斷級(jí)配高于連續(xù)級(jí)配。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該視情況而定，透水混凝土既要滿足透水性能又要滿足力學(xué)性能，一般選用單一粒徑來(lái)制備具有較高強(qiáng)度透水混凝土。

水：和普通混凝土的要求一樣，透水混凝土的配置要求是：不影響混凝土的強(qiáng)度及耐久性；不阻礙混凝土的硬化及凝結(jié)；對(duì)混凝土表面不污染等。因此，能夠用來(lái)飲用的清潔無(wú)雜質(zhì)的自來(lái)水，即可用來(lái)滿足透水混凝土的攪拌、養(yǎng)護(hù)。

碳纖維：由實(shí)驗(yàn)室提供，具有強(qiáng)度高，模量高，易分散，導(dǎo)電性好的特點(diǎn)。

粉煤灰：粉煤灰摻加在混凝土中的作用是節(jié)約大量的水泥和細(xì)集料，減少用水量，改善混凝土拌合物的和易性，減少混凝土的徐變提高混凝土的抗?jié)B能力。

減水劑：就是減少攪拌混凝土?xí)r對(duì)水的使用量，改善砂漿的和易性、減少泌水和離析，使混凝土的強(qiáng)度增強(qiáng)。

1.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

1.2.1 配合比設(shè)計(jì)原則

本文提出的設(shè)計(jì)方法基于《混凝土的填充包裹理論》。該理論的具體描述為在緊密堆積狀態(tài)下，骨料與骨料之間被水泥等漿體均勻粘結(jié)被包裹在一起，膠結(jié)材料硬化后，混凝土多孔堆積，就形成了具有很多孔隙的混凝土結(jié)構(gòu)。

1.2.2 配合比設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)水灰比

配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中，水灰比是影響透水混凝土力學(xué)性能和透水性能的一個(gè)重要指標(biāo)。漿體過(guò)稀過(guò)稠都會(huì)導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度下降。

(2)粗集料的使用量

使用的粗集料緊密堆積密度ρ1、表觀密度ρ2及集料的空隙率P0。該集料每立方米堆積狀態(tài)下的質(zhì)量就是混凝土粗集料的使用量，考慮到理論上和實(shí)際上的差異性，一般要乘以折減系數(shù)0.98。

(3)目標(biāo)孔隙率

目標(biāo)孔隙率主要影響著透水混凝土的透水系數(shù)，且對(duì)目標(biāo)孔隙率的選定直接關(guān)系到實(shí)際中的孔隙情況變化。根據(jù)現(xiàn)有的資料選取10%、15%、20%作為本文的三種目標(biāo)孔隙率。

(4)碳纖維體積率

和普通混凝土相比，透水混凝土強(qiáng)度上明顯不足，特別是體現(xiàn)在抗折強(qiáng)度上，因此在透水混凝土中摻入碳纖維，對(duì)增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度作用巨大。根據(jù)現(xiàn)有的資料選取的碳纖維直徑為7 μm，長(zhǎng)度為10 mm，碳纖維體積率為 0%、1.0%、1.5%、2.0%。

1.3 試驗(yàn)方法

攪拌工藝：將1/2的粗集料、水泥、粉煤灰、減水劑、50%～60%的水混合均勻攪拌2 min，隨后再加入粗骨料以及剩下的水?dāng)嚢? min。

試塊制作及養(yǎng)護(hù)：利用上述攪拌方式攪拌后，分3層裝模，每層用搗棒插搗10次，加以人工輕輕振動(dòng)，填滿后微微磨平。自然養(yǎng)護(hù)24 h后拆模。尺寸是100×100×100 mm3的試件用于試驗(yàn)的抗壓、抗折強(qiáng)度；每組試驗(yàn)做6個(gè)試件，3個(gè)用于抗壓試驗(yàn)，3個(gè)用于透水試驗(yàn)；尺寸為100×100×400 mm3的試塊用于抗折試驗(yàn)，每組試驗(yàn)做3個(gè)試件。

采用自然養(yǎng)護(hù)，由于用于試驗(yàn)的所有試件均是在夏季完成，溫度較高，在35C°左右，所以試件脫模成型后，應(yīng)該放在陰涼處，用塑料薄膜覆蓋，并且每間隔24 h灑水一次，連續(xù)灑水7天。

2 混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)研究

2.1 孔隙率對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

透水混凝土有3種孔隙：外部完全封閉，內(nèi)部有空隙的孔；外部開(kāi)口，內(nèi)部不連續(xù)的孔；上下貫通，連續(xù)的孔。正是由于孔隙上下貫通才能夠保證透水混凝土的透水性，但也是導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低的原因，因此為了保證混凝土的強(qiáng)度以及透水性，合理選擇孔隙率十分重要。由于上一小節(jié)研究了碳纖維體積率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，確定了碳纖維體積率為1%～1.5%時(shí)能夠滿足透水蓋板的路用性能，因此選取碳纖維體積率為1%～1.5%；水灰比為0.20，0.25，0.30，0.35；孔隙率10%，15%，20%不同情況下的試驗(yàn)，得出以下數(shù)據(jù)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制孔隙率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖。

(1)碳纖維體積率為1%時(shí)，孔隙率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如表1，圖1。

表1 孔隙率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系(碳纖維體積率為1%)

圖1 孔隙率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系(碳纖維體積率為1%)

從表1和圖1觀察到，在碳纖維體積率為1%，孔隙率為10%，15%，20%的條件下，分析關(guān)系曲線的整體分布趨勢(shì)，抗壓強(qiáng)度隨著孔隙率的增大而減小。水灰比為0.20和0.30時(shí)，由圖中曲線得出混凝土的抗壓強(qiáng)度幅度變化幾乎一致，表明孔隙率在10%～15%之間，混凝土抗壓強(qiáng)度減弱不明顯。水灰比為0.25和0.35時(shí)，孔隙率在10%～15%之間，混凝土抗壓強(qiáng)度幅度變化大，為17.3%和10.2%，孔隙率在15%～20%之間，混凝土抗壓強(qiáng)度幅度變化小，為3.5%和4.3%，表明隨著孔隙率的增大，混凝土強(qiáng)度變化趨于穩(wěn)定。觀察到水灰比為0.35時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于其他水灰比下的抗壓強(qiáng)度，因此在進(jìn)行混凝土蓋板配比時(shí)，為保證混凝土強(qiáng)度盡量減少水灰比數(shù)值。

(2)碳纖維體積率為1.5%時(shí)，孔隙率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如表2，圖2。

表2 孔隙率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系(碳纖維體積率為1.5%)

圖2 孔隙率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系(碳纖維體積率為1.5%)

從表2和圖2觀察到，在碳纖維體積率為1.5%，孔隙率為10%，15%，20%的條件下，分析關(guān)系曲線的整體分布趨勢(shì)是抗壓強(qiáng)度隨著孔隙率的增大而減小。與圖1曲線不同，圖2的曲線變化更加平順。水灰比不同，孔隙率為10%～15%之間時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度幅度變化小，表明混凝土抗壓強(qiáng)度減弱不明顯；孔隙率為15%～20%之間時(shí)，混凝土強(qiáng)度變化幅度較大，表明混凝土抗壓強(qiáng)度減弱明顯，因此碳纖維體積率為1.5%時(shí)，孔隙率控制在10%～15%之間，混凝土的抗壓強(qiáng)度較大，能夠更好地滿足混凝土蓋板的路用性能。

綜合以上兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，為了保證混凝土透水蓋板的抗壓強(qiáng)度滿足路用性能，應(yīng)盡量選擇孔隙率為10%～15%配制透水混凝土。根據(jù)圖2得出，水灰比為0.35時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于其他水灰比下的抗壓強(qiáng)度，故在配制透水混凝土?xí)r應(yīng)該盡量減少水灰比值。

2.2 水灰比對(duì)透水混凝土抗折強(qiáng)度的影響

(1)孔隙率為10%時(shí)，水灰比與抗折強(qiáng)度的關(guān)系如表3，圖3。

表3 水灰比與抗折強(qiáng)度的關(guān)系(孔隙率為10%)

圖3 水灰比與抗折強(qiáng)度的關(guān)系(孔隙率為10%)

從表3和圖3觀察到在同一條曲線下，即在固定的碳纖維體積率下，曲線的整體趨勢(shì)是混凝土的抗折強(qiáng)度隨著水灰比的變化先增大后減小，除碳纖維體積率為2.0%的曲線外，其它三條曲線均在水灰比0.30處混凝土抗折強(qiáng)度達(dá)到峰值。水灰比為0.20～0.25時(shí)，試塊抗折強(qiáng)度上升幅度為26.7%，13.1%，12.6%，10.7%；水灰比為0.25～0.30時(shí)，抗折強(qiáng)度上升幅度為10.9%，11.3%，10.6%；7.1%；水灰比為0.30～0.35之間時(shí)，抗折強(qiáng)度下降幅度18.1%，11.4%，12.8%，8%，水灰比為0.25～0.30時(shí)，幅度變化相對(duì)較小，說(shuō)明水灰比為0.25～0.30時(shí)，混凝土的抗折強(qiáng)度增強(qiáng)不明顯，強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在水灰比相同時(shí)，碳纖維體積率為0%的曲線與其它曲線數(shù)值差距較大，表明水灰比相同時(shí)，碳纖維的摻入對(duì)混凝土的抗折強(qiáng)度影響很大。為了滿足混凝土蓋板的路用性能，水灰比盡量在0.25～0.30之間。

(2)孔隙率為15%時(shí)，水灰比與抗折強(qiáng)度的關(guān)系如表4，圖4。

表4 水灰比與抗折強(qiáng)度的關(guān)系(孔隙率為15%)

圖4 水灰比與抗折強(qiáng)度的關(guān)系(孔隙率為15%)

從表4和圖4觀察到，碳纖維體積率為1.5%、2.0%時(shí)，曲線的趨勢(shì)是混凝土的抗折強(qiáng)度隨著水灰比的增大先增大后減小，水灰比0.3時(shí)達(dá)到峰值。水灰比為0.2～0.3之間時(shí)碳纖維體積率為1.5%的曲線增加幅度明顯大于碳纖維體積率為2.0%的曲線幅度，表明水灰比一定的情況下，碳纖維體積率為1.5%的混凝土抗折強(qiáng)度的彎拉性能更好；碳纖維體積率為0、1.0%時(shí)曲線的趨勢(shì)是隨著水灰比的增加而增加，水灰比為0.30～0.35之間時(shí)曲線趨勢(shì)增加不再明顯，表明水灰比達(dá)到一定值時(shí)混凝土的抗折強(qiáng)度難以再增強(qiáng)。與圖3相似，水灰比相同時(shí)，碳纖維體積率為0%的曲線與其它曲線數(shù)值差距較大，表明水灰比相同時(shí)，碳纖維的摻入對(duì)混凝土的抗折強(qiáng)度影響很大。結(jié)合圖中的四條曲線趨勢(shì)，在對(duì)透水混凝土蓋板設(shè)計(jì)時(shí)，水灰比盡量控制在0.25～0.30之間。

(3)孔隙率為20%時(shí)，水灰比與抗折強(qiáng)度的關(guān)系如表5，圖5。

表5 水灰比與抗折強(qiáng)度的關(guān)系(孔隙率為20%)

圖5 水灰比與抗折強(qiáng)度的關(guān)系(孔隙率為20%)

從表5和圖5觀察到，在同一條曲線下，即在固定的碳纖維體積率下，曲線的整體趨勢(shì)是混凝土的抗折強(qiáng)度隨著水灰比的變化先增大后減小，均在水灰比0.30處混凝土抗折強(qiáng)度達(dá)到峰值。碳纖維體積率為0、1.0%、1.5%時(shí)，3條曲線的變化趨勢(shì)相似，表明水灰比對(duì)抗折強(qiáng)度的影響與碳纖維的量關(guān)系不大。水灰比0.25～0.30之間，混凝土抗折強(qiáng)度幅度變化較大，表明在此區(qū)間的水灰比內(nèi)，改變水灰比的大小能夠更好地改變混凝土扥抗折強(qiáng)度。碳纖維體積率為2.0%時(shí)，曲線整體幅度變化很小，表明碳纖維體積率較大的情況下，水灰比的增加并不能使混凝土的抗折強(qiáng)度增大，也就是說(shuō)應(yīng)盡量減少混凝土中碳纖維的摻量。與圖3、4相似，水灰比相同時(shí)，碳纖維體積率為0%的曲線與其它曲線數(shù)值差距較大，表明水灰比相同時(shí)，碳纖維的摻入對(duì)混凝土的抗折強(qiáng)度影響很大。

綜合以上3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，為了保證混凝土透水蓋板的抗折強(qiáng)度滿足路用性能，應(yīng)盡量選擇水灰比為0.25～0.30配制透水混凝土。

3 結(jié) 論

(1)選用質(zhì)量法來(lái)測(cè)試的實(shí)測(cè)孔隙率與目標(biāo)孔隙率幾乎完全符合，水灰比為0.30時(shí)，目標(biāo)孔隙率與實(shí)測(cè)孔隙率的符合度最為接近，其次水灰比為0.20。碳纖維體積率為1 %時(shí)目標(biāo)孔隙率與實(shí)測(cè)孔隙率符合度最高，其次為碳纖維體積率為1.5%。

(2)綜合抗壓、抗折試驗(yàn)數(shù)據(jù)，混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度隨著碳纖維體積率的增加先增大后減小，在碳纖維體積率為1.5%時(shí)達(dá)到峰值，為了保證混凝土透水蓋板的抗壓、抗折強(qiáng)度滿足路用性能以及兼顧經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)盡量選擇碳纖維體積率為1%～1.5%配制透水混凝土。

(3)綜合抗壓、抗折試驗(yàn)數(shù)據(jù)，混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度隨著孔隙率的增大而減小，為了保證混凝土透水蓋板的抗壓、抗折強(qiáng)度滿足路用性能，應(yīng)盡量選擇孔隙率為10%～15%配制透水混凝土。