劉相如,周新剛,張忠杰,宋振宇

(煙臺大學土木工程學院 山東 煙臺 264005)

透水混凝土是多孔混凝土的一種,是由一系列相連通的孔隙和混凝土實體部分骨架構成的具有透氣、透水性的多孔結構的混凝土．與普通混凝土不同,透水混凝土僅有少量的細骨料或不含細骨料,主要靠包裹在粗骨料表面的硬化漿體將骨料膠結在一起．為保證透水性,透水混凝土要求有一定的連通空隙,這些空隙是保證其透水的前提[1]．空隙既是保證透水性的重要參數,也是影響混凝土力學性能的重要參數．目前透水混凝土的一般物理力學性能已有較多研究,蔣正武等研究了若干因素如骨料級配、粒徑、目標空隙率、骨灰比、水灰比、外加劑、攪拌工藝等對多孔透水混凝土的空隙率、透水系數與抗壓強度等性能的影響,發(fā)現(xiàn)骨料粒徑與級配是影響多孔透水混凝土性能的關鍵因素,采用目標空隙率能較好的控制透水性,強度的要求需要通過不同的水灰比來調整,但凍融性能研究的則較少[2-5]．而在受凍融循環(huán)影響的北方地區(qū),良好的凍融性能,對延長透水混凝土的使用壽命具有重要意義．因此,研究空隙與物理力學性能的關系、特別是與凍融性能的關系十分重要．透水混凝土的空隙大,空隙結構的連通性較強,其凍融機理及性能與普通混凝土不同．本文使用3種粒徑骨料,設置3個目標空隙率,開展透水混凝土抗凍融試驗,進一步豐富了透水混凝土抗凍融性能研究．

1 試 驗

1.1 原材料

試驗所用的骨料參數見表1;水泥采用冀東42.5R普通硅酸鹽水泥,水泥的表觀密度為3 050 kg·m-3;水采用自來水．

1.2 配合比

本試驗采用體積法[6]進行配合比計算,配合比參數見表2．

表1 骨料參數Tab.1 Aggregate parameters

表2 試驗配合比Tab.2 Test proportion of mixture

表中,Mg為骨料質量,Mc為水泥質量,Mw為水的質量．

試件制作完成后,標準養(yǎng)護28 d后進行試驗．試驗中首先測試了各組透水混凝土試件的抗壓強度和抗折強度,然后分別進行空隙率、透水系數及凍融性能試驗．

1.3 實際空隙率及透水系數測試

采用重量法測試實際空隙率,測試步驟如下:(1)將養(yǎng)護好的透水混凝土試件取出,放在105±5 ℃的干燥箱中24 h烘干,取出后將其冷卻至室溫,用游標卡尺量出試件的尺寸,并計算其體積V;(2)將試件完全浸泡在水中,待無氣泡出現(xiàn)時讀取試件在水中的質量m1;(3)取出試塊放在60 ℃烘箱中烘24 h后稱量試件的質量m2;(4)按公式(1)計算透水混凝土試件的實際空隙率Va,并取每組3個試件的算術平均值作為最終測試結果．

%,

(1)

式中：Va為實測空隙率(%),

m1為試塊在水中質量(g),

m2是為試塊干重(g),

V為試塊實際體積(cm3)．

根據達西定律,采用固定水頭法測試透水混凝土的透水系數．測試步驟為:(1)用黃油和膠帶將透水混凝土4個面封住．(2)將透水混凝土試件放入透水儀測試桶中,并確保試件與桶內壁緊密接觸,發(fā)現(xiàn)缺口應用黃油封堵．(3)將測試桶放入溢水槽中,并向測試桶中通水．(4)待溢水槽出水口平穩(wěn)出水,測試桶中水位穩(wěn)定,將量筒放置溢水槽出水口,并開始計時．(5)計時3 min時,記下量筒中水的體積,計算透水系數．測試結束后,按照公式(2)計算透水系數：

(2)

式中：KT為水溫T℃時的透水系數(mm·s-1),

Q1為t時間內流過透水混凝土試件的水量(mm3),

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L為透水混凝土試件的厚度(mm),

A為透水混凝土試件的橫截面積(mm2),

h為水頭差(mm),

t為測定時間(s)．

1.4 抗凍融循環(huán)性能

由于尚沒有透水混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準,參照文獻[7]中快凍法進行試驗研究,將透水混凝土試件放進凍融循環(huán)機,進行凍融循環(huán)試驗,每25次循環(huán)后檢查外觀破損情況并測其重量及動彈模．當透水混凝土試件質量損失達到5%或者相對動彈模下降到60%以下,試驗結束,分析其凍融性能．根據文獻[7],本次試驗透水混凝土抗凍等級也以相對動彈模量下降至不低于60%或者質量損失率不超過5%時的最大凍融循環(huán)次數來確定．

2 試驗結果分析

2.1 強度

從表3中數據分析可得,在同一目標空隙率下,骨料粒徑越大,透水混凝土強度越低．這主要原因是骨料粒徑越大,骨料之間的接觸越少,骨料間機械咬合力以及與漿體的粘結力減小．從圖1—3的切片照片中可以看到,骨料粒徑越大,成型后透水混凝土空隙直徑越大,骨料之間的接觸越?。酥?據表3實驗數據計算,在3種骨料粒徑下,目標空隙率從11%增大到16%,28 d強度分別降低27.8%、24.8%和21.3%;目標空隙率從16%增大到21%,28 d強度分別降低27.1%、23.6%和19.9%．由此可見,各種骨料粒徑情況下,28 d強度降低與目標空隙率增加變化規(guī)律基本一致,降低幅度與目標空隙率增加基本呈線性變化,見圖4．但從7 d強度變化規(guī)律看,目標空隙率的增加并沒有顯著地降低透水混凝土的7 d強度．

圖5—7為同一骨料粒徑,但目標空隙率不同的透水混凝土的切片．從圖可見,隨目標空隙率的增大,不僅空隙數量增大、空隙體積增大,而且空隙的連通性顯著增大．由表3知,目標空隙率越大,漿骨比越小,說明骨料周圍包裹的漿體越少,骨料之間的界面粘結性能越差,混凝土強度越低．值得注意的是,在骨料粒徑分別為4.75～9.50 mm和9.50～16.00 mm 2種情況下,空隙率大的情況下,其抗折強度與抗壓強度的比反而比空隙率小的情況大．普通混凝土28 d抗折強度/抗壓強度約為1/8～1/7,而試驗得到的透水混凝土28 d抗折強度/抗壓強度約為1/6～1/4．說明透水混凝土的抗折與抗壓強度之比高于普通混凝土,空隙對抗壓強度的影響更大．在骨料粒徑為16.00～19.00 mm的情況下,雖然空隙率為21%時,抗折與抗壓強度的比值最低,但3種骨料粒徑的比值基本接近．這說明在大的骨料粒徑情況下,雖然空隙率較大,但骨料之間的咬合和嵌連作用較強,使透水混凝土的抗折強度降低的并不明顯．綜合強度試驗結果,空隙率從11%增加到21%,抗壓強度降低40%～50%,因此過大的目標空隙率使混凝土抗壓強度有較大的降低．

圖1 CA1-3組切面Fig.1 Cutting plane of the CA1-3 group

圖2 CA2-3組切片F(xiàn)ig.2 Cutting plane of the CA2-3 group

圖7 CA1-3組切片F(xiàn)ig.7 Cutting plane of the CA1-3 group

2.2 透水系數及實測空隙率

從表4及圖8可見,同一粒徑下,隨著目標空隙率的增大,水泥用量的減少,骨料之間原來不連通的空隙會逐漸減少同時連通空隙會逐漸變多,空隙直徑也會變大,整個骨架透水的通道增多而使其透水系數變大．從圖5、圖6、圖7可見,同一粒徑下,隨著目標空隙率的增大,切面顯示空隙數量變多、直徑變大,透水系數逐漸升高,同時試塊逐漸變?yōu)槎嗫障兜墓羌芙Y構．從圖9可見,骨料粒徑4.75～9.50 mm下,透水系數與目標空隙率基本呈線性關系．

表4 透水系數及實測空隙率Tab.4 Permeability coefficient and measured void ratio

圖8 不同組的透水系數Fig.8 Permeability coefficients of different groups

圖9 骨料粒徑4.75～9.50 mm透水混凝土透水系數與目標空隙率關系Fig.9 Relationship between permeability coefficient and target void ratio of permeable concrete with particle size of 4.75-9.50 mm

在同一目標空隙率的情況下,骨料粒徑越大,透水系數越高,說明在相同的目標空隙率情況下,骨料粒徑越大,空隙連通性越好．值得注意的是,在骨料粒徑大、目標空隙率小的情況下,由于漿體的富集效應,漿體會富集到試件的底部,堵塞了骨料之間的空隙,在試件底部形成了一層較為密實的層,致使透水性較差．表4中CA2-1組、CA2-2組、CA3-1組、CA3-2組就是這種情況．因此,在實際透水混凝土施工中,在目標空隙率較小的情況,應注意防止出現(xiàn)這樣的情況．透水混凝土的空隙直徑和骨料粒徑也有直接關系．從圖1、圖2、圖3中可以看出,在目標空隙率相同的情況下,骨料粒徑越大,透水混凝土空隙的數量越少,空隙直徑越大,空隙的連通性越好,透水系數越大．

2.3 凍融性能

試驗表明,透水混凝土的凍融破壞經歷以下幾個階段:表面水泥漿體剝落,見圖11．圖10為未凍融的試件,圖11為凍融試件早期的表面情況,比較圖10與圖11可見,圖11中透水混凝土表面漿體剝落,露出骨料表面;漿體與骨料之間產生裂縫,隨著漿體的不斷剝落,表層骨料也開始剝落,見圖12,棱角部位的骨料開始剝落;最終裂縫不斷發(fā)展、擴大與貫穿,見圖13、圖14,直至發(fā)生缺損、崩塌,見圖15．從凍融破壞形態(tài)看,透水混凝土的凍融破壞和普通混凝土的凍融破壞有顯著的差別．透水混凝土由于存在較大的空隙,混凝土內部的凍融損傷較早發(fā)生,而普通混凝土的內部凍融損傷發(fā)生的則較晚．除此之外,透水混凝土發(fā)生破壞時,會形成明顯的貫通裂縫,而普通混凝土則以形成微細裂縫和表面質量損失為主．

圖10 未凍融試塊Fig.10 Test block for unfrozen-thaw cycle

圖11 試塊表面漿體脫落Fig.11 The cement paste on the surface of the test block falls off

根據靜水壓和滲透壓理論[8-10],透水混凝土凍融破壞的主要機理是:在凍結過程中,首先從表面開始凍結,溫度繼續(xù)降低,透水混凝土連通和半連通空隙開始凍結;結冰發(fā)生體積膨脹,一方面使混凝土產生拉應力而產生裂縫,另一方面壓縮未凍結的水繼續(xù)向內部孔隙遷移;遷移過程要克服粘滯阻力,產生靜水壓而削弱漿體的粘結作用．同時,隨著水不斷向內部遷移,凝膠體中毛細孔中的水也會逐漸結冰,未結冰部分的水會處于過冷狀態(tài),形成較高的蒸汽壓,使混凝土凝膠體受到較大的滲透壓作用而在孔隙周圍形成拉應力,導致凝膠體受拉破壞．反復的凍結融化作用,使空隙周圍不斷產生拉應力、凝膠體與骨料界面發(fā)生破壞、凝膠體受拉破壞,最終導致透水混凝土發(fā)生凍融破壞．

圖12 試塊裂縫產生、骨料脫落Fig.12 Test block cracks, aggregates fall off

圖13 試塊裂縫加深、加寬、延伸Fig.13 Cracks on the test block are deepened, widened, and extended

圖14 試塊裂縫貫穿Fig.14 Cracks on the test block run through

圖15 試塊向內部崩塌Fig.15 The test block collapses into the interior

圖16和圖17分別為透水混凝土質量損失和相對動彈模隨凍融循環(huán)次數的變化情況．凍融試驗中,以質量損失率達到5%或相對動彈模下降到60%為凍融破壞標志．試驗表明,所有試件動彈模下降到60%都先于質量損失率達到5%．其中骨料粒徑為16.00～19.00 mm的2組試件CA3-1和CA3-2,當動彈模下降到60%以后,很快發(fā)生整體斷裂．

圖16 質量損失率的變化Fig.16 Changes of percent mass loss

圖17 相對動彈模的變化Fig.17 Changes of relative dynamic modulus

從圖16質量損失率的變化情況可見,隨凍融循環(huán)次數的增加,質量損失率增大．但在凍融循環(huán)次數小于75次時,質量損失率隨循環(huán)此處的變化相對較小,大于75次則顯著增大．各種粒徑和目標空隙率的透水混凝土質量損失率隨凍融循環(huán)次數變化的趨勢基本相同,但骨料粒徑小的、目標空隙率小的透水混凝土的變化幅度相對較小．

從圖17相對動彈模的變化情況可見,各種試件的變化趨勢也基本相同,但大粒徑骨料、大空隙率的變化幅度較大,而小粒徑骨料、小空隙率的變化幅度相對平緩．根據文獻[7],試驗得到的各種骨料及空隙率的透水混凝土的抗凍融等級見表5．

表5 不同組別透水混凝土凍融等級Tab.5 Resistance class to freezing-thawing of different groups

表5為透水混凝土抗凍融等級隨骨料粒徑及目標空隙率的變化情況．從表5可見,在同一目標空隙率下,小粒徑骨料透水混凝土抗凍融等級高于大粒徑骨料透水混凝土;而在同一骨料粒徑下,目標空隙率越小,凍融性能越好．骨料粒徑4.75～9.50 mm、目標空隙率為11%的透水混凝土的抗凍融等級可以達到F125,抗凍融性能最好;而骨料粒徑為16.00～19.00 mm、目標空隙率為21%的只能達到F25,抗凍融性能最差;骨料粒徑為4.75～9.50 mm,空隙率為16%的透水混凝土的抗凍融等級與骨料粒徑為9.50～16.00 mm、目標空隙率為11%的相同;骨料粒徑為4.75～9.50 mm、目標空隙率為21%的透水混凝土的抗凍融性能與其他粒徑的目標空隙率為16%的相同．

3 結 論

(1)透水混凝土的強度、抗凍融性能隨目標空隙率的增大而降低,在相同目標空隙率情況下,隨骨料粒徑的增大而降低．但早期強度隨目標空隙率及骨料粒徑變化不十分明顯．透水混凝土抗折強度隨目標空隙率增大及骨料粒徑的增大也逐漸降低,但抗壓強度與抗折強度的比值變化則不十分明顯．與普通混凝土相比,透水混凝土的抗折強度與抗壓強度之比相對較高．

(2)透水混凝土的抗凍融性能隨目標空隙率及骨料粒徑的增大而降低．凍融破壞都是動彈模損失率達到了60%而不是質量損失率達到了5%,說明透水混凝土凍融破壞主要是內部凍融損傷造成的．骨料粒徑為16.00～19.00 mm的透水混凝土當動彈模下降到60%時,迅速發(fā)生整體斷裂,即動彈模下降到60%時,大骨料粒徑配置的透水混凝土會發(fā)生突然的整體破壞．

(3)骨料粒徑為4.75～9.50 mm、目標空隙率為11%的透水混凝土,抗壓強度可以達到31.7 MPa,抗折強度達到5.8 MPa,透水系數達到1.84 mm·s-1,抗凍融性能可以達到F125,是具有良好性能的透水混凝土．骨料粒徑為4.75～9.50 mm、目標空隙率為16%的透水混凝土,其透水系數明顯提高,能到達2.69 mm·s-1,抗壓強度能達到22.7 MPa,抗折強度能達到4.8 MPa,抗凍融性能為F100,雖然比目標空隙率為11%的差,但各項性能相對也較好．骨料粒徑為9.50～16.00 mm的透水混凝土,只有當目標空隙率為11%時,其性能相對較好,其他情況則較差．骨料粒徑為16.00～19.00 mm的各種目標空隙率以及小骨料粒徑情況下的目標空隙率為21%的透水混凝土的性能都較差．

(4)當骨料粒徑增大時,施工時容易出現(xiàn)漿體富集在透水混凝土底部的問題,使透水系數降低,因此,為保證良好的透水性能及力學性能,透水混凝土宜選用粒徑較小的骨料,目標空隙率應控制在15%以下．