王 博,劉 飛,王飛宇,梁 輝,姚文山
(中國(guó)建筑第八工程局有限公司,上海 200135)
我國(guó)城市建設(shè)的人行道、自行車道、公園、庭院及公共廣場(chǎng)路面,仍以不透水的石板材、柏油瀝青和鋼筋混凝土為主。此類傳統(tǒng)路面施工工藝成熟、鋪裝簡(jiǎn)單,但硬化路面無(wú)滲透雨水的能力,缺乏呼吸性,對(duì)生態(tài)環(huán)境影響較大。而透水混凝土路面,由于強(qiáng)度較低、耐磨性能差等原因,導(dǎo)致路面使用年限低,不能得到廣泛應(yīng)用。針對(duì)上述問(wèn)題,需不斷改進(jìn)研究透水混凝土,最大程度減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)、提高透水混凝土性能,實(shí)現(xiàn)建筑與自然環(huán)境協(xié)調(diào)共生。
透水混凝土由水、水泥、粗集料組成,采用單粒級(jí)粗集料作為骨架,水泥凈漿中加入少量細(xì)集料的砂漿薄層包裹在粗集料顆粒表面,作為集料顆粒間的膠結(jié)層,集料顆粒通過(guò)硬化水泥漿薄層膠結(jié)成多孔的堆積結(jié)構(gòu),因此混凝土內(nèi)部存在大量連通孔隙,且多為直徑>1mm的大孔。透水混凝土具有良好的透水性和透氣性,當(dāng)降雨或綠化噴灑時(shí),水流能及時(shí)沿連通孔隙通道滲入地下或?qū)Я鳎苊獗砻娣e水。透水混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。
圖1 透水混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型
根據(jù)結(jié)構(gòu)模型可知,透水混凝土受力時(shí),通過(guò)集料間的膠結(jié)點(diǎn)傳遞作用力,由于集料本身強(qiáng)度較高,水泥凝膠層很薄,水泥凝膠體與粗集料界面間的膠結(jié)面積小,集料顆粒間的連接點(diǎn)處被破壞,因此在保證一定孔隙率的前提下,增加膠結(jié)點(diǎn)面積,提高膠結(jié)層強(qiáng)度是提高透水混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵。
1)透水性路面能使雨水迅速滲入路基,使地下水資源得到及時(shí)補(bǔ)充,以保持土壤濕度,改善城市地表植物和土壤微生物的生存條件。透水混凝土可增加城市土壤與外界環(huán)境的水、氣交換,明顯增加土壤有效養(yǎng)分含量,提高土壤養(yǎng)分利用率。還可降低土壤溫度、鹽分含量和pH值。
2)透水性路面具有較大的孔隙率,與土壤相通,能蓄積較多熱量,有利于調(diào)節(jié)城市空間濕度和溫度,減輕熱島現(xiàn)象。同時(shí)改善水分供應(yīng)狀況,提高土壤含水率,節(jié)約灌溉用水。
3)當(dāng)集中降雨時(shí),能減輕排水設(shè)施的負(fù)擔(dān),減少路面積水和夜間反光,避免輪胎與路面形成水膜,縮短剎車距離,提高車輛、行人通行舒適性與安全性。結(jié)構(gòu)空隙構(gòu)造能吸收車輛行使時(shí)產(chǎn)生的噪聲,創(chuàng)造安靜舒適的交通環(huán)境。
4)由透水混凝土本身構(gòu)造可知,內(nèi)部空隙可很大程度降低結(jié)構(gòu)抗壓性能及耐磨性能。
透水性生態(tài)路面應(yīng)滿足強(qiáng)度和滲透性,粗集料的顆粒級(jí)配是決定這兩個(gè)性能的主要因素之一。若集料級(jí)配不良,則透水系數(shù)大,強(qiáng)度偏低;反之,如果粗細(xì)集料達(dá)到最佳配合比,孔隙很少,則強(qiáng)度提高而滲透性極差。當(dāng)水泥用量一定時(shí),增大骨灰比,集料顆粒表面水泥漿厚度變薄,孔隙率增加,透水性提高,但強(qiáng)度卻降低;反之,則透水性降低,強(qiáng)度提高。因此,針對(duì)強(qiáng)度與滲透性兩個(gè)對(duì)立指標(biāo),選擇0.3,0.37水膠比,對(duì)混凝土的最佳配合比進(jìn)行試驗(yàn)。
為增加抗壓性能及耐磨性能,本試驗(yàn)加入鋼纖維,以加強(qiáng)粗集料間的聯(lián)系,可認(rèn)為增加集料與膠凝材料間的接觸面積,并提高混凝土整體性,以增加強(qiáng)度。制作鋼纖維摻量梯度試塊后,進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)定,確定最高強(qiáng)度下?lián)饺氲匿摾w維量。
1)水泥 為提高透水混凝土強(qiáng)度,本試驗(yàn)采用P·O 42.5水泥。
2)粗集料 集料質(zhì)量對(duì)透水混凝土強(qiáng)度及透水性有較大影響。集料應(yīng)采用天然碎石或破碎后的卵石,粒徑均勻潔凈,粒徑范圍在10~16mm,針片狀顆粒占比<5%,含泥量<1%,壓碎值<20%。
3)鋼纖維 選用可使接觸面積增加到最大的波紋狀鋼纖維,截面為弓形,外觀為波浪形,長(zhǎng)30mm,寬2.0~2.6mm,厚0.5~1.0mm,波長(zhǎng)3mm,波高(2±0.2)mm,鋼纖維抗拉強(qiáng)度>750MPa。
影響透水混凝土強(qiáng)度及透水性能的主要因素有水灰比、粗集料級(jí)配、鋼纖維摻量、成型密實(shí)方法、養(yǎng)護(hù)條件等。在前期探索性試驗(yàn)基礎(chǔ)上,選擇水灰比和鋼纖維摻量作為影響因素進(jìn)行正交試驗(yàn)。
1)將石子、鋼纖維與30%的水預(yù)拌30s,然后倒入水泥和50%的水,繼續(xù)攪拌60s,隨后加入剩余水,繼續(xù)攪拌60s,整個(gè)過(guò)程共150s。
2)將混凝土裝入150mm×150mm×150mm試模中,在振動(dòng)臺(tái)上振搗15~20s,然后用鐵棒整平試塊表面,最后再振搗5s。
3)試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)3d后拆模,然后將試塊繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至齡期。
4)采用特制裝置測(cè)定透水混凝土透水系數(shù),如圖2所示。裝置采用非恒壓法,先密封試塊4個(gè)面,使成型面作為測(cè)試表面,將液體從200mm處自由下滲,測(cè)得液體全部滲漏所需時(shí)間和透水系數(shù)。
圖2 透水系數(shù)測(cè)定裝置
5)透水混凝土抗壓強(qiáng)度按GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)定。
鋼纖維透水混凝土性能試驗(yàn)共設(shè)計(jì)7個(gè)配合比,每個(gè)配合比做7個(gè)鋼纖維摻量,同配合比、同鋼纖維摻量做3組試塊,取試驗(yàn)有效值,試塊抗壓強(qiáng)度及透水系數(shù)如表1所示。
表1 試塊抗壓強(qiáng)度及透水系數(shù)
不同配合比的抗壓強(qiáng)度如圖3所示。
圖3 不同配合比的抗壓強(qiáng)度
1)由圖3可知,同一鋼纖維摻量,同一水灰比(0.37∶1)的抗壓強(qiáng)度隨粗集料占比降低而提高。
2)當(dāng)鋼纖維摻量<90g時(shí),同一配合比的試塊抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維摻量增加而提高。觀察試塊破壞截面,可發(fā)現(xiàn)隨著鋼纖維摻量增加,集料間的搭接相對(duì)較多,故強(qiáng)度不斷提高。
3)當(dāng)鋼纖維摻量達(dá)到90g時(shí),試塊抗壓強(qiáng)度達(dá)到極值,當(dāng)繼續(xù)增加鋼纖維摻量時(shí),抗壓強(qiáng)度沒(méi)有明顯增加,甚至存在下降情況。觀察試塊破壞截面,可發(fā)現(xiàn)鋼纖維摻量達(dá)150g時(shí),出現(xiàn)鋼纖維重疊或聚積情況,限制振搗時(shí)集料的密實(shí),降低集料間的搭接,故強(qiáng)度降低。
4)本次試驗(yàn)最優(yōu)配合比為配合比5(石灰∶水∶粗集料=1∶0.30∶3.9)。
不同配合比下的透水系數(shù)如圖4所示,水灰比差異的影響如圖5所示。
圖4 不同配合比下的透水系數(shù)
圖5 水灰比差異的影響
5)分析圖4可知,配合比1~3的水灰比一致,配合比4~7的水灰比一致,即同一鋼纖維摻量的試塊,透水系數(shù)隨集料占比降低逐漸降低,即粗集料比例降低,空隙率降低,透水系數(shù)減小。
6)配合比3,4間的透水系數(shù)有明顯突變,配合比3,4的區(qū)別在于水灰比不同。配合比1~3的水灰比較大,使水泥漿體流動(dòng)性偏大,振搗時(shí)漿體在短時(shí)間內(nèi)到達(dá)試塊底部,底部出現(xiàn)一層薄的密實(shí)層,使水流在下滲過(guò)程中受較大阻力,影響透水系數(shù)。
7)圖5中,粗集料摻量相同,水灰比不同,當(dāng)鋼纖維摻量不大時(shí),配合比3的抗壓強(qiáng)度高于配合比4的抗壓強(qiáng)度。這是由于鋼纖維摻量較少時(shí),作用不明顯,對(duì)抗壓強(qiáng)度的提高作用不明顯。同時(shí)沒(méi)有細(xì)集料,導(dǎo)致水泥漿對(duì)粗集料的包裹有限,使鋼纖維摻量較少時(shí),試塊抗壓強(qiáng)度離散性較明顯。
8)由于試塊空隙比普通混凝土試塊孔隙率大,振搗時(shí)不易振實(shí),即振搗時(shí)間對(duì)試塊密實(shí)度有較大影響。當(dāng)鋼纖維摻量>50g時(shí),降低水灰比,主要是由于水泥成分增加,使集料間的膠結(jié)面積增加,集料間的膠結(jié)力增大,故試塊抗壓強(qiáng)度提高。
4.1結(jié)論
1)在試塊制備和養(yǎng)護(hù)條件均相同的情況下,配合比、鋼纖維摻量、孔隙率均是影響透水混凝土透水性和抗壓強(qiáng)度的因素。通過(guò)水灰比控制集料包裹程度,配合比控制孔隙率,再調(diào)配適度鋼纖維摻量,使鋼纖維透水混凝土達(dá)到最優(yōu)性能。當(dāng)集料選用粒徑10~16mm的石子,水灰比為0.3時(shí)可達(dá)最優(yōu)。當(dāng)配合比超過(guò)1∶0.3∶3.9時(shí),抗壓強(qiáng)度增加不明顯,可摻入細(xì)集料提高強(qiáng)度。
2)通過(guò)試驗(yàn)研究,鋼纖維的加入對(duì)透水系數(shù)影響較小,摻入適量鋼纖維,可改善透水混凝土工作性能。當(dāng)摻量>120g時(shí),抗壓強(qiáng)度增加不顯著。從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面考慮,標(biāo)準(zhǔn)試塊中,鋼纖維摻量為90~120g時(shí)可達(dá)最優(yōu),抗壓強(qiáng)度可提高10%~25%。
3)同一鋼纖維摻量、同一水灰比,抗壓強(qiáng)度由于粗集料占比降低而提高。當(dāng)鋼纖維摻量過(guò)高時(shí),出現(xiàn)鋼纖維重疊或聚積情況,限制振搗時(shí)集料的密實(shí),降低集料間的搭接,故強(qiáng)度降低。當(dāng)鋼纖維摻量過(guò)低時(shí),導(dǎo)致水泥漿對(duì)粗集料包裹有限,使鋼纖維摻量少時(shí)試塊抗壓強(qiáng)度的離散性較明顯。同一鋼纖維摻量的試塊透水系數(shù)隨集料占比降低逐漸降低,即粗集料比例降低,空隙率降低,透水系數(shù)減小。
本試驗(yàn)對(duì)透水混凝土的相關(guān)性能進(jìn)行研究,由于透水混凝土結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、性能影響因素較多,還需更深入的研究。
本文針對(duì)鋼纖維水泥透水混凝土進(jìn)行試驗(yàn)研究,如瀝青透水混凝土、碳纖維摻料透水混凝土等均可作為研究課題,對(duì)不同摻量透水混凝土進(jìn)行對(duì)比分析,研究各自適合的路況。本試驗(yàn)測(cè)試透水系數(shù)的裝置還有待進(jìn)一步完善,此裝置適合小規(guī)模測(cè)試,實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行不斷優(yōu)化有利于探索最優(yōu)配合比。透水混凝土的維護(hù)、易開(kāi)裂和路面孔隙內(nèi)雜質(zhì)的清洗同樣值得進(jìn)一步深入研究。