何曉雁，李 鵬，劉 芯，錢 博，趙云基

(內蒙古工業(yè)大學土木工程學院，呼和浩特 010051)

透水混凝土作為一種高強透水性材料[1]，質量較輕且具有良好的透水、透氣性，常被用于公園道路、人行道和露天停車場等輕荷載路面[2]。其在服役過程中不可避免會受到不利因素的影響，加快了性能劣化速度[3]，因此探究透水混凝土在惡劣環(huán)境中的性能變化規(guī)律成為一個重要的研究方向。

在中國西北高寒地帶，路用透水混凝土經(jīng)常遭受凍融破壞，學者們對此進行了相關研究。尹志剛等[4]對再生骨料透水混凝土進行了單一凍融試驗并測試抗壓強度，采用電子計算機斷層掃描(computed tomography，CT)測定平均孔徑，結果顯示抗壓強度與平均孔徑呈負相關關系；劉肖凡等[5]進行了剛性聚丙烯纖維改性透水混凝土的耐久性研究，發(fā)現(xiàn)摻入1%的剛性聚丙烯纖維的透水混凝土抗凍性最好；Liu等[6]采用圖像分析法獲得了透水混凝土的孔隙結構特征和孔徑分布等參數(shù)，研究證實透水混凝土的孔隙結構特征與其機械性能、耐久性能存在密切聯(lián)系，孔隙間距離的增大使得抗壓強度增大、抗凍耐久性提高。

由于大氣污染，形成的酸會導致混凝土中性化甚至酸化，大幅縮短混凝土的服役時間，學者們對此進行了一些研究。姜健等[7]通過浸泡試驗研究了酸雨侵蝕對混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)混凝土質量、抗壓強度、抗氯離子擴散能力均隨試驗進行呈先增后減趨勢，水膠比越小，抗侵蝕能力越強。李彥坤等[8]對透水混凝土進行了酸雨侵蝕試驗，試驗過程中透水混凝土質量、抗壓強度呈持續(xù)降低趨勢，透水性能呈先降低后增大趨勢。

在實際工況中，道路透水混凝土會受到凍融及酸雨的耦合作用，其侵蝕機理與單一工況存在差異，研究其在耦合環(huán)境中性能的變化規(guī)律成為趨勢?，F(xiàn)通過添加橡膠顆粒改良透水混凝土并對其進行酸雨-凍融試驗以模擬實際工況，研究其耐久性劣化規(guī)律，結合內部微觀結構變化對侵蝕機理進行分析。目前測試的透水混凝土宏觀性能指標較多[9-11]，實際上由于其中某些指標間存在密切聯(lián)系，全部測試不僅導致工作量較大，還造成對于透水混凝土綜合性能評估的偏差，因此現(xiàn)運用灰色聚類模型對透水混凝土宏觀性能指標進行分類，簡化指標數(shù)量，為今后對透水混凝土的進一步深入研究提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料及配合比

水泥：P.O 42.5；粗骨料：4.7～9.5 mm的單一級配碎石；橡膠顆粒：由廢舊輪胎機械加工破碎篩分而成，試驗選用0.425 mm橡膠粉；VAE-707乳液：pH4.5，黏度960 mPa·s；減水劑：萘系減水劑，減水率為12%～20%；水為呼和浩特地區(qū)飲用水。透水混凝土配合比如表1所示。

1.2 試驗方法

1.2.1 酸雨溶液的配制

采用濃硝酸分析純和硫酸銨試劑配制pH4.0、硫酸根濃度為0.01 mol/L的酸雨模擬液進行試驗。每隔1 d用酸度計測量浸泡溶液的pH，保持酸雨模擬液的pH和硫酸根離子濃度不變，浸泡2 d更換酸雨模擬溶液。

1.2.2 試驗制度

酸雨浸泡試驗：將透水混凝土試件浸泡于酸雨模擬液中2 d，取出晾干1 d，作為一個酸雨循環(huán)。凍融循環(huán)試驗：參照《普通混凝土長期性能及耐久性試驗方法標準》(GB/T50082—2009)[12]中快凍法試驗進行。

酸雨-凍融循環(huán)試驗制度如表2所示。

表2 試驗循環(huán)制度Table 2 Cycle program of test

1.2.3 測試方法

透水混凝土質量和動彈性模量的測定采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試件，超聲波波速、抗壓強度和透水系數(shù)的測定采用100 mm×100 mm×100 mm立方體試件。每次酸雨循環(huán)后，測定試件的質量、動彈性模量、超聲波波速和透水系數(shù)，每兩次酸雨循環(huán)后，測定試件的抗壓強度。每一個酸雨-凍融循環(huán)過程也進行上述指標的測定。

為什么早晨的時間能發(fā)揮這么大的作用呢？從生理學的角度看，這和我們身體分泌的荷爾蒙有關。腎上腺髓質分泌的“腎上腺素”，與腎上腺皮質分泌的“腎上腺皮質脂醇”，是兩種讓人精力充沛的荷爾蒙。腎上腺從黎明開始分泌這兩種荷爾蒙，分泌高峰期正好是早上七點左右。當然，深夜也會分泌荷爾蒙，但和分泌高峰期比起來，分泌量差得遠了，只有高峰期的三分之一左右。這就是早上效率高的原因。夜晚是身心休息的時間，所以身體為了讓我們能夠平心靜氣地睡眠，抑制了荷爾蒙的分泌。

透水系數(shù)測試方法：采用固定水頭法測定透水混凝土的透水系數(shù)，試驗根據(jù)《透水混凝土路面技術規(guī)程》(CJJ-T 135—2009)[13]中相關規(guī)定進行。

2 試驗結果與分析

2.1 質量損失規(guī)律和相對動彈性模量變化規(guī)律

透水混凝土的質量損失率及相對動彈性模量的變化規(guī)律結果如圖1所示，圖中橫坐標刻度0表示試驗初始階段，1～9含義如表2所示。

由圖1(a)可知，隨著試驗進行，透水混凝土質量損失率呈現(xiàn)增加趨勢。這是因為凍融循環(huán)使透水混凝土內部產生了微小裂縫，酸雨侵蝕過程的附著層效應減弱。D2組質量損失率小于D1組，摻入適量橡膠顆粒使得透水混凝土韌性增強，減緩凍脹力對試件內部結構的破壞[14]。D3和D4組質量損失率遠大于D1組，且隨著摻量的提高，橡膠顆粒弱化了透水混凝土內部水泥漿體的黏結性能，使得質量損失率增加，透水混凝土抗侵蝕性能下降。

由圖1(b)可知，在酸雨-凍融循環(huán)共同作用下，透水混凝土動彈性模量持續(xù)下降。尤其是每經(jīng)歷25次凍融循環(huán)，試件相對動彈性模量呈“斷崖式”下降，原因是凍融循環(huán)過程中，透水混凝土內部原有孔洞周邊的微裂縫，在溫度應力和凍脹應力的共同影響下不斷擴展，粗骨料與膠凝材料界面黏結強度降低，微裂縫逐漸貫通，內部結構變得疏松。橡膠顆粒的摻入會增加透水混凝土的含氣量，混凝土內部含氣量越大，抗凍性能越好，25次凍融循環(huán)后，D4、D3、D2、D1試驗組相對動彈性模量值依次降低。但是隨著酸雨-凍融循環(huán)試驗的進行，摻入橡膠顆粒產生的引氣效果降低，橡膠摻量越多，試樣內部水泥漿體更容易受到酸介質侵蝕，經(jīng)歷3次酸雨-凍融循環(huán)后，試件相對動彈模量順序呈現(xiàn)為D1>D2>D3>D4。

表1 透水混凝土配合比Table 1 Mix proportions of pervious concrete

圖1 透水混凝土質量損失率和相對動彈性模量變化規(guī)律Fig.1 Variation of mass loss rate and relative dynamic elastic modulus of pervious concrete

2.2 超聲波波速損失率和透水系數(shù)變化規(guī)律

超聲波波速能夠無損檢測材料內部裂縫擴展、內部致密性情況，可間接反映透水混凝土在酸雨-凍融循環(huán)試驗中性能劣化情況。圖2(a)為透水混凝土在酸雨-凍融循環(huán)作用下超聲波波速損失率，圖2(b)為透水混凝土在酸雨-凍融循環(huán)作用下透水系數(shù)變化規(guī)律。

圖2 透水混凝土超聲波波速損失率和透水系數(shù)變化規(guī)律Fig.2 Variation law of ultrasonic wave velocity and permeability coefficient of pervious concrete

由圖2(a)可知，隨著試驗的進行，透水混凝土超聲波波速損失率逐漸增大。每經(jīng)歷25次凍融循環(huán)，超聲波波速損失率都會大幅增加。凍融過程中，內部自由水分結冰，透水混凝土特有的連通孔道充滿了結晶冰，產生膨脹壓，同時膠凝孔隙中的水分子受到壓力作用向結冰界面滲透，產生滲透壓。膨脹壓和滲透壓共同作用下，試件內部原有微裂縫擴展，最終形成相互貫通的大裂縫，超聲波波速急劇下降；相比于D1、D2、D3、D4試驗組在每個階段的超聲波損失率更大，沒有反映出橡膠顆粒會提高透水混凝土的抗凍性，究其原因可能為橡膠的摻入使得混凝土內部三相組成變得復雜，酸雨和凍融循環(huán)試驗對混凝土內部造成損傷，使得超聲波的折射次數(shù)增多，導致整體傳遞時間延長，這些因素對超聲波波速表征透水混凝土內部裂縫發(fā)展情況造成了一定干擾。

由圖2(b)可知，在酸雨侵蝕和凍融循環(huán)雙重因素下，透水系數(shù)呈現(xiàn)“階梯式”上升趨勢。透水系數(shù)大小與透水混凝土內部連通孔隙率呈正相關關系。試驗過程中，混凝土內部連通孔壁的微小裂縫逐漸拓展貫通，連通孔隙率增大，混凝土透水能力增強。橡膠顆粒的摻入起初會抑制透水系數(shù)的增大趨勢，隨著試驗的進行，橡膠顆粒引起水泥漿體表面凹凸不平的毛細吸附作用逐漸失效，摻量多的透水混凝土試件反而由于內部水泥漿體更脆弱，容易形成更多的連通裂縫，導致透水系數(shù)的增長率大于其他試驗組。

2.3 抗壓強度損失率

由圖3可知，隨試驗的進行，透水混凝土抗壓強度損失率逐漸增大。25次凍融循環(huán)后，抗壓強度損失率大小為D4

圖3 透水混凝土抗壓強度損失率Fig.3 Loss rate of compressive strength of pervious concrete

為進一步分析凍融循環(huán)對透水混凝土酸性化影響，采用酸雨-凍融循環(huán)試驗模式下透水混凝抗壓強度試驗結果，定義復合影響系數(shù)λn，表達式為

(1)

式(1)中：P′n為酸雨-凍融循環(huán)試驗模式下第n個侵蝕周期下的抗壓強度損失值；Pn為酸雨侵蝕試驗模式下第n個侵蝕周期下的抗壓強度損失值；A為酸雨侵蝕試驗對酸雨-凍融循環(huán)試驗的影響系數(shù)，試驗中A=2/3；λn為復合影響系數(shù)，λn=1，說明凍融循環(huán)對酸性化不起作用；λn>1，說明凍融循環(huán)對酸性化起促進作用；λn<1，說明凍融循環(huán)對酸性化起抑制作用。

計算不同試驗周期下的影響系數(shù)，結果如圖4所示。凍融循環(huán)對酸雨侵蝕的透水混凝土抗壓強度損失值影響系數(shù)均大于1，說明凍融循環(huán)加劇了酸雨侵蝕對透水混凝土性能的劣化。整體抗壓強度損失影響系數(shù)曲線沒有統(tǒng)一規(guī)律，這可能由于透水混凝土結構特殊，摻入橡膠顆粒后，內部結合方式變得更加復雜，并且試驗數(shù)據(jù)存在一定離散。D2試驗組抗壓強度損失影響系數(shù)最小，說明摻入適量的橡膠顆粒，減弱了凍融循環(huán)對酸雨侵蝕透水混凝土的疊加作用。

圖4 凍融循環(huán)對透水混凝土抗壓強度損失的影響系數(shù)Fig.4 Influence coefficient of freeze-thaw cycle on compressive strength loss of pervious concrete

2.4 灰色聚類分析

灰色聚類是根據(jù)關聯(lián)矩陣將一些指標和觀測對象劃分成若干個可定義類別的方法，一個聚類可以看作是屬于同一類的觀測對象的集合。由于灰色綜合關聯(lián)度既考察各數(shù)據(jù)序列間的接近性，又考察各數(shù)據(jù)序列間的相似性，故采用綜合關聯(lián)度模型分析透水混凝土各指標間的內在聯(lián)系，計算結果如圖5所示。

圖5表明，抗壓強度、動彈模量、超聲波速和透水系數(shù)間的綜合關聯(lián)度值均接近或大于0.8，遠遠大于質量變化與其他4個性能指標之間的關聯(lián)度值。分析原因：抗壓強度、動彈模量、超聲波速和透水系數(shù)從不同方面均反映了透水混凝土內部孔隙結構的變化，孔隙率大，內部結構疏松，宏觀表現(xiàn)為抗壓強度降低，動彈模量減小，超聲波速降低，透水系數(shù)增大；透水混凝土質量變化與其他宏觀指標關聯(lián)度較小，說明質量變化并不能很好反映透水混凝土內部孔隙結構的變化。綜上所述，抗壓強度、動彈模量、超聲波速和透水系數(shù)應歸為一個聚類。對于孔結構的分析，其中一個指標便可代表其他指標，有利于減少各指標間的干擾，為后續(xù)研究提供參考；而質量變化則單獨歸為一個聚類，需單獨分析其對于孔結構的影響。

圖5 透水混凝土的指標相關度Fig.5 Indicator correlation of pervious concrete

2.5 酸雨-凍融侵蝕微觀機理

為了進一步分析酸雨-凍融對透水混凝土的侵蝕機理，選取D2組作為代表，采用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)、能譜儀(energy dispersive spectrometer，EDS)和X射線衍射分析(X-ray diffraction，XRD)技術對不同酸雨侵蝕階段的透水混凝土進行測試，結果分別如圖6～圖8所示。

圖6 D2試驗組在不同酸雨-凍融循環(huán)試驗階段SEM分析圖Fig.6 SEM analysis of D2 test group in different acid rain-freeze-thaw cycle test stages

圖7 D2試驗組在不同酸雨-凍融循環(huán)試驗階段EDS分析圖Fig.7 EDS analysis of D2 test group in different acid rain-freeze-thaw cycle test stages

圖8 D2試驗組在不同酸雨-凍融循環(huán)試驗階段XRD分析圖Fig.8 XRD analysis of D2 test group in different acid rain-freeze-thaw cycle test stages

根據(jù)圖6的SEM圖可以看出，酸雨侵蝕階段前期，未對混凝土內部造成明顯的損傷，混凝土結構完整并未出現(xiàn)明顯裂縫，大量片狀氫氧化鈣晶體相互交叉排列，凍融循環(huán)后，受腐蝕區(qū)域變得粗糙且開始出現(xiàn)由中心向外輻射的大簇針狀鈣礬石(AFt)晶體。3次酸雨-凍融循環(huán)后，可觀察到大量的鈣礬石晶體，其周圍可見“短柱”狀石膏和清晰的裂縫，難以找到完整的氫氧化鈣和水化產物晶體，混凝土內部破壞嚴重。結合圖7可知，試驗前期腐蝕區(qū)中并未檢測出S元素，可能為探針檢測區(qū)域硫化物含量較低，難以探測。而Ca、Si和O元素較多，說明前期腐蝕反應并不明顯。經(jīng)過多次酸雨-凍融循環(huán)試驗后，試件受腐蝕區(qū)出現(xiàn)明顯的S元素，且Ca元素含量顯著增多，說明混凝土內部產生了大量的Ca、S元素化合物。

由圖8可知，酸雨-凍融循環(huán)試驗后，XRD圖譜上出現(xiàn)了CaSO42H2O和鈣礬石(AFt)晶體衍射峰，且隨著試驗進行，Ca(OH)2和C—S—H衍射峰不斷下降，CaSO42H2O和AFt的衍射峰不斷上升，說明試驗中透水混凝土結構的破壞，本質上是Ca(OH)2和C—S—H水化產物轉化為CaSO42H2O和AFt的化學溶蝕過程，與前面分析相印證。相比CaSO42H2O衍射峰，AFt的衍射峰出現(xiàn)次數(shù)更多，增長量更大，結合圖6(d)，3次酸雨-凍融循環(huán)試驗后SEM圖中觀察到大量的AFt晶體，而CaSO42H2O僅零星出現(xiàn)，說明與單一酸雨侵蝕試驗相比，酸雨-凍融循環(huán)試驗中主要侵蝕產物為AFt晶體。

3 結論

(1)酸雨-凍融循環(huán)共同作用下，透水混凝土質量損失、超聲波波速損失和透水系數(shù)均呈“階梯式”上升，相對動彈性模量呈“斷崖式”降低。

(2)在透水混凝土中加入適量橡膠會改善其抗酸雨-凍融侵蝕性能；橡膠摻量過多，在試驗后期反而會加劇透水混凝土的性能劣化。

(3)酸雨-凍融循環(huán)共同作用下，透水混凝土抗壓強度損失率逐漸上升，透水混凝土抗壓強度損失值影響系數(shù)均大于1，表明凍融循環(huán)加劇了酸雨侵蝕對透水混凝土性能的劣化。

(4)運用灰色聚類模型分析得出，抗壓強度、動彈模量、超聲波速和透水系數(shù)可歸為一個聚類進行統(tǒng)一分析，質量則需單獨歸類。

(5)結合SEM和XRD分析圖譜分析，確定酸雨-凍融循環(huán)試驗的主要侵蝕產物為AFt晶體。