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        透水混凝土強度及透水性能影響因素研究

        2021-11-12 02:11:34周玉玲明廷臻萬美南
        中國測試 2021年10期
        關鍵詞:橡膠粉透水性水泥石

        周玉玲,明廷臻,萬美南

        (1. 黃岡師范學院,湖北 黃岡 438000; 2. 武漢理工大學,湖北 武漢 430070)

        0 引 言

        隨著我國城市化進程的推進,越來越多的土地被開發(fā)建設,混凝土路面的占比也隨之增高。在傳統(tǒng)的建筑行業(yè)中,較多采用混凝土作為路面鋪裝材料,傳統(tǒng)混凝土材料耐久性較差,受車輛反復碾壓易產生破壞需要定期修補[1-2]。硬化混凝土路面的密實度較高,滲透性能差,阻斷了自然降水與地下水資源的循環(huán)作用和土地與空氣之間的物質能量交換[3-6]。在多雨季節(jié),傳統(tǒng)混凝土路面易發(fā)生積水現(xiàn)象,影響交通,嚴重時可發(fā)生城市內澇;在炎熱的夏季,傳統(tǒng)混凝土的低滲透性和低導熱性阻礙了空氣與土壤的熱交換,是城市“熱島效應”產生的重要原因之一。對此,采用高效的路面排水系統(tǒng)和應用高滲透性的路面材料是不錯的選擇[7]。

        透水混凝土作為一種高滲透性混凝土材料,其內部擁有聯(lián)通孔隙結構,透氣透水,而且可根據路面要求設計強度和透水性能,施工工藝簡單、成本低廉,是應用前景廣闊的路面滲透材料。透水混凝土能吸聲降噪,不影響土壤與空氣的水分和熱量交換,雨天無明顯積水和路面反光,是環(huán)境友好型的綠色建筑材料。在當今社會,人們對環(huán)境問題的關注與日俱增,而透水混凝土作為一種新的環(huán)境友好材料,必將日益受到青睞,并在環(huán)境治理方面做出巨大貢獻[8-11]。

        目前,隨著透水混凝土實驗研究的深入,透水混凝土開始在實際工程中應用。北京南北長街道路工程用無砂透水混凝土,28 d抗壓強度可達15.3 MPa,透水系數19 mm/s;北京奧林匹克公園人行道用透水混凝土,28 d強度滿足C25混凝土強度要求,透水系數高達39 mm/s;上海西站綜合交通樞紐南廣場臨時站前廣場用透水混凝土,28 d抗壓強度滿足C20混凝土強度要求,透水系數高于3 mm/s[12]。透水混凝土多孔高滲透能力,導致強度不高,透水性和強度無法很好平衡,無法滿足高強度需求場合,嚴重阻礙了透水混凝土進一步推廣和發(fā)展;其次,透水混凝土耐久性不足,容易發(fā)生開裂破壞、孔隙堵塞也是目前透水混凝土應用遇到的問題[13]。

        為研究透水混凝土強度及透水性能的影響因素,本研究通過調整混凝土配合比,來探究各因素對透水混凝土抗壓強度和滲透性能的影響,同時探究了再生橡膠粉對其性能的影響。

        1 原材料及試驗方法

        1.1 原材料

        主要原材料有拉法基生產的P·O 42.5R水泥、硅灰、粉煤灰、機制碎石、河沙、再生橡膠粉和聚羧酸高性能減水劑。水泥的物理力學性能如表1所示,水泥、硅灰和粉煤灰的化學組成見表2;機制碎石粒徑為4.75~9.5 mm,河沙細度模數為1.8,粒徑0.25~0.125 mm;橡膠粉是以低速輪胎為原料生產的硫化膠粉,粒徑 40~80目,松散堆積密度310 kg/m3;聚羧酸高性能減水劑減水率≥25%,含固量35%。

        表1 水泥的物理力學性能

        表2 水泥、硅灰和粉煤灰的化學組成(質量分數)%

        1.2 試驗方法

        1.2.1 制備方法

        傳統(tǒng)混凝土的振搗方法一般為機械振搗,但是透水混凝土與普通混凝土不同,振動成型容易導致透水混凝土骨料形成緊密堆積狀態(tài),較大可能會使?jié){體沉積在試件底部,產生“封底”現(xiàn)象,影響透水性能。插搗成型的透水混凝土,膠凝材料分布均勻,有足夠多的貫穿通道形成,利于透水[14]。因此,本試驗采用人工插搗方法,模具為邊長100 mm的正方體標準工程鋼模。

        試驗步驟:

        1)根據表3混凝土的配合比數據稱量原材料;

        表3 透水混凝土配合比kg/m3

        2)依次把膠凝材料和骨料倒入攪拌機中,干拌60 s;

        3)加入一半質量的水和全部減水劑,均勻倒入攪拌機中,拌合60 s后再加入剩余的水并攪拌均勻,攪拌總時間控制在4 min左右;

        4)拌合完畢后,將拌合物從攪拌機中取出,并裝入模具人工插搗成型,之后蓋上保鮮膜;

        5)室溫靜置24 h后進行拆模、編號,然后放入標準養(yǎng)護室內(溫度(20±2) ℃,相對濕度≥95%)養(yǎng)護 28 d;

        6)到達養(yǎng)護齡期后,測試透水混凝土抗壓強度和透水系數。

        1.2.2 測試方法

        參照GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》測試混凝土抗壓強度。試驗采用 100 mm×100 mm×100 mm 的立方體非標準試件,每組試件測試3塊,試驗過程中加荷速度為0.5 MPa/s,測得的強度值乘以尺寸換算系數0.95。

        采用獻縣天健儀器有限公司生產的TSY-3型混凝土路面磚透水系數測定儀(符合GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》的要求)測試混凝土透水系數。試驗采用新制備蒸餾水(水溫23 ℃),每組試件測試 3塊,試塊直徑 75 mm,高 100 mm,將試塊四周用膠帶密封使其不漏水,水僅從上下表面滲透,每個試塊按照測定儀的程序測定其透水系數,取三次測量的算數平均值作為最后測量值。

        2 結果與討論

        2.1 各因素對透水混凝土性能的影響分析

        試驗組A1~A5僅改變用水量,各試驗組水膠比分別為0.20~0.28,試驗結果如圖1所示。隨著水膠比的增大,透水混凝土的抗壓強度總體表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢,在水膠比為0.22時,抗壓強度達到最大值32.1 MPa。分析:較低的水膠比令骨料間的膠凝漿體流動性變差,導致漿體分布不均勻,骨料包裹效果較差,降低了骨料間的粘合作用,從而改變了混凝土整體結構的抗壓強度;逐漸增大水膠比時,膠凝漿體的流動能力改善,掛漿效果變好,骨料之間漿體層厚度增加,抗壓強度也逐漸增大;當水膠比達到一定值后,再繼續(xù)增大水膠比,膠凝漿體掛漿效果變差,多出的膠凝漿體會聚集在試塊底部,出現(xiàn)離析現(xiàn)象,導致抗壓強度降低。

        圖1 水膠比對強度和透水性能的影響

        隨著水膠比的增高,透水系數總體呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。分析:在膠凝材料用量固定的情況下,水膠比較小時,膠凝漿體過于干硬,和易性較差,骨料間的膠凝漿體分布不均勻,骨料沒有被膠凝漿體完全裹住,骨料之間存在較多的孔隙,利于透水混凝土的透水性能;反之,水膠比越大,膠凝漿體的流動性越好,更易產生離析現(xiàn)象,嚴重時試塊失去透水功能,強度大幅度降低。

        試驗組B1~B4僅改變砂率,用減水劑調節(jié)工作性,各試驗組砂率為2%~8%,試驗結果如圖2所示。隨著砂率的增高,透水混凝土抗壓強度逐漸增高,透水系數則逐漸降低。分析:隨著砂率的增高,透水混凝土孔隙率減小,基體逐漸變得密實,因而強度提高;由于孔隙率的減小,具有透水作用的連通孔隙也逐漸減少,基體透水性能下降,透水系數變小。

        圖2 砂率對強度和透水性能的影響

        試驗組C1~C4僅改變礦物摻合料的摻量(摻合料包括粉煤灰和硅灰,二者質量比為2∶1),用減水劑調節(jié)工作性,各試驗組摻量分別為10%~40%,試驗結果如圖3所示。若只用水泥作為膠凝材料,透水混凝土的抗壓強度相對較低,當摻入摻合料時,透水混凝土的抗壓強度逐漸上升,當摻量為20%時,抗壓強度達到峰值39.0 MPa,之后摻量繼續(xù)增加,但抗壓強度逐漸下降。分析:活性礦物摻合料的摻入,改善了水泥石的微觀結構,摻合料中的活性SiO2和Al2O3同水泥水化產生的Ca(OH)2發(fā)生“二次水化”反應,降低了界面過渡區(qū)的缺陷。水泥石中的孔隙孔徑分布在5~50 μm,在摻入摻合料之后,其直徑減小到0.1~0.2 μm,把擁有活性的超細粉末顆粒填充于水泥顆粒間的縫隙,增加了膠凝漿體的密實度,其發(fā)揮的“火山灰效應”降低了界面過渡區(qū)的厚度,從而提高了透水混凝土的抗壓強度。當摻合料摻量較多時,沒有足夠的水泥提供強度,且富余的摻合料難以參與“二次水化”反應,強度則會降低。

        圖3 礦物摻合料摻量對強度和透水性能的影響

        隨著摻合料摻量的增高,混凝土透水性能逐漸降低。分析:活性礦物摻合料中的硅灰顆粒小、比表面積大,隨著摻合料摻量的增加,膠凝材料需水量增高,膠凝漿體流動性降低,掛漿效果變差。此時采用聚羧酸減水劑調節(jié)漿體流動性,雖然可以順利掛漿,但漿體粘稠度增加,不易產生連通孔,因而透水性能下降。

        2.2 微觀性能測試

        圖4為純水泥B3與摻20%礦物摻合料C2試驗組的物相組成,主要物相為Ca(OH)2和AFt。圖中明顯可以看到純水泥B3試驗組的物相中,水化產物Ca(OH)2的峰強明顯,說明純水泥試驗組的Ca(OH)2含量相對較高。而摻入20%礦物摻合料的C2組,物相中水化產物Ca(OH)2的峰強明顯較弱,與礦物摻合料參與“火山灰反應”消耗Ca(OH)2相對應。

        圖4 純水泥(B3)與摻20%礦物摻合料(C2)試驗組的XRD圖譜

        圖5為純水泥與摻20%礦物摻合料試驗組的微觀形貌SEM圖片。由圖可知,在純水泥試驗組中,水泥石基體孔隙較多,存在大量板狀晶體,且尺寸較大,表明純水泥試驗組中有較多的大尺寸Ca(OH)2晶體顆粒,這與XRD分析相對應。摻20%礦物摻合料試驗組中,水泥石基體孔隙較少,且未見大量大尺寸板狀晶體,說明摻有活性礦物摻合料的膠凝漿體會產生較少的Ca(OH)2晶體,水泥石基體也會更加密實,這與礦物摻合料參與“火山灰反應”消耗Ca(OH)2相對應,也證明“火山灰反應”可減少水泥石基體的孔隙,提高密實度。

        圖5 純水泥與摻20%礦物摻合料試驗組的SEM圖片

        2.3 橡膠粉對透水混凝土性能的影響分析

        試驗組D1~D4僅改變橡膠粉的摻量,用減水劑調節(jié)工作性,橡膠粉分別等質量代替河沙25%~100%,試驗結果如圖6所示。隨著橡膠粉摻量的增加,透水混凝土的抗壓強度先增高,之后逐漸降低。低密度橡膠粉等質量替代河沙,少量替代時總的細骨料體積增加,減小了透水混凝土的孔隙率,增加了混凝土基體的密實度,所以強度有所上升,繼續(xù)增加橡膠粉摻量時,由于廢橡膠粉通過與水泥漿的粘接同骨料結合,橡膠粉末與水泥漿之間的粘合性差,會削弱混凝土內部結構之間的結合力,從而降低抗壓強度。當達到試塊所能承受極限載荷時,無橡膠粉摻入的透水混凝土發(fā)生脆裂,試塊會嚴重崩壞。而混有橡膠粉末的試塊在達到極限載荷后會出現(xiàn)延性損壞,在損壞期間聲音會變鈍,并且崩壞后形狀相對完整,較少碎塊掉落。隨著橡膠粉摻量的增加,滲透率先下降后上升。低密度橡膠粉等質量替代河沙,少量替代時減小了透水混凝土的孔隙率,使?jié)B透系數減??;隨著用量的增大,橡膠粉與水泥石之間的結合效果逐漸變差,造成了許多縫隙缺陷,從而提高了透水性能。

        圖6 橡膠粉摻量對強度和透水性能的影響

        橡膠屬于有機材料,具有彈性,在受到壓應力時容易產生變形,對粗骨料的支撐力?。黄浯?,橡膠與水泥石的粘結效果差,如圖7所示,橡膠與水的接觸角為94°,屬于疏水材料,水泥漿和橡膠表面難以牢固結合,這兩點原因導致了混凝土強度的降低。

        圖7 橡膠與水的接觸角

        3 結束語

        1)隨著水膠比的增大,透水混凝土的抗壓強度先增高后降低,透水性能逐漸降低,當水膠比為0.22時,水泥漿掛漿效果較佳,同時形成的連通孔較多,透水混凝土具有良好的抗壓強度和透水性能。

        2)隨著砂率的增高,透水混凝土的抗壓強度逐漸增高,透水性能逐漸降低,當砂率為6%時,細骨料在粗骨料孔隙之間的填充效果較好,使得透水混凝土具備較優(yōu)的抗壓強度和透水性能。

        3)隨著礦物摻合料摻量的增加,其摻量存在一個最優(yōu)范圍,使得透水混凝土透水性能與強度俱佳。當摻合料摻量為20%(粉煤灰與硅灰質量比為2∶1)時,水泥石的微觀結構得到改善,透水混凝土的強度最高,同時其透水性能較優(yōu)。

        4)橡膠粉等質量代替河沙摻入透水混凝土時,混凝土抗壓強度下降比較明顯,但透水性能有一定的提高,當橡膠粉代替量為25%時,混凝土抗壓強度略有升高,且透水性能沒有明顯降低。

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