徐 飛

(葫蘆島市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 葫蘆島 125000)

由于未使用或使用少量細(xì)骨料，透水混凝土具有多孔隙特征和優(yōu)異的透水性能，對(duì)維護(hù)生態(tài)平衡、緩解城市“熱島效應(yīng)”、減輕城市道路內(nèi)澇災(zāi)害以及“海綿城市”建設(shè)等發(fā)揮著重要作用[1-3]。此外，因強(qiáng)度低而孔隙較多的特點(diǎn)，透水混凝土被大規(guī)模應(yīng)用于路面的報(bào)道還較少。

透水混凝土作為一種生態(tài)友好型材料，其應(yīng)用價(jià)值和透水性能逐漸引起許多學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注，如吳堃等[4]提出粉煤灰的加入會(huì)降低混凝土的透水性能，試樣抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出先增大后減小的變化特征；李瑞豐等[5]研究認(rèn)為以70%～80%的骨料吸水率作為要加入的最佳附加水量，由此制備的透水混凝土各項(xiàng)性能及效果均優(yōu)于傳統(tǒng)制備工藝，從而有效解決了水泥漿沉底的問(wèn)題；VIERA等將天然骨料利用再生骨料來(lái)替代，并通過(guò)微觀孔隙試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)、表面磨損試驗(yàn)和孔隙堵塞試驗(yàn)，并提出再生骨料含量越高則試樣表面磨損越嚴(yán)重，透水混凝土孔隙含量與宏觀結(jié)構(gòu)性質(zhì)之間具有較好關(guān)系；蔣興教等[6]利用平面孔隙二值比法和數(shù)學(xué)模型模擬了孔隙結(jié)構(gòu)，提出骨料粒徑和設(shè)計(jì)孔隙率的增大均會(huì)影響混凝土的透水性及強(qiáng)度，其中影響更加顯著的是骨料粒徑；江昭明等[7]分析了各因素對(duì)透水系數(shù)和抗壓強(qiáng)度的影響程度，認(rèn)為目標(biāo)孔隙率<水膠比<骨灰比的影響，骨灰比3.8、目標(biāo)孔隙率15%且水膠比0.34時(shí)的透水混凝土性能最優(yōu)；唐海玥等[8]研究表明用骨料粒徑9.5～16.0mm、水膠比0.25～0.30配制的透水混凝土性能最優(yōu)；曾偉等[9]探討了透水混凝土性能受孔隙率、骨料粒徑、水膠比的影響，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立設(shè)計(jì)孔隙率與有效孔隙率的回歸方程。此外，有些學(xué)者利用廢棄的骨料制備透水混凝土，從微觀和宏觀上探討了再生骨料透水混凝土性能，揭示出其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)、透水性能以及力學(xué)性能之間的變化規(guī)律[10-13]。

綜上分析，雖然選用較小粒徑1～5mm骨料制備的透水混凝土具有較好的力學(xué)性能，但其孔隙率偏低，難以達(dá)到理想的透水效果；選用粒徑10～15mm骨料制備的透水混凝土具有良好的透水性能和較高的孔隙率，但力學(xué)性能較差。因此，透水系數(shù)和強(qiáng)度作為主要性能指標(biāo)，兩者之間存在一定的矛盾關(guān)系。此外，摻入適量的粉煤灰既可以節(jié)約成本，還有利于增強(qiáng)透水混凝土強(qiáng)度。鑒于此，文章選用10～15mm、5～10mm和1～5mm不同粒徑骨料進(jìn)行雙級(jí)配混合，試驗(yàn)用固定水灰比0.35，探討試樣透水系數(shù)、抗壓強(qiáng)度受粉煤灰摻量的影響規(guī)律，旨在為工程應(yīng)用及類似研究提供一定借鑒。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料準(zhǔn)備

1)水泥。試驗(yàn)選用海螺P·O42.5通用硅酸鹽水泥，其初凝和終凝時(shí)間180min、305min，表觀密度3100kg/m3。

2)粉煤灰。試驗(yàn)選用綏中電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，粉煤灰的品質(zhì)指標(biāo)，見表1。

表1 粉煤灰的品質(zhì)指標(biāo)

3)骨料。試驗(yàn)選用10～15mm、5～10mm和1～5mm不同粒徑花崗巖碎石進(jìn)行雙級(jí)配混合，人工碎石的品質(zhì)指標(biāo)，見表2。

表2 人工碎石的品質(zhì)指標(biāo)

4)外加劑。試驗(yàn)選用青島華鐵HT-300聚羧酸高效減水劑，減水率20%。

5)水。拌合水選用當(dāng)?shù)刈詠?lái)水。

1.2 骨料配合比

透水混凝土配合比擬利用體積法計(jì)算確定，取膠凝材料用量的0.5%作為減水劑摻量，骨料配合比設(shè)計(jì)，見表3，其中G1組代表骨料粒徑5～10mm、粉煤灰摻量0%的標(biāo)準(zhǔn)試件。為達(dá)到理想的透水效果，設(shè)計(jì)目標(biāo)孔隙率20%。然后結(jié)合骨料級(jí)配試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定最優(yōu)級(jí)配和水膠比，設(shè)計(jì)10%、20%、30%三種粉煤灰摻量，探討透水混凝土性能受粉煤灰影響特征。

表3 骨料配合比設(shè)計(jì)

1.3 成型方式

制備的透水混凝土為100mm×100mm×100mm試件，每組有3個(gè)。試驗(yàn)選用二次投料法配制拌合物，具體流程為：先將50%拌合水與全部骨料混合攪拌30s，再把規(guī)定摻量的粉煤灰和全部水泥加入并攪拌60s，然后加入減水劑和剩余50%拌合水再次攪拌90s，拌合均勻后倒出混合料。

為保證各組試件的透水性能和抗壓強(qiáng)度，成型時(shí)選用手工插搗的方式，分三層將拌合物裝入模具，每層裝填完成后，沿四周向中心用插搗棒均勻打圈式插到30次，最后沿水平方向用插搗棒施加約0.5MPa的力，將試件表面抹平后成型。成型后，采用塑料薄膜覆蓋試樣表面，室內(nèi)靜置24h后拆模放入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)。

1.4 測(cè)試方法

1)有效孔隙率的測(cè)試。孔隙率利用重量法進(jìn)行測(cè)試，其主要流程有：先從養(yǎng)護(hù)室取出養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期的試件，為保證混凝土吸水飽和完全浸入水中24h，并測(cè)定水中試件質(zhì)量m2；然后取出試件，將表面水分擦干后放入烘箱烘干，保持恒溫24h后取出測(cè)定干燥試件質(zhì)量m1，計(jì)算確定試件體積V，利用下式計(jì)算有效孔隙率P，即：

(1)

2)透水系數(shù)的測(cè)試。透水系數(shù)利用定水頭法進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)裝置選用自制簡(jiǎn)易測(cè)定儀，試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范，透水系數(shù)K(mm/s)的計(jì)算公式如下：

(2)

式中：Q、L為t秒內(nèi)透水試件流出的水量，mm3；試件的厚度，mm；A為試件的底面積，mm2；H為液面水位差，mm；t為測(cè)試時(shí)間，s。

(3)單軸壓縮試驗(yàn)。抗壓強(qiáng)度利用DYE-2000型全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，相關(guān)方法嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，抗壓強(qiáng)度f(wàn)(MPa)按公式(3)計(jì)算確定，即：

(3)

式中：A為試件受壓面積，mm2；F為其破壞時(shí)的荷載值，N。設(shè)定加載速率0.2MPa/s，最終的抗壓強(qiáng)度取3個(gè)試件的平均值乘以換算系數(shù)0.95確定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同骨料混合比例

透水系數(shù)及其抗壓強(qiáng)度受不同骨料混合比例的影響規(guī)律，不同骨料混合比例的透水性能和抗壓強(qiáng)度，見圖1。由表1可知，透水混凝土中摻兩種混合粒徑骨料時(shí)具有較高的抗壓強(qiáng)度，其透水系數(shù)相對(duì)較低。

從圖(1)中，復(fù)摻雙粒級(jí)1～5mm和5～10mm骨料時(shí)，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度隨較小粒徑骨料混合比例的增加明顯增大，從18.6MPa逐漸增加至22.4MPa，上升幅度達(dá)到20.43%。混合比例從G2變成G3時(shí)，試件的透水系數(shù)明顯減小，減小幅度達(dá)到51.64%。因此，透水混凝土抗壓強(qiáng)度在骨料混合比例m1～5mm：m5～10mm=7：3時(shí)最高，但透水系數(shù)較小只有0.43mm/s。

(a)m1～5mm：m5～10mm (b)m5～10mm：m10～15mm

從圖1(b)中，復(fù)摻雙粒級(jí)5～10mm和10～15mm骨料時(shí)，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度隨較大粒徑骨料混合比例的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，骨料混合比例為3:7時(shí)透水混凝土的抗壓強(qiáng)度最小，較混合比例5：5時(shí)的抗壓強(qiáng)度減小11.79%。透水混凝土抗壓強(qiáng)度在骨料混合比例m5～10mm：m10～15mm=5：5時(shí)最高，其透水系數(shù)1.54mm/s。因此，G5～G6加入較大粒徑骨料組較G2～G4加入較小粒徑骨料組的雙粒級(jí)配透水性能更優(yōu)。

究其原因，隨著5～10mm骨料用量的減少以及1～5mm骨料用量的增多，兩種混合粒徑級(jí)配逐漸達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，骨料整體級(jí)配不斷改善。同時(shí)，透水混凝土內(nèi)部的膠凝材料與骨料顆粒之間的接觸面積增多，膠凝材料與骨料的黏結(jié)強(qiáng)度隨之增強(qiáng)，相應(yīng)的強(qiáng)度也發(fā)生改變。此外，內(nèi)部顆粒的緊密結(jié)合程度隨著小粒徑骨料的增多而增大，孔隙率會(huì)逐漸減小到一定的臨界點(diǎn)，從而降低了其透水性能[14]。反之，不斷增加10～15mm骨料用量時(shí)使得整體骨料粒徑變大，骨料之間的接觸點(diǎn)逐漸減小，內(nèi)部的孔隙隨之增多，從而提高了混凝土的透水性能，降低了抗壓強(qiáng)度。

試驗(yàn)檢測(cè)各組試件的孔隙率和透水系數(shù)，孔隙率和透水系數(shù)試驗(yàn)值，見表3。由表3可知，透水系數(shù)與孔隙率之間存在正相關(guān)關(guān)系，即孔隙率越高則透水系數(shù)越大，該結(jié)論與文獻(xiàn)資料保持一致。

表3 孔隙率和透水系數(shù)試驗(yàn)值

具體而言，G4組透水混凝土的有效孔隙率最低為15.33%，在透水混凝土中加入10～15mm雙粒級(jí)骨料可以逐漸提升有效孔隙率，G7組透水混凝土的有效孔隙率最高達(dá)到21.22%。究其原因，透水混凝土的內(nèi)部孔隙隨著較大粒徑骨料的增多而增大，其透水性能隨之明顯提高。

2.2 不同粉煤灰摻量

根據(jù)前文分析結(jié)果，骨料混合比例m5～10mm：m10～15mm=5：5和m1～5mm：m5～10mm=7：3時(shí)透水混凝土的抗壓強(qiáng)度最佳，通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)m5～10mm：m10～15mm=5：5組的透水性能更好。所以，文章維持混合比例m5～10mm：m10～15mm=5：5不變，進(jìn)一步探討了透水系數(shù)和強(qiáng)度受10%、20%、30%粉煤灰摻量的影響。不同粉煤灰摻量的透水系數(shù)、抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，不同粉煤灰摻量組的透水系數(shù)和抗壓強(qiáng)度，見圖2。

圖2 不同粉煤灰摻量組的透水系數(shù)和抗壓強(qiáng)度

從圖2可以看出，粉煤灰摻量從0%不斷提高到20%時(shí)透水混凝土的28d抗壓強(qiáng)度明顯增大，20%粉煤灰摻量時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高的21.6MPa。同時(shí)，隨粉煤灰摻量增大混凝土的透水系數(shù)表現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)，粉煤灰摻量20%時(shí)的透水系數(shù)達(dá)到最小的1.46mm/s，較未摻粉煤灰組其抗壓強(qiáng)度增加了10.8%，雖然透水系數(shù)小幅減小，但總體趨于穩(wěn)定。因此，研究認(rèn)為透水混凝土綜合性能在粉煤灰摻量20%時(shí)達(dá)到最優(yōu)。

2.3 透水混凝土微觀分析

對(duì)透水混凝土性能受粉煤灰的影響機(jī)理，從微觀上利用SEM掃描電鏡進(jìn)行分析，測(cè)得摻20%粉煤灰組和未摻粉煤灰組28d的SEM圖。

透水混凝土表面分布有一定量的粉煤灰顆粒，晶體顆粒疏松、無(wú)序排布且含有少量孔隙，推斷這些納米級(jí)的球形顆粒是Al2O3、SiO2、C-A-H、C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物，這些產(chǎn)物填充了骨料之間的細(xì)小孔隙，從而發(fā)揮一定的土料填充效應(yīng)，骨料之間的黏結(jié)面積增大，故抗壓強(qiáng)度也隨之增大。晶體結(jié)構(gòu)多孔疏松，并且呈片成樁及柱狀，由C、Al、Si、Ca、O等元素構(gòu)成水化產(chǎn)物，推斷主要有CaCO3、C-A-H和C-S-H凝膠。

3 結(jié) 論

1)透水混凝土抗壓強(qiáng)度隨小粒徑骨料比例的增大表現(xiàn)出不斷增大趨勢(shì)，骨料混合比例m5～10mm：m10～15mm=5：5和m1～5mm：m5～10mm=7：3時(shí)透水混凝土的抗壓強(qiáng)度最佳，力學(xué)性能相對(duì)較好。

2)從透水性能上，透水混凝土內(nèi)部孔隙隨不同骨料粒徑的變化而變化，摻入10～15mm粒徑的骨料相比于摻1～5mm粒徑的骨料可以更好地提高透水系數(shù)，在保證相對(duì)高強(qiáng)的情況下混合比例m5～10mm：m10～15mm=5：5時(shí)混凝土的透水性能良好。

3)隨著粉煤灰摻量的增加，透水混凝土強(qiáng)度表現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，透水系數(shù)表現(xiàn)出先減小而增大的變化趨勢(shì)，粉煤灰顯著影響著混凝土的強(qiáng)度和透水系數(shù)。20%粉煤灰摻量時(shí)試件的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高的21.6MPa，透水系數(shù)達(dá)到最小的1.46mm/s，雖然透水系數(shù)小幅減小，但總體趨于穩(wěn)定，研究認(rèn)為此時(shí)透水混凝土的綜合性能達(dá)到最優(yōu)。

4)通過(guò)微觀分析發(fā)現(xiàn)，粉煤灰作為一種礦物摻合料含有許多納米級(jí)球型顆粒，這些微小顆粒改善透水混凝土的密實(shí)程度和內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高了其抗壓強(qiáng)度，微觀分析結(jié)果與宏觀測(cè)試數(shù)據(jù)保持一致。