季香華

(盤山縣農(nóng)業(yè)水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 盤錦 124100)

人與自然協(xié)調(diào)共生為配置生態(tài)友好型、環(huán)境舒適型混凝土提供了思路，透水混凝土的投入使用可以補充地下水，減緩城市地下水位下降、緩沖土壤毛細管水蒸發(fā)以及改善城市道路路面缺陷，對于維護生態(tài)圈平衡、促進地下水循環(huán)和緩解城市熱島效應(yīng)發(fā)揮著積極作用，為推動海綿城市建設(shè)和自然生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)做出突出貢獻[1]。李秋實等[2]全面探討了透水混凝土滲透性及強度受再生集料的影響，并指出透水混凝土性能與集料級配、類型密切相關(guān)；張雪麗等[3]綜述了透水混凝土施工技術(shù)和研究現(xiàn)狀等內(nèi)容。

遼西地區(qū)正積極打造“海綿城市”，以應(yīng)對近年來日趨劇烈的環(huán)境變化和自然災(zāi)害，城市如同海綿一樣，雨季凈水、吸水、滲水、蓄水，旱季“釋放”，以緩解供水壓力。該地區(qū)土質(zhì)疏松，土層較薄，土壤顆粒間的膠結(jié)結(jié)構(gòu)受雨水浸潤作用發(fā)生破壞，從而影響路基的整體穩(wěn)定性。因此，必須充分考慮土質(zhì)特點，因地制宜的制作透水混凝土地面。文章對比分析了不同骨料級配的透水混凝土試驗，探討了透水混凝土力學(xué)和宏觀性能受粗骨料級配的影響規(guī)律。

1 試驗方案

1.1 原材料性能

試驗所用水泥為P·O 42.5級，水泥性能指標(biāo)，見表1。試驗選用3種不同的骨料級配：粒徑16-32mm：10-20mm=7：3的混合級配、粒徑16-32mm與10-20mm的單一級配、粒徑5-16mm的連續(xù)級配。卵石由商混凝土站統(tǒng)一提供，含泥量0.6%，堆積密度和表觀密度為1635kg/m3、2780kg/m3，粉煤灰摻合料為Ⅱ級，試驗用水為自來水。

表1 水泥性能指標(biāo)

1.2 配合比設(shè)計

漿體流動性主要取決于水灰比，由于無法直接使用傳統(tǒng)方法測試透水混凝土塌落度，擬利用跳桌試驗檢測法[4]，并摻入適量的減水劑加以調(diào)整，故設(shè)計水膠比取0.3。本試驗利用體積法進行配合比設(shè)計，配合比設(shè)計，配合比設(shè)計，見表2。

表2 配合比設(shè)計

1.3 試件成型

根據(jù)配合比設(shè)計原則，利用人工攪拌的方式配制透水混凝土，操作流程為：①將1/4的用水加入粗骨料中，均勻攪拌25s；②然后把1/2水泥加入表面已濕潤的骨料，勻速拌合35s；③攪拌完成后，將1/2水泥+1/4水再攪拌40s；④將剩余水加入，再次拌合45s；⑤拌合物出料后分層裝入模具，機械振搗密實并放入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護至規(guī)定齡期，為防止養(yǎng)護過程中水分蒸發(fā)，利用塑料薄膜覆蓋試件表面。

2 試驗方法

2.1 強度測定

依據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》[5]有關(guān)規(guī)定進行混凝土試件強度測試，抗折試件用鋼膜成型，大小為150mm×150mm×600mm，每種級配分別制作5個抗折試件。成型后，采用薄膜覆蓋并放入室溫環(huán)境靜置1d，然后拆模、編號并標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28d，結(jié)合試驗要求分兩組分別測定其抗壓與劈裂強度。

2.2 透水系數(shù)

透水系數(shù)采用不變水頭法測試，主要流程為：①制作圓柱體試件并標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至規(guī)定齡期，試件尺寸φ10cm×20cm；②對試件蠟封確保側(cè)面不流出水，然后將飽水后的試件安放至測試裝置，控制水頭保持15cm；③密封后注水至水從透水儀出水口流出，繼續(xù)注水直至頂部水位不發(fā)生變化停止操作，記錄時間并利用下式計算透水系數(shù)k(cm/s)，即：

(1)

式中：h、H為試件頂面恒定水頭和試件高度，cm；A為試件斷面面積，cm2；Q為出水口溢出水量，cm3；t為出水測試時間，s。

保持其他條件不變，對每個試件分別測定5次透水量，記錄透水量基本穩(wěn)定時的數(shù)據(jù)，刪去最小值與最大值后計算平均值，代入以上公式確定透水系數(shù)[6]。記錄測試過程中的水溫，并轉(zhuǎn)換計算標(biāo)溫下的透水系數(shù)k15。

2.3 孔隙率

對于孔隙率利用質(zhì)量法進行測定，其基本原理是計算試件飽水與烘干時的質(zhì)量差值，以此作為孔隙結(jié)構(gòu)飽水時的浮力[7]。該狀態(tài)下可利用理論與實際浮力的差值作為孔隙率p(%)，計算表達式為：

(2)

式中：ω2為飽水；ω1為烘干時的試件質(zhì)量，g；v為時間體積，cm3。

2.4 抗凍性能

目前，國內(nèi)外尚未形成系統(tǒng)完善的透水混凝土凍融破壞機理，其與內(nèi)部臨界飽和度以及水分不連續(xù)遷移有關(guān)?？箖鲂詳M選用鹽凍法測試，主要流程為：①采用標(biāo)準(zhǔn)鋼膜制作試件，中間用隔板隔開；②成型后制作75mm×150mm×150mm試件，放入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護至規(guī)定齡期；③采用環(huán)氧樹脂進行防水處理，配置試驗溶液為3%氧化鈉溶液；④將處置好的試件放入冰箱中并通電開始凍融循環(huán)，定期記錄剝蝕質(zhì)量，計算累積損失。

2.5 收縮性能

透水混凝土抗拉強度<收縮應(yīng)力時就會產(chǎn)生收縮裂縫，而裂縫的存在會給材料的使用造成一定程度的影響。《標(biāo)準(zhǔn)》[8]明確規(guī)定，骨料粒徑超過30mm時必須用專用試模成型，即150mm×150mm×515mm試件模，每種級配分別制作3個試件。貼譜塑料薄膜以防模具內(nèi)壁受收縮作用的限制，然后將測頭埋置模具兩端進行澆筑，安設(shè)千分表并調(diào)試置零；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至3d齡期后取出測定試件的初始長度，然后每隔3d測量一次，記錄變形讀數(shù)并確定干縮系數(shù)，并以平均值作為最終收縮系數(shù)，計算精度1×10-6。

2.6 表觀密度

振搗密實后，單位體積上的混凝土拌合物質(zhì)量就是其表面密度，試驗操作嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[8-9]，一般利用下式計算拌合物表觀密度ρ(kg/m3)，即：

(2)

式中：m1為量筒質(zhì)量；m2為拌合物的總質(zhì)量，kg；v為量筒體積，L。

3 結(jié)果與分析

試件物理力學(xué)性能統(tǒng)計表，見表3。結(jié)合檢測結(jié)果探討分析不同骨料級配的影響作用。

表3 試件物理力學(xué)性能統(tǒng)計表

3.1 強度與粗骨料級配的關(guān)系

骨料級配是影響混凝土強度的重要因素，不同齡期與強度關(guān)系曲線，見圖1。對比分析3、4曲線可知，單一級配骨料的混凝土強度隨骨料粒徑的增大而減小，這是由于水泥用量保持不變的情況下，粗骨料粒徑越小則單位體積比表面積越大，內(nèi)部骨料間的接觸點越多，相應(yīng)的骨架膠結(jié)作用越強，受力后破壞強度高于試件4。

圖1 不同齡期與強度關(guān)系曲線

隨齡期變化抗壓強度表現(xiàn)出較小的離散型特征，其中連續(xù)級配粗骨的強度曲線變化趨勢較其他三組更為明顯。這是由于單一級配骨料間的接觸點少、膠結(jié)作用較弱，并且成型過程中骨料粒徑越大多余水泥越易沉積于底部，從而明顯降低強度。

骨料級配的抗折強度，見圖2。圖2表明內(nèi)部孔隙分布不均勻是引起透水混凝土沿脆弱斷裂面破壞的關(guān)鍵，從而使得強度出現(xiàn)明顯的改變，并且早期抗折強度發(fā)展較快。

圖2 骨料級配的抗折強度

通過對比圖3中的曲線3、4可知，齡期相同時試件3的強度略低于試件4，這種變化規(guī)律與抗折抗壓強度變化不符，這主要與不均勻的孔隙分布相關(guān)。根據(jù)多項式y(tǒng)=ax2+bx+c，經(jīng)數(shù)學(xué)計算x=-2a/b時曲線有最大值，從理論上講試件1的劈裂強度達到峰值的時間為58d，隨后逐漸平緩，而試件4的劈裂強度達到峰值的時間為78d。不同骨料級配的劈裂強度，見圖3。

圖3 不同骨料級配的劈裂強度

3.2 透水系數(shù)與粗骨料級配的關(guān)系

骨料粒徑與透水系數(shù)關(guān)系圖，見圖4。圖4表明：透水系數(shù)與顆粒級配之間的線性關(guān)系不明顯，即曲線斜率隨骨料粒徑的改變(5-16mm增加到16-32mm)快速上升，由此表明單一級配的透水系數(shù)要高于混合、連續(xù)級配，并且透水系數(shù)隨粒徑的增大而增加。深入分析發(fā)現(xiàn)，骨料粒徑越大則內(nèi)部的接觸點和膠結(jié)面積越少，所以內(nèi)部的孔隙率越高，孔隙率越高則透水系數(shù)就越大，突出了透水系數(shù)受骨料粒徑影響顯著的特性[10-11]。采用透水儀記錄的5-16mm粗骨料粒徑混凝土溢出水量，溢出水量統(tǒng)計表，見表4。

表4 溢出水量統(tǒng)計表

圖4 骨料粒徑與透水系數(shù)關(guān)系圖

3.3 孔隙率與粗骨料級配的關(guān)系

骨料粒徑與孔隙率關(guān)系圖，見圖5。圖5表明骨料粒徑在一定程度上影響著孔隙率，骨料粒徑越大則孔隙率越高，特別是從5-16mm增大至16-32mm時，孔隙率上升趨勢明顯。深入分析可知，骨料粒徑越大則內(nèi)部的孔隙率和孔洞尺寸就越大，接觸點越少，并且單一級配的孔隙率更高，單一級配水平段曲線會引起級配不連續(xù)，無法充分填充內(nèi)部孔隙導(dǎo)致孔隙率較高。

圖5 骨料粒徑與孔隙率關(guān)系圖

3.4 抗凍性與骨料級配的關(guān)系

齡期與干縮系數(shù)關(guān)系圖，見圖6。圖6表明隨骨料級配以及凍融次數(shù)的增加透水混凝土質(zhì)量損失累積率呈波動上升趨勢，其中單一級配的質(zhì)量損失累積速率較快，連續(xù)級配速率最慢。凍融初期，試件3的質(zhì)量損失速率>試件4，凍融循環(huán)4-8次后逐漸慢于后者。臨界狀態(tài)時，試件1、4的質(zhì)量損失累積為18.78g、22.41g，隨骨料粒徑的增加抗凍性能和凍融次數(shù)均明顯增加。

圖6 齡期與干縮系數(shù)關(guān)系圖

3.5 收縮性與粗骨料級配的關(guān)系

齡期與干縮系數(shù)的關(guān)系同，見圖7。圖7表明在28d時干燥收縮達到80%，透水混凝土于90d時趨于穩(wěn)定，相同條件下試件1的干縮值明顯<試件3，隨齡期變化混凝土干燥收縮系數(shù)變化，干縮試驗結(jié)果，見表6。

水泥漿或水泥石直接決定了透水混凝土的干燥收縮性，混凝土內(nèi)部存在毛細孔、凝膠孔、氣孔等多種孔隙，孔隙內(nèi)包含一定水分。干縮過程中，毛細孔和氣孔中的水分會首先蒸發(fā)，透水混凝土干縮值不受氣孔水分蒸發(fā)的影響，而毛細孔外部壓力要低于內(nèi)部，在負(fù)壓作用下回形成收縮力。水膜失去后，凝膠顆粒間的范德華力會引起干燥收縮。因此，混凝土收縮主要受水泥用量的影響。試件1的齡期與干縮系數(shù)關(guān)系式可表示成：y=67.05lnx+5.712，其中t處于0-120d，同樣可以確定其他級配的齡期與干縮系數(shù)。

圖7 齡期與干縮系數(shù)的關(guān)系

表6 干縮試驗結(jié)果

3.6 表觀密度與粗骨料級配的關(guān)系

表觀密度與骨料粒徑的關(guān)系，見圖8。圖8表明，試件1、2的表觀密度處于處于1760-1780kg/m3之間，總體上接近，而試件4為1720kg/m3，表明骨料粒徑越大則表觀密度越小。試件1、2孔隙率較低的原因是連續(xù)級配的小顆粒骨料填充了內(nèi)部孔隙，從而增大了表觀密度。因此，單一級配骨料的孔隙較大，從而降低了混凝土表觀密度。

圖8 表觀密度與骨料粒徑的關(guān)系

4 結(jié) 論

1)連續(xù)級配高于單一級配的表觀密度，骨料粒徑越大則單一級配混凝土的透水性越好，孔隙率越高，但強度較弱，而連續(xù)級配混凝土的強度最高、透水性最差。

2)隨齡期的變化不同級配混凝土強度呈離散型分布，這與混凝土多孔性有關(guān)，隨齡期發(fā)展混凝土強度曲線呈非線性。

3)通過對比鹽凍與干縮試驗發(fā)現(xiàn)，相同條件下連續(xù)級配的透水混凝土收縮性能良好，干縮系數(shù)和質(zhì)量損失累積小，可在一定程度上提升其抗凍性能。