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。
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)
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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
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
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
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
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
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
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。