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高性能透水混凝土的性能与制备要点

文章出处:世博锐 发表时间:2019-06-13 09:06:57
[摘   要]本文简要先容了透水混凝土在国内外的研究进展,从产生机理、影响因素和存在问题的角度出发,论述透水混凝土在透水性能、抗压强度、抗冻性能和抗疲劳性能等方面的研究现状。根据试验基础,为综合解决透水混凝土强度低、易堵塞、抗冻性和抗疲劳性差的问题提出建议。
 
 
引言
近年来,随着社会经济的快速发展,城市生态问题日益突出,伴随不透水路面带来的诸如雨水不能渗入地下导致地表植物缺水难以存活,“热岛效应”,暴雨后城市内涝等负面影响,透水混凝土的应用呼声越来越高。国外已经对透水混凝土有了较为全面和深入的研究,早在150 年前,欧洲就开始使用多孔水泥混凝土[1],日本和美国也对透水混凝土的性能做过许多研究[2,3]。虽然在国内,透水混凝土还没能大面积推广使用,但目前国内透水混凝土的应用正一步步迈入正轨,在奥林匹克森林公园,“鸟巢”体育馆的湖边西路等都有了大面积透水混凝土的成功应用。而随着“海绵城市”概念的提出,透水混凝土这种生态环保型地面材料将会发挥越来越重要的作用。
 
透水混凝土是由特定级配的水泥、水、骨料、外加剂、掺合料和无机颜料等按特定配合比经特殊工艺制备而成的具有连续空隙的生态环保型混凝土。其表观密度一般为1600~2100kg/m3,28d 抗压强度 10~30MPa,28d 抗折强度 2~6MPa,透水系数 0.5~20mm/s。与普通混凝土相比,透水混凝土具有透水、透气、净化水体、吸声降噪、保护地下水资源、减缓城市热岛效应和改善土壤生态环境等众多优良的使用性能。然而,透水混凝土在目前的研究进展与应用现状中仍存在许多不足。鉴于此,本文从机理和影响因素角度出发,总结分析了透水混凝土的透水性能、抗压强度、抗冻性能和抗疲劳性能,并结合试验,为综合解决透水混凝土存在的问题提出几条建议,旨在为我国透水混凝土的理论研究和工程应用提供参考。
 
 
 
高性能透水混凝土的特点
1.1  透水性
透水混凝土是骨架空隙结构,孔隙分为开口孔隙、半开口孔隙和闭口孔隙三种,从排水角度看,前两种孔隙构成透水混凝土的有效孔隙[4]。水流经过透水混凝土表层时,主要依靠孔隙,还有一小部分通过渗流作用流走。这是透水混凝土作为路面材料的重要特性。当雨水落到透水面表层时,可以进入透水混凝土结构内部,并通过内部联通孔隙流走,而不会在路面表面形成有害水膜和径流,从而降低了动水压力。因此,车辆在透水混凝土路面上行驶时,轮胎会与路面保持良好的接触,可以避免车辆在雨中高速行驶时产生的水漂现象,从而提高行车安全性。遇到大暴雨时,透水混凝土可以迅速将积水汇集于地下排水系统进入河湖,从而降低发生洪涝的风险。
 
[5] 的研究表明,随着水胶比增大,透水混凝土的有效孔隙率降低,透水系数减小。静压成型不会因振动使混凝土组织结构不均匀,甚至浆体封底,施加适当压力将骨料压实,减小了颗粒间空隙,但有效孔隙率较大,可提高透水性。孟刚等人[6]对 C30 透水路面混凝土的研究表明,振动成型试件的透水系数明显低于静压成型试件的透水系数,但振动成型法测得的透水系数>1mm/s,满足现行规范要求。对比一次加料和水泥裹石法两种搅拌方法,发现采用水泥裹石法后,透水混凝土的实测孔隙率及透水系数均有一定程度的增加,可见采用水泥裹石法有利于改善透水混凝土的透水性。此外,不同种类的硅酸盐水泥、外加剂和骨料粒径等都对透水混凝土的透水性有影响。
[4]在使用过程中,粉尘和泥沙堆积会使透水混凝土的孔隙出现堵塞,影响水在混凝土结构中传输,进而严重影响透水混凝土的透水性。为此,日本采用高压清洗和真空吸附相结合的方法解决这一问题,采用4~7MPa 的小型高压清洗机清洗路面,可以使透水混凝土的透水功能恢复到初期的 80%[7]。Balades 等指出,透水混凝土的堵塞通常发生在路面的表层几厘米内,对比润湿后清扫、清扫后吸尘、仅吸尘以及高压水冲洗和吸尘四种处理方式后认为,透水混凝土路面在第四种方式的作用下可以基本恢复透水路面的初始渗透率。
 
1.2  抗压强度
透水混凝土可以看做是由胶凝材料浆体把粗骨料颗粒粘结成的多孔堆聚结构,其力学性能主要取决于骨料的性质、胶结材料性质以及骨料和胶结材料界面间的粘结力。其中,骨料与胶结材料的结合区域是透水混凝土最薄弱的部位,这也是透水混凝土强度较低的关键原因。为了改善透水混凝土的力学性能,国内外学者在透水混凝土的性能影响因素方面做了大量研究。
混合料配制方法通常有普通搅拌法、预湿骨料法和预拌浆料法三种,蒋佑松[5] 研究表明,预湿骨料法和预拌浆料法都可以提高混凝土抗压强度,且在水泥用量相同情况下,预拌浆料可使透水混凝土强度提高约45%~60%。这是由于预拌浆料法使浆体均匀分布在骨料表面,降低结构离散性,提高透水混凝土强度,也将少了水泥用量。骨料种类和粒径级配也会影响透水混凝土强度。同济大学蒋正武等人[8]就指出,骨料粒径与级配、集灰比是影响透水混凝土孔隙率与抗压强度的关键因素,随着小粒径骨料比例的增加,骨料压碎值的增大,透水混凝土的抗压抗折强度都会增大,但小粒径骨料又不能太多,否则会影响透水混凝土的排水性能。蒋佑松[5]研究表明,水泥用量相同条件下,骨料堆积密度越大,粒径越小,骨料堆积的孔隙率越小,硬化混凝土的结构密实度越大,抗压强度也越高。而且,小粒径骨料的比表面积更大,会增大骨料与胶结材料的粘结面积,改善界面结构,进一步提高透水混凝土的抗压强度。透水混凝土的成型方式一般有静压成型、普通振动成型和人工振捣成型,也会影响透水混凝土抗压强度。蒋佑松[5]的研究表明,振动成型有利于提高透水混凝土密实性,但过振又会使浆料从骨料表面淌下,导致结构不密实,又会降低抗压强度;人工振捣难以保证混凝土结构密实均匀,从而使强度降低;相比之下,静压成型可以将材料压实,也有利于骨料粘结,制备的透水混凝土强度较高。而对于特定骨料和水泥品种及其用量,水胶比是影响透水混凝土强度的最主要因素。蒋正武和蒋佑松的研究都表明,在配制透水混凝土时,要根据材料组成和性能要求确定透水混凝土的最佳水胶比。这是因为水胶比较小时,浆体难以均匀包裹在骨料周围,不仅流动性差,难于密实成型,也会使硬化组织结构中孔隙更大,虽透水性好,却不利于强度提高;水胶比较大时,浆体总量多,流动性大,但粘结能力明显下降,不仅难于均匀包裹在骨料表面,反而更容易从其表面流下,造成封底现象,导致透水混凝土结构严重不均,抗压强度下降;最佳水胶比状态下,拌合过程中应能观察到浆体能均匀分布在骨料表面而不会流淌,且颗粒表面发亮。蒋佑松采用粒径为4.75~9.5mm 粗骨料、0.30 左右的水灰比,通过静压成型工艺,配制出表观密度 1900kg/m3、透水系数大于 1.5mm/s的 C30 透水混凝土。东南大学的霍亮[9] 在试验中采用 0.25 的水灰比,配制出的透水混凝土 28d 抗压强度高达 35MPa。此外,外加剂和掺合料在提高透水混凝土强度方面发挥越来越重要的作用。李子成等人[10,11]分别研究了超细粉煤灰(比表面积735m2/kg)、硅灰以及有机聚合物(苏州建筑科学研究院生产的 SJ-601 型有机高分子聚合物水泥改性剂)对透水混凝土的界面的增强增韧效应,从微观角度分析掺合料改善透水混凝土力学性能的机理。试验发现,较适宜的粉煤灰掺量为16%、硅灰掺量为 6% 左右,以适宜掺量的矿物掺合料为基准配合比,掺入聚合物能使透水混凝土强度进一步提高,28d 抗折强度达到 8.5MPa,抗压强度达到34.7MPa,为了满足透水性,聚合物掺量为 8%~12%。
透水性和抗压强度是透水混凝土最重要的性质,二者相互矛盾。用有效孔隙率表征透水性,长安大学郑木莲等人[12] 通过试验研究抗压强度与有效孔隙率的关系,相关系数R=0.8631:
fc,7=-0.3806ne+17.058
式中,fc,7——7d 抗压强度,MPa;
          ne——有效孔隙率,%。
由此可见,透水混凝土的抗压强度与孔隙率存在着良好的线性关系。这对透水混凝土的配合比设计优化和理论计算具有重要意义。
 
1.3  抗冻融性
抗冻融性是衡量透水混凝土耐久性的重要指标。透水混凝土结构主要通过骨料间的交接点传递受力,但由于骨料界面间胶结面较小,胶结层较薄,在冻融环境下,界面区域成为透水混凝土力学性能劣化最快的区域[13],也导致透水混凝土的抗冻性较普通混凝土更差。许多实例发现,透水混凝土在不饱和及部分饱和的状态下也很容易遭受冻融破坏。透水混凝土的破坏原因主要有以下两种:一是浆体微空隙中的水经历冻融循环后,会造成混凝土自表及里的剥蚀破坏;二是对于饱水受冻的透水混凝土,初始外部结冰会向内挤压未冻部位,当由此产生的膨胀压大于透水混凝土的抗拉强度时,硬化水泥浆体部位就会产生裂纹,继续冻融就会导致裂纹扩展直至破坏[14]。在透水混凝土冻融试验过程中发现,透水混凝土盐冻破坏呈现两种方式:一种是试件试验面水泥不断剥落导致质量损失,继而骨料颗粒开始剥落,最终骨料大量脱落,试件破坏;另一种是冻融初期,试件质量损失不明显,随着冻融次数的增加,质量损失会在一次冻融循环中突然增加,之后表现为突然碎裂[15]。
为了解决透水混凝土抗冻性较差的问题,许多学者对此展开研究。湖南科技大学李伟[16] 研究透水混凝土抗冻性与目标空隙率和水灰比的关系,发现水灰比一致条件下,孔隙率越大,抗冻性越差。哈尔滨工业大学刘星雨[15]研究发现,透水混凝土的抗冻性随着水灰比的增大而降低,随着骨料粒径的减小和浆骨比的增大而提高。大连理工大学胡立国[17] 的研究发现,掺入粉煤灰和硅灰可以明显提高透水混凝土的抗冻性能,冻融150次后抗压强度的损失值也在 25% 以内。Kevern 等人[18] 的研究表明,增加粗骨料数量会降低透水混凝土的抗冻性,而加入长纤维则会提高其抗冻性,但会对透水混凝土的透水性不利。江苏建科院姜骞[19]研究表明,增加胶材用量有助于提高透水混凝土的抗冻融性能。当胶材用量相同时,掺入由江苏苏博特新材料股份有限企业生产的 SBT®-PRC(I) 增强剂,可以延缓透水混凝土抗冻性,但延缓作用有限,至多增加25 次冻融循环次数。
1.4  抗疲劳性
透水混凝土通常作为路面基层会和面层一起受到车辆荷载和温度的反复作用,由于其结构内部孔隙多连通,界面复杂且强度较低,在反复荷载的作用下,极易产生应力集中现象,一旦内部出现裂纹,该损伤就会迅速扩展直到结构破坏。因此,在结构设计中必须考虑透水混凝土的抗疲劳性能。
 
长安大学郑木莲[20] 的研究发现,透水混凝土的疲劳寿命和等效疲劳寿命都服从双参数威布尔分布,并建立了不同应力水平和等效应力水平下的疲劳方程。针对加载频率和加载强度等因素会影响疲劳寿命变异性的问题,还提出减小变异性的具体措施。L.T.Mo等人[21] 采用有限元模型,以应力强度比和疲劳寿命为指标对透水沥青混凝土抗疲劳性能进行数值分析,指出透水混凝土特定区域的应力集中现象是导致其早期脱落的重要原因。解放军理工大学的卓义金等人[22]在室内小梁疲劳试验的基础上,分析疲劳寿命试验数据的概率分布,证实了掺加改性剂后的透水混凝土疲劳寿命服从双参数威布尔分布。通过对比疲劳方程,发现掺加改性剂的多孔混凝土疲劳性能优于其他稳定材料的疲劳性能,也明显优于未掺加改性剂的多孔混凝土的疲劳性能。这是因为改性剂与水泥混合而成的胶凝材料明显改善了胶结料—骨料间的界面状态,从而具有较好的疲劳韧性,加强界面延性,提高材料在荷载作用下界面产生裂隙的初始荷载水平。改性剂自身凝聚后可以形成强度较高的密实性粘结层,改性剂为聚合物,聚合物链柔性大于水泥石,弹性模量比水泥石低,因此脆性系数减小,压折比减小。改性剂在浆体内形成聚合物网络结构,可以起到增加强度和改善抗变形性能的效果。
 
 
 
 关键问题和解决思路
与普通混凝土不同,透水混凝土是一种骨架—空隙结构,当以单粒级粗集料作为骨架时,透水混凝土内部孔隙较大,骨料之间依靠胶结料以点对点的方式进行连接,界面区薄弱,由此导致透水混凝土出现强度低、易堵塞、抗冻性和抗疲劳性差的问题。许多研究者通过减小骨料粒径,掺入适量的硅粉和高效减水剂,或者加入有机增强剂等方法提高透水混凝土的强度,但并不能综合解决透水混凝土面临的问题。为此,本文就如何提高透水混凝土各项性能提出几点建议:(1)保证目标孔隙率不变,用部分细骨料等质量替代粗骨料,调整骨料级配以填充透水混凝土内部较大空隙,同时也增加了混凝土整体骨料的比表面积。(2)尽量选择细度较大,水化热较低的胶凝材料,以P·I52.5 水泥为基础,可大量掺入粉煤灰和矿渣粉等矿物掺合料。(3)掺入超细粉增强剂,武汉武新新型建材股份有限企业生产的超细矿粉的比表面积达 1000m2/kg,早期强度高、后期发展好、体积稳定性佳,既可以改善硅灰对后期强度贡献小的问题,又能降低成本。通过现场试验观察调节加水量,控制透水混凝土拌合物性态。结果发现,以此配制的透水混凝土外观结构致密,抗压强度能达到30MPa以上,虽然肉眼可见孔隙很小,但是整体孔隙率下降不多,仍然保持在 15% 左右,透水率可达 15mm/s。此种方法有效解决了透水混凝土抗压强度与透水性相互矛盾的问题,致密的外观结构使透水混凝土不易堵塞。同时,骨料比表面积增大也使它与胶结料的界面面积增大,在荷载的作用下,大大降低了应力集中现象,可以显著提高混凝土的耐久性。    

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