高性能聚合物改性多孔混凝土滲透性與強度研究

馮　春

(新疆交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 新疆 烏魯木齊　830000)

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高性能聚合物改性多孔混凝土滲透性與強度研究

馮春

(新疆交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 新疆 烏魯木齊830000)

[摘要]多孔混凝土是一種具有顯著生態(tài)及環(huán)境效益的綠色環(huán)?；炷痢Ｊ褂?種單一粒徑的石灰?guī)r集料(13.5，9.5，4.75 mm)和一種聚合物(SBR乳膠)來制備多孔混凝土。通過孔隙率試驗，滲透系數(shù)試驗，抗壓強度試驗和劈裂抗拉強度試驗來評估制得的高性能多孔混凝土。研究結(jié)果表明，使用乳膠，天然砂和纖維能夠生產(chǎn)出具有足夠排水性能和強度的高性能多孔混凝土，乳膠和砂均會降低多孔混凝土的孔隙率和滲透性，且增加多孔混凝土的強度，僅添加乳膠能夠提高多孔混凝土的劈裂強度，纖維對多孔混凝土的強度特性并沒有顯著的影響。

[關(guān)鍵詞]聚合物； 混凝土； 生態(tài)路面； 公路工程

1概述

多孔混凝土(PC)是硅酸鹽水泥、單一粒徑的粗集料、少量或不含細(xì)集料和水的混合物。使用適量的水和膠凝材料來形成一個漿體薄層裹覆集料顆粒表面，使他們之間有自由空間。從而在多孔材料中形成孔[1，2]。多孔混凝土在多個國家已經(jīng)使用超過30 a，特別是在美國和日本。在美國使用越來越多是因為其各種環(huán)境效益，如控制雨水徑流，恢復(fù)地下水供應(yīng)，且減少水和土壤的污染[3-5]。與此同時，它可能減少城市的熱島效應(yīng)且可用于降低道路的噪音[5，6]。

多孔混凝土不含有或含有少量的細(xì)集料，使用適量的水泥漿體來裹覆和黏結(jié)集料顆粒來形成一個高孔隙率和連通的孔隙，從而能夠迅速排出雨水。一般來說，PC的孔隙率在15%～25%之間，滲透系數(shù)一般為2～6 mm/s[5，7]。然而在常規(guī)PC中高孔隙率往往導(dǎo)致強度降低。常規(guī)多孔混凝土的低強度不僅限制了其在重載交通公路的應(yīng)用，也影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性，如易于受到霜凍損害和抗化學(xué)腐蝕能力較差。因此，低強度的PC只能在一些場合使用，如人行道，停車場，休閑廣場和常規(guī)路面的底基層[8-10]。先前的研究表明，級配、集料的粒徑和集料與水泥的質(zhì)量比是影響PC孔隙率、滲透性和抗壓強度的主要因素。水灰比對PC的性質(zhì)有較小的影響[12]。使用較小粒徑的集料能夠增加混凝土單位體積內(nèi)集料顆粒的數(shù)量，集料的比表面積，黏結(jié)面積，這最終導(dǎo)致多孔混凝土強度的提高。盡管國內(nèi)外對多孔混凝土做了大量研究，但其強度和滲透性仍不能滿足現(xiàn)實應(yīng)用的要求，這大大限制了這種環(huán)境友好型路面材料的推廣和應(yīng)用。本文旨在通過使用合適選擇的集料，細(xì)集料混凝土和有機(jī)增強劑，且通過調(diào)整混凝土的拌合比例，制備出具有一定強度和滲透性的高性能多孔混凝土。

2實驗室試驗

2.1材料

在該試驗中選擇普通I型硅酸鹽水泥。粗集料考慮單一粒徑3種級配的石灰?guī)r：13.2 mm，9.5 mm和4.75 mm。根據(jù)表1列出的ASTM規(guī)范測量粗集料的特性。該研究中使用的河砂粒徑分布見圖1。

表1 粗集料的特性Table1 Propertiesofcoarseaggregate集料粒徑/mm密度/(kg·m-3)毛體積密度/(g·cm-3)表觀密度/(g·cm-3)吸水率/%孔隙率/%13.214242.7602.7970.47419.513922.7572.8000.55424.7513722.7612.8120.6740

圖1　河砂的粒徑分布Figure 1　Grain-size distribution of river sand

為提高多孔混凝土的強度，在混凝土中添加乳膠聚合物，丁苯橡膠(SBR)。除了乳膠，聚丙烯纖維也添加到混凝土中以進(jìn)一步提高多孔混凝土的力學(xué)特性。聚丙烯纖維具有如下的特性和有點：抑制和控制混凝土中內(nèi)部裂縫的形成；增強抗沖擊力，增強抗粉碎力，并提高耐久性。聚丙烯纖維不含重新加工的烯烴材料，平均長度為20 mm。

2.2混凝土配比

控制組多孔混凝土由硅酸鹽水泥，水和3種級配的粗集料組成。為提高PMPC的整體行為，乳膠，纖維和細(xì)集料(天然砂)添加到混凝土中。配比如表2所示。對照組基本配比為水泥∶粗集料∶水=1∶4.5∶0.35(重量比)。當(dāng)在混凝土中添加乳膠和/或細(xì)集料，乳膠的固體部分用來取代10%的水泥，且用天然砂取代7%的粗集料(按重量比)。PMPC的性能和特性與常規(guī)的多孔混凝土進(jìn)行了比較。

表2 聚合物改性多孔混凝土的配比Table2 MixproportionsforPMPCkg/m3集料混凝土類別水泥乳膠粗集料河砂水纖維無砂13.2mmA320.11440.8112.1B314.731.51416.693.6C320.11440.8112.10.9D314.731.51416.693.60.99.5mmA330.31486.9115.6B324.832.51461.996.6C330.31486.9115.60.9D324.932.51461.996.60.94.75mmA352.61586.9123.4B346.734.71560.3103.1C352.61586.9123.40.9D346.734.71560.3103.10.9有砂13.2mmA300.61352.694.7105.2B295.829.61331.093.287.9C300.61352.694.7105.20.9D295.829.61331.093.287.90.99.5mmA311.91403.698.3109.2B306.930.71381.296.791.3C311.91403.698.3109.20.9D306.930.71381.296.791.30.94.75mmA329.81483.9103.9115.4B324.532.51460.3102.296.5C329.81483.9103.9115.40.9D324.532.51460.3102.296.50.9 注:A為控制組;B為乳膠改性;C為添加纖維;D為添加乳膠和纖維。

2.3試樣制備

使用機(jī)械拌合機(jī)拌合多孔混凝土，通過采用標(biāo)準(zhǔn)的滾筒壓實成直徑為152 mm，高度為305 mm的圓柱體試樣。在標(biāo)準(zhǔn)的水分養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，直到測試所需的齡期。除了抗壓試驗，在試驗前將試樣切割成大約76 mm厚的小試樣進(jìn)行其他的試驗。

2.4測試方法

2.4.1孔隙率試驗

為了獲得孔隙率，有必要知道壓實混凝土的毛體積。因為多孔混凝土具有大量連通的孔隙，并不適合使用水中重法來獲得毛體積。CoreLok真空包裝密封設(shè)備常用來測量瀝青混合料的比重，在該研究中用來獲得多孔混凝土試樣的有效孔隙率。根據(jù)ASTM D7063方法進(jìn)行試驗。

2.4.2滲透性試驗

本研究中使用Huang等人開發(fā)了排水瀝青混合料(與多孔混凝土在功能上相似)滲透性測量設(shè)備和方法[14]。該試驗中，使用變水頭法。從Huang等人的論文[14]從兩個壓力傳感器獲得水頭差與時間的曲線。根據(jù)圖2和圖3，可以獲得偽滲透系數(shù)K’和形狀系數(shù)m?；谶@個結(jié)果，水力梯度和排出速度之間的關(guān)系為v=7.620 8i0.353 8，因此K’為7.621 mm/s。

圖2　水頭與時間的關(guān)系Figure 2　Hydraulic head vs. time

圖3　水力梯度與排水速度的關(guān)系Figure 3　Hydraulic gradients vs. discharge velocity

2.4.3抗壓強度

根據(jù)ASTM C39試驗方法測試7 d齡期的抗壓強度。在INSTRON加載結(jié)構(gòu)上對3個平行直徑為152 mm高度305 mm圓柱體試樣進(jìn)行抗壓強度試驗。

2.4.4劈裂抗拉強度

對直徑為152 mm厚度為76 mm的3個平行的圓柱體試樣進(jìn)行劈裂抗拉試驗。根據(jù)ASTM C496/C496M試驗方法采用MTS加載進(jìn)行該試驗。連續(xù)記錄垂直荷載且通過該試驗獲得劈裂抗拉強度。

3結(jié)果和討論

3.1孔隙率

圖4給出了所有多孔混凝土孔隙率試驗結(jié)果，及乳膠對孔隙率的影響。可以看出：大多數(shù)混凝土孔隙率的范圍在20%到30%之間，這是可接受的范圍。3個不同粒徑的粗集料表現(xiàn)出相似的孔隙率，表明集料級配對孔隙率結(jié)果并沒有顯著的影響。

圖4　乳膠對孔隙率的影響Figure 4　Effect of latex on porosity

3.2滲透性

滲透性結(jié)果和添加乳膠對多孔混凝土滲透性影響的結(jié)果如圖5所示。從圖5可以明顯看出：所有多孔混凝土的滲透系數(shù)值在10，20 mm/s之間，足以用于路面結(jié)構(gòu)的排水層。集料的級配對滲透性并沒有顯示出一致的影響。采用3個不同粒徑集料制備的混凝土表現(xiàn)出相似的滲透性值。根據(jù)圖5，乳膠，天然砂和纖維對滲透性的影響與對孔隙率的影響相似。盡管添加砂和乳膠會導(dǎo)致滲透性的降低，然而該滲透系數(shù)值對一般的排水需求是可接受的。

圖5　乳膠對滲透系數(shù)的影響Figure 5　Effect of latex on permeability

3.3抗壓強度

乳膠，砂和纖維對抗壓強度的影響如圖6所示。如預(yù)期的一樣，粗集料粒徑越小，抗壓強度越高。很明顯，添加砂或乳膠均能提高多孔混凝土的抗壓強度。添加天然砂增加了水泥砂漿的量，從而增加了鄰近集料顆粒之間的接觸面積。之后接觸面積的增加將導(dǎo)致強度的提高。添加乳膠也增加了鄰近集料顆粒之間的接觸面積。更重要的是，乳膠與水泥水化產(chǎn)物的混合形成2個相互滲透的基體，一起作用，從而導(dǎo)致強度提高[15]。從圖6(a)可以看出：乳膠和砂的結(jié)合效應(yīng)導(dǎo)致抗壓強度的進(jìn)一步增加。

圖6(b)可以看出：纖維對抗壓強度似乎僅有微弱的影響。當(dāng)在控制組混凝土中添加纖維(不添加乳膠或砂)，纖維顯著提高了抗壓強度。然而，當(dāng)砂和/或乳膠也添加到混凝土中，添加纖維并沒有進(jìn)一步提高強度(見圖6)。降低有效性的原因之一是該研究中使用的纖維在混凝土中不能完全地分散和均勻地分布。

圖6　抗壓強度結(jié)果的比較Figure 6　Comparisons of compressive strength results

3.4劈裂抗拉強度

圖7比較了乳膠，砂和纖維對劈裂抗拉強度的影響。與抗壓強度類似，含有較小粒徑集料的混凝土具有較高的劈裂抗拉強度。從圖7可以看出：砂對劈裂強度的影響并沒有對抗壓強度的影響大。添加砂的混凝土有時甚至與未添加砂的混凝土相比具有較低的劈裂抗拉強度。然而，乳膠仍能顯著提高多孔混凝土的劈裂抗拉強度。這是由于在乳膠和水泥硬化產(chǎn)物混合及相互滲透過程中乳膠網(wǎng)絡(luò)的形成[15]。與脆性水泥漿體不同，乳膠網(wǎng)絡(luò)抗拉能力相對較強，這有助于顯著提高多孔混凝土的劈裂抗拉強度。

圖7　抗拉強度結(jié)果的比較Figure 7　Comparison of tensile strength result

從圖7(b)中可以看出：纖維對劈裂抗拉強度的影響類似與對抗壓強度的影響。添加纖維導(dǎo)致控制組混凝土的劈裂抗拉強度顯著提高。然而，添加砂和/或乳膠抑制了纖維的有效性。在含有砂和/或乳膠的多孔混凝土中使用纖維并沒有使劈裂強度得到提高。

4結(jié)論

① 使用乳膠，天然砂和纖維能夠生產(chǎn)出具有足夠排水性能和強度的高性能多孔混凝土。乳膠和砂均會降低多孔混凝土的孔隙率和滲透性，且增加多孔混凝土的強度。然而，僅添加乳膠能夠提高多孔混凝土的劈裂強度。

② 在該研究中，纖維對多孔混凝土的強度特性并沒有顯著的影響。這是因為纖維在多孔混凝土中并沒有得到完全和均勻地分散。為使纖維能夠在混凝土中得到良好的分散建議使用專門方法。例如，使用短纖維也許更易于使纖維在混凝土中得到均勻地分布。

③ 這是對聚合物改性對多孔混凝土性能影響(著重強調(diào)了滲透性和強度)的初步研究。未來將進(jìn)一步研究聚合物改性多孔混凝土的耐久性，以評估PMPC的耐磨性。改性多孔混泥能否適應(yīng)于重載交通公路仍值得進(jìn)一步研究。

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High Performance Polymer Modified Porous Concrete Permeability and Strength

FENG Chun

(Transportation Vocational Technical College in Xinjiang Urumqi City， 830000， China)

[Abstract]Porous concrete is a kind of significant ecological and environmental benefits of green concrete.This article USES three kinds of single particle size of limestone aggregate(13.5 mm，13.5 mm and 4.75 mm)and a polymer(SBR latex)to the preparation of porous concrete.By porosity test，permeability test，compressive strength and splitting tensile strength test to evaluate the high performance of porous concrete system.Research results show that the use of latex，natural sand and fiber can be produced with sufficient drainage properties and strength of porous concrete and high performance emulsion and sand can reduce the porosity and permeability of porous concrete，and increase the strength of the porous concrete，only add latex can improve the cleavage strength of porous concrete，fiber strength characteristics of porous concrete and no significant effect.

[Key words]polymer； concrete； ecological road； highway engineering

[中圖分類號]U 414.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)01-0085-04

[作者簡介]馮春(1972-)，女，重慶人，碩士，副教授，研究方向：路面結(jié)構(gòu)及材料。

[基金項目]新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃資助(NCET-13-0276)；重慶市自然科學(xué)基金項目(CQ2014EEM011)

[收稿日期]2014-11-26