多孔滲水混凝土材料的制備及性能研究

黃阿崗

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多孔滲水混凝土材料的制備及性能研究

黃阿崗

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 渭南 714000）

針對(duì)傳統(tǒng)路面鋪裝材料在路面滲透性差，導(dǎo)致城市路面經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)澇的問(wèn)題，提出和制備一種多孔滲水的混凝土路面鋪裝材料。對(duì)此，文章以5~10 mm的單粒徑級(jí)配粗集料、水泥、粉煤灰、硅灰、聚丙烯纖維等作為原材料，結(jié)合一定的配合比，利用一次攪拌法對(duì)材料進(jìn)行攪拌，從而得到不同配合比和不同摻入方法下的混凝土試件。最后，以抗折強(qiáng)度、滲透系數(shù)等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)上述制備混凝土試件進(jìn)行評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了多孔滲水混凝土材料的性能。

多孔滲水；混凝土；滲透性；聚丙烯纖維；滲透系數(shù)

隨著城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，城市道路網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越密集。然而，在密集道路建設(shè)的同時(shí)，堅(jiān)硬、致密的道路鋪裝也給城市的帶來(lái)嚴(yán)重的困擾。其中，在夏天的時(shí)候，城市瀝青路面反光率低，從而吸收了大量的熱量，使得整個(gè)城市溫度升高。另外，傳統(tǒng)的城市路面講求的是堅(jiān)固、耐用，但是長(zhǎng)期的不透水性，導(dǎo)致降水很難滲透到低下，而只能通過(guò)排水系統(tǒng)排出城市區(qū)域。而長(zhǎng)距離的排水，也給雨水帶來(lái)污染。由此，通過(guò)上述的問(wèn)題看出，傳統(tǒng)的路面鋪裝的弊端已經(jīng)暴露出來(lái)。而亟需更加環(huán)保的路面鋪裝材料，這樣才能更好的加強(qiáng)對(duì)城市路面雨水的滲透，并利于散發(fā)熱量。對(duì)此，針對(duì)上述的問(wèn)題，人們提出了采用多孔混凝土路面材料。而對(duì)于多孔混凝土路面材料，其最大的優(yōu)勢(shì)還是在于可以快速的補(bǔ)充和保護(hù)低下水位；同時(shí)還就有環(huán)節(jié)熱島效應(yīng)的作用。而對(duì)于多孔混凝土的應(yīng)用中，歐美國(guó)家比我國(guó)要早，并被廣泛的應(yīng)用在城市的體育操場(chǎng)、人行道、公園路面等地方。但是，在實(shí)際應(yīng)用的情況下，多孔混凝土的透水性能、抗壓強(qiáng)度等成為研究的重點(diǎn)。如王秉綱（1992）提出采用正交試驗(yàn)法制備多孔混凝土，并提出相應(yīng)的配合比[1]；陳敏茹（2016）則借助砂粒和水泥等，制備一種用于滲灌的多孔混凝土[2]。上述的方法都為多孔混凝土的制備提供了有力的參考。本文則結(jié)合上述的研究基礎(chǔ)，提出一種多孔混凝土材料制備方法，并對(duì)制備的混凝土材料進(jìn)行了性能測(cè)試。

1 原材料選取與制備方法

1.1 原材料

根據(jù)試驗(yàn)制備的目的，本試驗(yàn)主要選擇以下幾種原材料。

1.1.1 水泥

水泥選取四川高縣P.O42.5硅酸鹽水泥，具體成分見(jiàn)表1所示。

表1 P.O42.5水泥成分

1.1.2 粗料集

作為制備水泥混凝土的一個(gè)重要材料，粗骨料的選擇與多孔混凝土的性能具有很大的關(guān)系。對(duì)此，本文主要選擇5~10 mm的單粒徑石灰石，其具體的指標(biāo)見(jiàn)表2所示。

表2 粗骨料技術(shù)指標(biāo)

1.1.3 粉煤灰和硅灰

粉煤灰和硅灰通常作為混凝土制備的一個(gè)重要原材料。本試驗(yàn)則選用西安霖源生產(chǎn)的低鈣I級(jí)粉煤灰和硅灰。具體化學(xué)組成如表3所示。

表3 粉煤灰和硅灰化學(xué)組成

1.1.4 聚丙烯纖維

本材料的選取選擇西安融森生產(chǎn)的網(wǎng)狀聚丙烯纖維，具體技術(shù)指標(biāo)間表4。

表4 網(wǎng)狀聚丙烯纖維技術(shù)指標(biāo)

1.1.5 高效減水劑

外加劑采用黃河化工生產(chǎn)的GJ-1高效減水劑，具有高效減水、增強(qiáng)的功效。

1.2 制備方法

結(jié)合目前的混凝土制備方法，本文選取一次加料法對(duì)混凝土進(jìn)行制備[3]。其具體的制備流程則是：首先將膠結(jié)材與集料進(jìn)行攪拌，時(shí)間大概為60s，待其攪拌均勻后，加入高效減水劑和水，然后再進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間大概為2 min。最后，將上述攪拌后的混合料澆注到準(zhǔn)備的模具當(dāng)中。

1.3 性能評(píng)價(jià)方法

1.3.1 抗壓強(qiáng)度

對(duì)抗壓強(qiáng)度的評(píng)價(jià)中，參照GB T0553-05中的關(guān)于混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法進(jìn)行[4]。制備長(zhǎng)寬高分別為的水泥試件。同時(shí)分別取3、7、14、28 d的水泥試件，而考慮到多孔混凝土的抗壓強(qiáng)度不高的問(wèn)題，壓力機(jī)的加荷速度的取值設(shè)定為0.5 MPa/s。具體的抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式為：

其中:——極限荷載；

——受壓面積。

1.3.2 有效空隙率

有效空隙率通?？闯墒窃u(píng)價(jià)多孔混凝土的一個(gè)重要指標(biāo)[5]。因此，對(duì)該有效空隙率的計(jì)算則按照以下的公式：

1.3.3 滲透系數(shù)

滲透系數(shù)是評(píng)價(jià)多孔混凝土滲透性能的一個(gè)重要指標(biāo)[6]?？紤]到大孔徑中的水流存在明顯的橫流的情況，采用傳統(tǒng)的路用透水儀測(cè)出的滲透系數(shù)通常不怎么準(zhǔn)確。因此，引入滲透系數(shù)來(lái)對(duì)其滲透性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，并通過(guò)TST進(jìn)行測(cè)試（圖1）。

圖1 TST-70滲水儀

2 試驗(yàn)配合比確定方法

在對(duì)試驗(yàn)材料用量進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，本研究則采用體積法來(lái)進(jìn)行計(jì)算。而對(duì)于體積法，其主要是多孔混凝土中各個(gè)材料的用量比。其中，各個(gè)用量的多少，與粗料集的堆積密度、空隙率體積、目標(biāo)空隙率體積有很大的關(guān)系。而漿體的體積計(jì)算為：

3 多孔混凝土力學(xué)性能分析

3.1 水灰比對(duì)多孔混凝土的抗壓強(qiáng)度影響

水灰比作為影響混凝土性能的一個(gè)重要參數(shù)，其直接影響混凝土的強(qiáng)度和孔隙結(jié)構(gòu)。而目標(biāo)空隙率則決定了膠結(jié)體的整體用量。對(duì)此，本文設(shè)計(jì)25%、20%和15%三個(gè)目標(biāo)空隙率，水灰比介于0.2~0.45之間。由此可以得到如表5所示的抗壓強(qiáng)度大小比較。

通過(guò)上述的關(guān)系看出，當(dāng)水灰比在0.26的時(shí)候，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。

圖2 配合實(shí)驗(yàn)具體流程

表5 水灰比與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖3 有效孔隙率與抗壓變化關(guān)系

3.2 孔隙率對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

對(duì)多孔混凝土來(lái)講，其孔隙率和抗壓強(qiáng)度是一對(duì)矛盾的指標(biāo)。對(duì)此，本文主要選擇5個(gè)不同的目標(biāo)孔隙率指標(biāo)：12%、15%、18%、20%、25%。在該基礎(chǔ)上，對(duì)28 d的試件抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，從而可以得到如圖3所示的結(jié)果。

圖4 不同聚丙烯纖維摻量下的抗壓強(qiáng)度

3.3 聚丙烯纖維對(duì)多孔混凝土強(qiáng)度的影響

為研究聚丙烯纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，設(shè)定水灰比為0.26，目標(biāo)孔隙率為20%，纖漿比設(shè)定為0.1%、0.2%、0.3%三個(gè)數(shù)值。由此通過(guò)上述的分析，可以得到如圖4所示的結(jié)果。

通過(guò)上述的分析可以看出，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，其抗壓強(qiáng)度也在逐步的增加，并在纖漿比為0.2%的時(shí)候，達(dá)到最大。此后，隨著其摻量的增加，其抗壓強(qiáng)度降低。導(dǎo)致上述的原因，是因?yàn)榫郾├w維量過(guò)大，導(dǎo)致部分聚丙烯纖維出現(xiàn)抱團(tuán)，從而降低了整體的抗壓強(qiáng)度。

3.4 不同礦質(zhì)超細(xì)粉對(duì)多孔混凝土強(qiáng)度的影響

針對(duì)上述的粉煤灰和硅灰，以水灰比0.26，有效空隙率為20%作為基本實(shí)驗(yàn)參數(shù)，同時(shí)設(shè)計(jì)不同的粉煤灰-硅灰用量，并采用養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)至一定齡期，從而可以得到如下的強(qiáng)度變化結(jié)果(表6)。

表6 粉煤灰-硅灰產(chǎn)量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響

圖5 有效孔隙率與滲透系數(shù)關(guān)系

通過(guò)上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)看出，隨著粉煤灰-硅灰整體摻量的增加，其抗壓強(qiáng)度也逐步增加，而比在單摻條件下的抗壓強(qiáng)度要高，并在粉煤灰摻量為6%，硅灰摻量為10%的情況下，其抗壓強(qiáng)度最高。

4 有效孔隙率與滲透系數(shù)之間的關(guān)系

為研究不同有效孔隙率與滲透系數(shù)的關(guān)系，設(shè)定12%、15%、18%、20%、25%等不同的目標(biāo)有效孔率。結(jié)合TST-70透水儀，得到如圖5所示的結(jié)果。

通過(guò)上述的分析看出，隨著有效孔隙率的增加，其滲透系數(shù)也逐步增加。但是，在實(shí)際的應(yīng)用中，其滲透系數(shù)并不是越大越好，如在常用的城市道路中，還需要考慮車輛的重量，防止因不夠抗壓強(qiáng)度，導(dǎo)致混凝土損壞。

5 結(jié)論

通過(guò)上述的分析可以看出，在水灰比0.26、有效孔隙率20%、粉煤灰-硅灰（6%、10%）的產(chǎn)量下，實(shí)驗(yàn)制備的多孔混凝土試件在抗壓強(qiáng)度等方面都比較高。同時(shí)得出有效孔隙率和滲透系數(shù)的關(guān)系呈現(xiàn)為正比關(guān)系，但在實(shí)際的應(yīng)用中，不是有效孔隙率越大越大，而需要根據(jù)道路的使用情況來(lái)確定其滲透系數(shù)。

［1］ 李碩,王秉綱. 公路水泥混凝土路面可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)分析[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào),1992,01:3-7+20.

［2］ 吳立人. 外摻材料對(duì)隧道路面用多孔水泥混凝土改性效果的研究[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,03:328-332.

［3］ 梁東,唐明,趙偉. 鋁酸鹽水泥-粉煤灰系水泥基多孔防火隔熱材料研究[J]. 建筑節(jié)能,2008,04:44-48.

［4］ 田耀剛,朱琳,王帥飛,楊婷婷,賈侃,李煒光. 減振集料對(duì)高強(qiáng)混凝土的收縮性能影響[J]. 功能材料,2016,11:11013-11017.

［5］ 李方賢,賀大東. 陶瓷廢料對(duì)輕質(zhì)多孔混凝土性能與孔結(jié)構(gòu)影響研究[J]. 南方建筑,2014,05:117-119.

［6］ 牛曉偉,王永維,李強(qiáng),安豐韋,王文峰,韓超. 多壁碳納米管/水性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合改性多孔水泥混凝土性能研究[J]. 公路,2017,01:174-179.

Study on Preparation and Properties of Porous Concrete

（Shaanxi Railway Institute, Shaanxi Weinan 714000, China）

In order to solve the problem that the traditional pavement material has poor permeability on the road surface, which results in the waterlogging of the urban road surface, a kind of porous pavement material was prepared. Taking 5~10 mm single particle size gradation of coarse aggregate, cement, fly ash, silica fume, polypropylene fiber as raw materials, with a certain proportion, these raw materials were mixed to prepare concrete specimens with different proportion by different mixing methods. Finally, the flexural strength and permeability coefficient were used as the evaluation indexes to evaluate the performance of porous concrete.

Porous seepage;Concrete; Permeability; Polypropylene fiber; Permeability coefficient

TQ 178

A

1671-0460（2017）08-1564-04

2017-05-08

黃阿崗（1978-），男，陜西咸陽(yáng)人，講師，碩士研究生，2009畢業(yè)于武漢理工大學(xué)橋梁與隧道工程專業(yè)，研究方向：從事橋梁與隧道技術(shù)教育工作。E-mail：huangagang456@126.com。