大粒徑骨料與成型工藝對透水混凝土性能影響試驗(yàn)

胡 陽, 盧藝靜, 黃冬輝, 袁佳樂, 周德良, 高 峰, 田 羽

(金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)院， 江蘇南京 211169)

大粒徑骨料與成型工藝對透水混凝土性能影響試驗(yàn)

胡 陽, 盧藝靜, 黃冬輝, 袁佳樂, 周德良, 高 峰, 田 羽

(金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)院， 江蘇南京 211169)

為了獲得混凝土目標(biāo)強(qiáng)度下較高透水性能，通過在骨料粒徑為5～15 mm的透水混凝土基礎(chǔ)上，采用10～20 mm骨料進(jìn)行配合比試驗(yàn)，觀察其抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的變化。結(jié)果表明，大粒徑骨料混凝土可以在達(dá)到目標(biāo)強(qiáng)度的條件下提高透水性能。采用錘擊與插搗兩種入模成型工藝，錘擊條件下，試件強(qiáng)度較低但是透水性能較好，插搗入模試件的強(qiáng)度較高但透水系數(shù)較小。

道路工程； 透水混凝土； 大粒徑骨料； 成型工藝； 抗壓強(qiáng)度； 透水系數(shù)

目前，我國部分城市道路已經(jīng)開始采用透水混凝土路面。透水混凝土路面不僅能加速城市道路積水的排出，也使得路面以下土層可以接觸空氣與水，減少了土質(zhì)惡化等環(huán)境問題，對于保護(hù)生態(tài)，調(diào)節(jié)城市微環(huán)境起到了很好的作用[1-3]。透水混凝土的強(qiáng)度和透水率之間如何達(dá)到一個(gè)平衡、提高透水混凝土的應(yīng)用范圍是一個(gè)研究的重點(diǎn)。張巨松、張?zhí)砣A等通過實(shí)驗(yàn)的方法來研究影響透水混凝土強(qiáng)度的各項(xiàng)因素，分別用粗細(xì)骨料進(jìn)行1∶1混合配比，測定透水混凝土的強(qiáng)度與透水率[4]。金瑞靈等針對輕骨料透水混凝土強(qiáng)度與透水性進(jìn)行了研究[5]，研究加入細(xì)輕骨料來改善透水混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對透水混凝土的強(qiáng)度和透水率的影響。程娟、郭向陽等研究了攪拌方式及成型工藝對透水混凝土性能的影響，通過設(shè)計(jì)配合比計(jì)算后，在不同的攪拌方式和成型養(yǎng)護(hù)條件下，透水混凝土的強(qiáng)度和透水率的關(guān)系[6]。目前，國內(nèi)常用路面透水混凝土粗骨料粒徑為5～15 mm，該粒徑粗骨料可以形成15 %～25 %的空隙率。由于骨料粒徑較小，形成的部分空隙易被膠凝材料堵塞，尤其是底部多被漿體覆蓋，導(dǎo)致很多情況下透水效果不佳。本試驗(yàn)針對以上不足之處，以10～20 mm較大粒徑粗骨料作為實(shí)驗(yàn)原材料，在保證28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到目標(biāo)強(qiáng)度30 MPa的情況下，提高試件孔隙率，并有效地解決了試件底部泌漿堵孔的問題。

1 試件制作

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

水泥：江南-小野田水泥有限公司P.Ⅱ52.5水泥；混凝土增強(qiáng)劑：南京久禾潤工程技術(shù)有限公司生產(chǎn)的生態(tài)透水混凝土增強(qiáng)劑；減水劑：北京德昌偉業(yè)建筑工程技術(shù)公司生產(chǎn)的聚羧酸系高性能粉狀減水劑；細(xì)骨料：砂子為中砂；粗骨料：碎石性能指標(biāo)如表1所示。

表1 粗骨料的性能指標(biāo)

1.2 透水混凝土配合比

試驗(yàn)前經(jīng)過對比分析最終確定使用體積法進(jìn)行配合比的設(shè)計(jì)。體積法的基本思路類似碾壓混凝土的充填包裹理論[7]。骨料在緊密堆積的條件下，被水泥等膠凝材料均勻包裹粘接在一起，凝固后形成了多孔堆聚結(jié)構(gòu)，內(nèi)部剩余的空隙成為混凝土內(nèi)部相互連通的孔隙。確定設(shè)計(jì)配合比見表2所示。

表2 透水混凝土設(shè)計(jì)配合比

試塊數(shù)量：配合比(小)：錘擊(A1、A2、A3)，3塊；插搗(B1、B2、B3)，3塊。

配合比(大)：錘擊(A4、A5、A6)，3塊；插搗(B4、B5、B6)，3塊。

1.3 試驗(yàn)機(jī)械及試件制作養(yǎng)護(hù)

1.3.1 混凝土拌合

混凝土采用強(qiáng)制式自動(dòng)攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，保證物料在攪拌機(jī)內(nèi)充分混合。首先將粗細(xì)骨料投放在攪拌機(jī)中攪拌30 s，使得骨料混合均勻；再將水泥、減水劑和混凝土增強(qiáng)劑依次投入攪拌機(jī)中攪拌30 s，倒入設(shè)計(jì)用水量的一半，繼續(xù)攪拌60 s，將剩余水倒入攪拌機(jī)中繼續(xù)攪拌2 min。整個(gè)攪拌過程中不斷用抹刀將粘附在攪拌機(jī)壁的水泥灰刮下，使得物料充分利用，減小試驗(yàn)誤差。

1.3.2 試件成型與養(yǎng)護(hù)

試驗(yàn)所使用的模具是100 mm×100 mm×100 mm立方體試模。采用表2中兩組配合比，每組配合比制作2組(分別采用插搗與錘擊兩種成型方法，每種方法制作3個(gè)試塊)共計(jì)4組12塊。錘擊方式為混凝土分兩層厚度均等入試模，每層錘擊數(shù)次(不低于30下)，試塊表面用水泥抹刀用力抹面壓實(shí)。插搗方式也是將混凝土分兩層厚度均等入試模，每層由外向內(nèi)環(huán)形插搗(12～15次)，敲擊試模四面每面12下，表面用水泥抹刀用力壓實(shí)。試驗(yàn)采用統(tǒng)一的原材料、配合比、養(yǎng)護(hù)條件，以盡量減少對試驗(yàn)結(jié)果的影響。試塊成型24 h后開始拆模，放入養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)箱溫度控制在(20±2)℃，相對濕度為95 %，養(yǎng)護(hù)28 d[10]。

2 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

試件的力學(xué)性能采用三斯CHT4000系列4106型萬能試驗(yàn)機(jī)，通過靜壓測得混凝土28 d抗壓強(qiáng)度。透水性能則通過如圖1所示自制簡易透水儀對試件進(jìn)行測試。簡易透水儀高400 mm，底面內(nèi)邊為邊長100 mm的正方形。高度方向一面為有機(jī)玻璃便于觀察，另三面及底面為人造板，底面板上均布直徑為25 mm的圓孔共9個(gè)。實(shí)際測量透水率時(shí)，將試塊裝入透水儀中，試塊邊緣與透水儀間的縫隙用膠泥壓實(shí)密封，加水淹沒試塊，先透水，以保證混凝土吸水飽和并能排出內(nèi)部空氣，再記錄其后時(shí)長的透水量，計(jì)算試塊的15 s透水系數(shù)。

(a)

(b)

2.1 粗細(xì)骨料級配對于透水混凝土性能的影響。

兩種配合比的原材料來源與用量均一致，唯一區(qū)別是碎石骨料粒徑的差異。普通骨料粒徑級配為5～15 mm，而大骨料粒徑為10～20 mm。圖2、圖3為兩種粒徑骨料抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的影響。

圖2 不同粒徑骨料的試件抗壓強(qiáng)度

圖3 不同粒徑骨料的透水系數(shù)

首先觀察圖2，試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)強(qiáng)度為28 d達(dá)到30 MPa，粒徑為5～15 mm的6個(gè)試塊其抗壓強(qiáng)度均在30 MPa之下，而粒徑為10～20 mm的6個(gè)試塊中有5個(gè)強(qiáng)度達(dá)標(biāo)。由此可見，使用大粒徑骨料的透水混凝土，其抗壓強(qiáng)度可以很好的滿足要求且均勻性較好，同時(shí)其強(qiáng)度普遍高于5～15 mm粒徑骨料制成的透水混凝土。由圖3中數(shù)據(jù)可以清晰地看出，粒徑為10～20 mm的6個(gè)試塊其透水系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粒徑為5～15 mm的試塊。大粒徑骨料透水混凝土試塊的透水系數(shù)平均達(dá)到8.0 mm/s，相較于骨料粒徑為5～15 mm的混凝土，其透水性有顯著的提高。

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)粗骨料與水泥砂漿之間的截面粘結(jié)力是混凝土強(qiáng)度中最為薄弱的環(huán)節(jié)之一。骨料粒徑增大，透水混凝土的強(qiáng)度并沒有降低，反而較5～15 mm粒徑混凝土有了小部分提高。10～20 mm粒徑碎石其強(qiáng)度高于5～15 mm粒徑碎石，骨料之間的膠凝材料均勻包裹在骨料周圍，較小粒徑骨料四周的膠凝材料量少于大粒徑骨料，所以在受到正應(yīng)力時(shí)，骨料之間的截面粘結(jié)力無法較好的抵御壓力，致使結(jié)構(gòu)松散，骨料本身強(qiáng)度不能完全施展。

當(dāng)粗骨料粒徑較大時(shí)，單位體積混凝土的比表面積較小，內(nèi)部容易形成孔隙，所以透水系數(shù)較大。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明10～20 mm粒徑骨料彼此之間更容易形成相互連通的孔隙，使得混凝土具有更優(yōu)的透水性。而且配合比中添加的部分中砂，增大了水泥砂漿的粘性，使得粗骨料更為均勻的粘結(jié)在一起，留有較大孔隙改善混凝土的透水狀況。

2.2 成型工藝對于透水混凝土性能的影響

試驗(yàn)分為插搗和錘擊兩種入模成型方式[9]。圖4、圖5表明不同成型工藝對試塊力學(xué)性能和透水系數(shù)的影響。

圖4 不同成型工藝的試件抗壓強(qiáng)度

圖5 不同成型工藝的試件透水系數(shù)

由圖4可知，錘擊組的強(qiáng)度明顯低于插搗組，同時(shí)錘擊組的試塊中有5組無法達(dá)到目標(biāo)強(qiáng)度而插搗入模的6組試塊50 %可以達(dá)到要求。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)錘擊是將試塊表面的混凝土壓實(shí)，大部分膠凝材料無法均勻分布，以致內(nèi)部不夠密實(shí)，強(qiáng)度較低。插搗將搗棒貫穿混凝土試塊內(nèi)部，使得原本松散堆積的混凝土可以更為密實(shí)，同時(shí)外側(cè)的敲擊，使水泥砂漿均勻分布，增大骨料之間相互連接的基點(diǎn)，骨料本身由于包裹了膠凝材料而粗糙多棱，彼此之間交錯(cuò)，易形成“嵌鎖結(jié)構(gòu)”[8]，最終強(qiáng)度得以增大。其次觀察圖5，錘擊組試塊透水系數(shù)遠(yuǎn)大于插搗組，平均透水系數(shù)約為6.7 mm/s。這是由于包裹了膠凝材料的再生骨料其不規(guī)則的骨料外表，使得模具內(nèi)部的物料骨架呈多孔的狀態(tài)，錘擊方式對于多孔骨架破壞較小，所以內(nèi)部相互聯(lián)系的孔隙較多，透水系數(shù)也較大。而插搗方式幾乎貫穿物料內(nèi)部，多次插拔的形式在使得內(nèi)部物料更均勻的同時(shí)也使得膠凝材料堵塞骨料之間的孔隙，導(dǎo)致透水系數(shù)降低。由此可見密實(shí)的振搗可以使得強(qiáng)度提高約10 %，但是透水系數(shù)卻降低約14 %。

2.3 抗壓強(qiáng)度與透水性能之間的關(guān)系

觀察圖1與圖2、圖3與圖4可以發(fā)現(xiàn)，不管骨料的粒徑是5～15 mm還是10～20 mm，試件的強(qiáng)度與透水系數(shù)無法同時(shí)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。強(qiáng)度越高的試件其透水系數(shù)越低，強(qiáng)度越低的試件其透水性能越好，二者之間此消彼長。

強(qiáng)度越高的試塊，其破壞截面的骨料與膠凝材料的粘合越牢固(圖6a)，而強(qiáng)度低的試塊，其破壞截面上多出現(xiàn)孔洞(圖6b)。內(nèi)部孔洞使得試塊強(qiáng)度較低，但是透水系數(shù)卻提高很多。因此，不同的使用位置也需要考慮不同的透水混凝土配合比和成型工藝。對于耐磨要求較高的部位，透水混凝土的強(qiáng)度要求更高；而對于排水要求較高的地區(qū)，透水混凝土的透水性能應(yīng)當(dāng)更為重要。

4 結(jié) 論

(1)10～20 mm的大粒徑骨料透水混凝土可以在保證強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的條件下，大大提高透水系數(shù)，同時(shí)相較于5～15 mm粒徑混凝土，其抗壓強(qiáng)度普遍提高10 %，而且均勻性較好，能夠滿足透水混凝土的抗壓強(qiáng)度要求。

(a)

(b)

(2) 成型工藝對于透水混凝土的最終強(qiáng)度及透水性能有很大影響。目標(biāo)孔隙率與強(qiáng)度是判斷透水混凝土質(zhì)量的主要因素，采用錘擊方式，保留部分孔隙，使得混凝土透水性能較大，但是由于不夠密實(shí)而使強(qiáng)度有所降低；采用插搗方式，則使得混凝土強(qiáng)度較大而透水系數(shù)較小。實(shí)際施工中預(yù)壓的方式可以在不過多破壞內(nèi)部孔隙的條件下，增加混凝土的密實(shí)度。

(3)透水混凝土還需要在工程應(yīng)用中針對路面表面密實(shí)度、使用耐磨性及沙塵對路面封堵造成透水性危害等開展研究，進(jìn)一步提高透水混凝土的工程應(yīng)用價(jià)值。

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[定稿日期]2017-11-22

江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目《基于微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的透水混凝土透水性和抗壓強(qiáng)度理論模型及機(jī)理研究》(編號：BK20160106);江蘇省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目《基于多尺度的透水混凝土強(qiáng)度提高機(jī)理研究》(編號：16KJB560004);江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目資助(編號：BY2012039)

胡陽(1975～)女，碩士，講師，從事土木工程材料、工程測量等教學(xué)與科研工作。

TU502

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