透水混凝土抗凍融性能試驗(yàn)研究

劉相如,周新剛,張忠杰,宋振宇

(煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院 山東 煙臺(tái) 264005)

透水混凝土是多孔混凝土的一種,是由一系列相連通的孔隙和混凝土實(shí)體部分骨架構(gòu)成的具有透氣、透水性的多孔結(jié)構(gòu)的混凝土．與普通混凝土不同,透水混凝土僅有少量的細(xì)骨料或不含細(xì)骨料,主要靠包裹在粗骨料表面的硬化漿體將骨料膠結(jié)在一起．為保證透水性,透水混凝土要求有一定的連通空隙,這些空隙是保證其透水的前提[1]．空隙既是保證透水性的重要參數(shù),也是影響混凝土力學(xué)性能的重要參數(shù)．目前透水混凝土的一般物理力學(xué)性能已有較多研究,蔣正武等研究了若干因素如骨料級(jí)配、粒徑、目標(biāo)空隙率、骨灰比、水灰比、外加劑、攪拌工藝等對(duì)多孔透水混凝土的空隙率、透水系數(shù)與抗壓強(qiáng)度等性能的影響,發(fā)現(xiàn)骨料粒徑與級(jí)配是影響多孔透水混凝土性能的關(guān)鍵因素,采用目標(biāo)空隙率能較好的控制透水性,強(qiáng)度的要求需要通過(guò)不同的水灰比來(lái)調(diào)整,但凍融性能研究的則較少[2-5]．而在受凍融循環(huán)影響的北方地區(qū),良好的凍融性能,對(duì)延長(zhǎng)透水混凝土的使用壽命具有重要意義．因此,研究空隙與物理力學(xué)性能的關(guān)系、特別是與凍融性能的關(guān)系十分重要．透水混凝土的空隙大,空隙結(jié)構(gòu)的連通性較強(qiáng),其凍融機(jī)理及性能與普通混凝土不同．本文使用3種粒徑骨料,設(shè)置3個(gè)目標(biāo)空隙率,開(kāi)展透水混凝土抗凍融試驗(yàn),進(jìn)一步豐富了透水混凝土抗凍融性能研究．

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)所用的骨料參數(shù)見(jiàn)表1;水泥采用冀東42.5R普通硅酸鹽水泥,水泥的表觀密度為3 050 kg·m-3;水采用自來(lái)水．

1.2 配合比

本試驗(yàn)采用體積法[6]進(jìn)行配合比計(jì)算,配合比參數(shù)見(jiàn)表2．

表1 骨料參數(shù)Tab.1 Aggregate parameters

表2 試驗(yàn)配合比Tab.2 Test proportion of mixture

表中,Mg為骨料質(zhì)量,Mc為水泥質(zhì)量,Mw為水的質(zhì)量．

試件制作完成后,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn)．試驗(yàn)中首先測(cè)試了各組透水混凝土試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度,然后分別進(jìn)行空隙率、透水系數(shù)及凍融性能試驗(yàn)．

1.3 實(shí)際空隙率及透水系數(shù)測(cè)試

采用重量法測(cè)試實(shí)際空隙率,測(cè)試步驟如下:(1)將養(yǎng)護(hù)好的透水混凝土試件取出,放在105±5 ℃的干燥箱中24 h烘干,取出后將其冷卻至室溫,用游標(biāo)卡尺量出試件的尺寸,并計(jì)算其體積V;(2)將試件完全浸泡在水中,待無(wú)氣泡出現(xiàn)時(shí)讀取試件在水中的質(zhì)量m1;(3)取出試塊放在60 ℃烘箱中烘24 h后稱(chēng)量試件的質(zhì)量m2;(4)按公式(1)計(jì)算透水混凝土試件的實(shí)際空隙率Va,并取每組3個(gè)試件的算術(shù)平均值作為最終測(cè)試結(jié)果．

%,

(1)

式中：Va為實(shí)測(cè)空隙率(%),

m1為試塊在水中質(zhì)量(g),

m2是為試塊干重(g),

V為試塊實(shí)際體積(cm3)．

根據(jù)達(dá)西定律,采用固定水頭法測(cè)試透水混凝土的透水系數(shù)．測(cè)試步驟為:(1)用黃油和膠帶將透水混凝土4個(gè)面封?。?2)將透水混凝土試件放入透水儀測(cè)試桶中,并確保試件與桶內(nèi)壁緊密接觸,發(fā)現(xiàn)缺口應(yīng)用黃油封堵．(3)將測(cè)試桶放入溢水槽中,并向測(cè)試桶中通水．(4)待溢水槽出水口平穩(wěn)出水,測(cè)試桶中水位穩(wěn)定,將量筒放置溢水槽出水口,并開(kāi)始計(jì)時(shí)．(5)計(jì)時(shí)3 min時(shí),記下量筒中水的體積,計(jì)算透水系數(shù)．測(cè)試結(jié)束后,按照公式(2)計(jì)算透水系數(shù)：

(2)

式中：KT為水溫T℃時(shí)的透水系數(shù)(mm·s-1),

Q1為t時(shí)間內(nèi)流過(guò)透水混凝土試件的水量(mm3),

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L為透水混凝土試件的厚度(mm),

A為透水混凝土試件的橫截面積(mm2),

h為水頭差(mm),

t為測(cè)定時(shí)間(s)．

1.4 抗凍融循環(huán)性能

由于尚沒(méi)有透水混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn),參照文獻(xiàn)[7]中快凍法進(jìn)行試驗(yàn)研究,將透水混凝土試件放進(jìn)凍融循環(huán)機(jī),進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn),每25次循環(huán)后檢查外觀破損情況并測(cè)其重量及動(dòng)彈模．當(dāng)透水混凝土試件質(zhì)量損失達(dá)到5%或者相對(duì)動(dòng)彈模下降到60%以下,試驗(yàn)結(jié)束,分析其凍融性能．根據(jù)文獻(xiàn)[7],本次試驗(yàn)透水混凝土抗凍等級(jí)也以相對(duì)動(dòng)彈模量下降至不低于60%或者質(zhì)量損失率不超過(guò)5%時(shí)的最大凍融循環(huán)次數(shù)來(lái)確定．

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 強(qiáng)度

從表3中數(shù)據(jù)分析可得,在同一目標(biāo)空隙率下,骨料粒徑越大,透水混凝土強(qiáng)度越低．這主要原因是骨料粒徑越大,骨料之間的接觸越少,骨料間機(jī)械咬合力以及與漿體的粘結(jié)力減?。畯膱D1—3的切片照片中可以看到,骨料粒徑越大,成型后透水混凝土空隙直徑越大,骨料之間的接觸越?。酥?據(jù)表3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算,在3種骨料粒徑下,目標(biāo)空隙率從11%增大到16%,28 d強(qiáng)度分別降低27.8%、24.8%和21.3%;目標(biāo)空隙率從16%增大到21%,28 d強(qiáng)度分別降低27.1%、23.6%和19.9%．由此可見(jiàn),各種骨料粒徑情況下,28 d強(qiáng)度降低與目標(biāo)空隙率增加變化規(guī)律基本一致,降低幅度與目標(biāo)空隙率增加基本呈線性變化,見(jiàn)圖4．但從7 d強(qiáng)度變化規(guī)律看,目標(biāo)空隙率的增加并沒(méi)有顯著地降低透水混凝土的7 d強(qiáng)度．

圖5—7為同一骨料粒徑,但目標(biāo)空隙率不同的透水混凝土的切片．從圖可見(jiàn),隨目標(biāo)空隙率的增大,不僅空隙數(shù)量增大、空隙體積增大,而且空隙的連通性顯著增大．由表3知,目標(biāo)空隙率越大,漿骨比越小,說(shuō)明骨料周?chē)臐{體越少,骨料之間的界面粘結(jié)性能越差,混凝土強(qiáng)度越低．值得注意的是,在骨料粒徑分別為4.75～9.50 mm和9.50～16.00 mm 2種情況下,空隙率大的情況下,其抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比反而比空隙率小的情況大．普通混凝土28 d抗折強(qiáng)度/抗壓強(qiáng)度約為1/8～1/7,而試驗(yàn)得到的透水混凝土28 d抗折強(qiáng)度/抗壓強(qiáng)度約為1/6～1/4．說(shuō)明透水混凝土的抗折與抗壓強(qiáng)度之比高于普通混凝土,空隙對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響更大．在骨料粒徑為16.00～19.00 mm的情況下,雖然空隙率為21%時(shí),抗折與抗壓強(qiáng)度的比值最低,但3種骨料粒徑的比值基本接近．這說(shuō)明在大的骨料粒徑情況下,雖然空隙率較大,但骨料之間的咬合和嵌連作用較強(qiáng),使透水混凝土的抗折強(qiáng)度降低的并不明顯．綜合強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果,空隙率從11%增加到21%,抗壓強(qiáng)度降低40%～50%,因此過(guò)大的目標(biāo)空隙率使混凝土抗壓強(qiáng)度有較大的降低．

圖1 CA1-3組切面Fig.1 Cutting plane of the CA1-3 group

圖2 CA2-3組切片F(xiàn)ig.2 Cutting plane of the CA2-3 group

圖7 CA1-3組切片F(xiàn)ig.7 Cutting plane of the CA1-3 group

2.2 透水系數(shù)及實(shí)測(cè)空隙率

從表4及圖8可見(jiàn),同一粒徑下,隨著目標(biāo)空隙率的增大,水泥用量的減少,骨料之間原來(lái)不連通的空隙會(huì)逐漸減少同時(shí)連通空隙會(huì)逐漸變多,空隙直徑也會(huì)變大,整個(gè)骨架透水的通道增多而使其透水系數(shù)變大．從圖5、圖6、圖7可見(jiàn),同一粒徑下,隨著目標(biāo)空隙率的增大,切面顯示空隙數(shù)量變多、直徑變大,透水系數(shù)逐漸升高,同時(shí)試塊逐漸變?yōu)槎嗫障兜墓羌芙Y(jié)構(gòu)．從圖9可見(jiàn),骨料粒徑4.75～9.50 mm下,透水系數(shù)與目標(biāo)空隙率基本呈線性關(guān)系．

表4 透水系數(shù)及實(shí)測(cè)空隙率Tab.4 Permeability coefficient and measured void ratio

圖8 不同組的透水系數(shù)Fig.8 Permeability coefficients of different groups

圖9 骨料粒徑4.75～9.50 mm透水混凝土透水系數(shù)與目標(biāo)空隙率關(guān)系Fig.9 Relationship between permeability coefficient and target void ratio of permeable concrete with particle size of 4.75-9.50 mm

在同一目標(biāo)空隙率的情況下,骨料粒徑越大,透水系數(shù)越高,說(shuō)明在相同的目標(biāo)空隙率情況下,骨料粒徑越大,空隙連通性越好．值得注意的是,在骨料粒徑大、目標(biāo)空隙率小的情況下,由于漿體的富集效應(yīng),漿體會(huì)富集到試件的底部,堵塞了骨料之間的空隙,在試件底部形成了一層較為密實(shí)的層,致使透水性較差．表4中CA2-1組、CA2-2組、CA3-1組、CA3-2組就是這種情況．因此,在實(shí)際透水混凝土施工中,在目標(biāo)空隙率較小的情況,應(yīng)注意防止出現(xiàn)這樣的情況．透水混凝土的空隙直徑和骨料粒徑也有直接關(guān)系．從圖1、圖2、圖3中可以看出,在目標(biāo)空隙率相同的情況下,骨料粒徑越大,透水混凝土空隙的數(shù)量越少,空隙直徑越大,空隙的連通性越好,透水系數(shù)越大．

2.3 凍融性能

試驗(yàn)表明,透水混凝土的凍融破壞經(jīng)歷以下幾個(gè)階段:表面水泥漿體剝落,見(jiàn)圖11．圖10為未凍融的試件,圖11為凍融試件早期的表面情況,比較圖10與圖11可見(jiàn),圖11中透水混凝土表面漿體剝落,露出骨料表面;漿體與骨料之間產(chǎn)生裂縫,隨著漿體的不斷剝落,表層骨料也開(kāi)始剝落,見(jiàn)圖12,棱角部位的骨料開(kāi)始剝落;最終裂縫不斷發(fā)展、擴(kuò)大與貫穿,見(jiàn)圖13、圖14,直至發(fā)生缺損、崩塌,見(jiàn)圖15．從凍融破壞形態(tài)看,透水混凝土的凍融破壞和普通混凝土的凍融破壞有顯著的差別．透水混凝土由于存在較大的空隙,混凝土內(nèi)部的凍融損傷較早發(fā)生,而普通混凝土的內(nèi)部?jī)鋈趽p傷發(fā)生的則較晚．除此之外,透水混凝土發(fā)生破壞時(shí),會(huì)形成明顯的貫通裂縫,而普通混凝土則以形成微細(xì)裂縫和表面質(zhì)量損失為主．

圖10 未凍融試塊Fig.10 Test block for unfrozen-thaw cycle

圖11 試塊表面漿體脫落Fig.11 The cement paste on the surface of the test block falls off

根據(jù)靜水壓和滲透壓理論[8-10],透水混凝土凍融破壞的主要機(jī)理是:在凍結(jié)過(guò)程中,首先從表面開(kāi)始凍結(jié),溫度繼續(xù)降低,透水混凝土連通和半連通空隙開(kāi)始凍結(jié);結(jié)冰發(fā)生體積膨脹,一方面使混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫,另一方面壓縮未凍結(jié)的水繼續(xù)向內(nèi)部孔隙遷移;遷移過(guò)程要克服粘滯阻力,產(chǎn)生靜水壓而削弱漿體的粘結(jié)作用．同時(shí),隨著水不斷向內(nèi)部遷移,凝膠體中毛細(xì)孔中的水也會(huì)逐漸結(jié)冰,未結(jié)冰部分的水會(huì)處于過(guò)冷狀態(tài),形成較高的蒸汽壓,使混凝土凝膠體受到較大的滲透壓作用而在孔隙周?chē)纬衫瓚?yīng)力,導(dǎo)致凝膠體受拉破壞．反復(fù)的凍結(jié)融化作用,使空隙周?chē)粩喈a(chǎn)生拉應(yīng)力、凝膠體與骨料界面發(fā)生破壞、凝膠體受拉破壞,最終導(dǎo)致透水混凝土發(fā)生凍融破壞．

圖12 試塊裂縫產(chǎn)生、骨料脫落Fig.12 Test block cracks, aggregates fall off

圖13 試塊裂縫加深、加寬、延伸Fig.13 Cracks on the test block are deepened, widened, and extended

圖14 試塊裂縫貫穿Fig.14 Cracks on the test block run through

圖15 試塊向內(nèi)部崩塌Fig.15 The test block collapses into the interior

圖16和圖17分別為透水混凝土質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈模隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化情況．凍融試驗(yàn)中,以質(zhì)量損失率達(dá)到5%或相對(duì)動(dòng)彈模下降到60%為凍融破壞標(biāo)志．試驗(yàn)表明,所有試件動(dòng)彈模下降到60%都先于質(zhì)量損失率達(dá)到5%．其中骨料粒徑為16.00～19.00 mm的2組試件CA3-1和CA3-2,當(dāng)動(dòng)彈模下降到60%以后,很快發(fā)生整體斷裂．

圖16 質(zhì)量損失率的變化Fig.16 Changes of percent mass loss

圖17 相對(duì)動(dòng)彈模的變化Fig.17 Changes of relative dynamic modulus

從圖16質(zhì)量損失率的變化情況可見(jiàn),隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,質(zhì)量損失率增大．但在凍融循環(huán)次數(shù)小于75次時(shí),質(zhì)量損失率隨循環(huán)此處的變化相對(duì)較小,大于75次則顯著增大．各種粒徑和目標(biāo)空隙率的透水混凝土質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的趨勢(shì)基本相同,但骨料粒徑小的、目標(biāo)空隙率小的透水混凝土的變化幅度相對(duì)較?。?/p>

從圖17相對(duì)動(dòng)彈模的變化情況可見(jiàn),各種試件的變化趨勢(shì)也基本相同,但大粒徑骨料、大空隙率的變化幅度較大,而小粒徑骨料、小空隙率的變化幅度相對(duì)平緩．根據(jù)文獻(xiàn)[7],試驗(yàn)得到的各種骨料及空隙率的透水混凝土的抗凍融等級(jí)見(jiàn)表5．

表5 不同組別透水混凝土凍融等級(jí)Tab.5 Resistance class to freezing-thawing of different groups

表5為透水混凝土抗凍融等級(jí)隨骨料粒徑及目標(biāo)空隙率的變化情況．從表5可見(jiàn),在同一目標(biāo)空隙率下,小粒徑骨料透水混凝土抗凍融等級(jí)高于大粒徑骨料透水混凝土;而在同一骨料粒徑下,目標(biāo)空隙率越小,凍融性能越好．骨料粒徑4.75～9.50 mm、目標(biāo)空隙率為11%的透水混凝土的抗凍融等級(jí)可以達(dá)到F125,抗凍融性能最好;而骨料粒徑為16.00～19.00 mm、目標(biāo)空隙率為21%的只能達(dá)到F25,抗凍融性能最差;骨料粒徑為4.75～9.50 mm,空隙率為16%的透水混凝土的抗凍融等級(jí)與骨料粒徑為9.50～16.00 mm、目標(biāo)空隙率為11%的相同;骨料粒徑為4.75～9.50 mm、目標(biāo)空隙率為21%的透水混凝土的抗凍融性能與其他粒徑的目標(biāo)空隙率為16%的相同．

3 結(jié) 論

(1)透水混凝土的強(qiáng)度、抗凍融性能隨目標(biāo)空隙率的增大而降低,在相同目標(biāo)空隙率情況下,隨骨料粒徑的增大而降低．但早期強(qiáng)度隨目標(biāo)空隙率及骨料粒徑變化不十分明顯．透水混凝土抗折強(qiáng)度隨目標(biāo)空隙率增大及骨料粒徑的增大也逐漸降低,但抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度的比值變化則不十分明顯．與普通混凝土相比,透水混凝土的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比相對(duì)較高．

(2)透水混凝土的抗凍融性能隨目標(biāo)空隙率及骨料粒徑的增大而降低．凍融破壞都是動(dòng)彈模損失率達(dá)到了60%而不是質(zhì)量損失率達(dá)到了5%,說(shuō)明透水混凝土凍融破壞主要是內(nèi)部?jī)鋈趽p傷造成的．骨料粒徑為16.00～19.00 mm的透水混凝土當(dāng)動(dòng)彈模下降到60%時(shí),迅速發(fā)生整體斷裂,即動(dòng)彈模下降到60%時(shí),大骨料粒徑配置的透水混凝土?xí)l(fā)生突然的整體破壞．

(3)骨料粒徑為4.75～9.50 mm、目標(biāo)空隙率為11%的透水混凝土,抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到31.7 MPa,抗折強(qiáng)度達(dá)到5.8 MPa,透水系數(shù)達(dá)到1.84 mm·s-1,抗凍融性能可以達(dá)到F125,是具有良好性能的透水混凝土．骨料粒徑為4.75～9.50 mm、目標(biāo)空隙率為16%的透水混凝土,其透水系數(shù)明顯提高,能到達(dá)2.69 mm·s-1,抗壓強(qiáng)度能達(dá)到22.7 MPa,抗折強(qiáng)度能達(dá)到4.8 MPa,抗凍融性能為F100,雖然比目標(biāo)空隙率為11%的差,但各項(xiàng)性能相對(duì)也較好．骨料粒徑為9.50～16.00 mm的透水混凝土,只有當(dāng)目標(biāo)空隙率為11%時(shí),其性能相對(duì)較好,其他情況則較差．骨料粒徑為16.00～19.00 mm的各種目標(biāo)空隙率以及小骨料粒徑情況下的目標(biāo)空隙率為21%的透水混凝土的性能都較差．

(4)當(dāng)骨料粒徑增大時(shí),施工時(shí)容易出現(xiàn)漿體富集在透水混凝土底部的問(wèn)題,使透水系數(shù)降低,因此,為保證良好的透水性能及力學(xué)性能,透水混凝土宜選用粒徑較小的骨料,目標(biāo)空隙率應(yīng)控制在15%以下．