摻合料和外加劑等對透水混凝土性能的研究★

何俊皓 蔣元海 陳海 唐越波 吳少杰 王璠 白家陽

(嘉興學(xué)院，浙江 嘉興 314001)

水是地球萬物的組成部分，是人類與社會生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。但在社會飛速發(fā)展的影響下，水資源的需求量與日俱增，加劇了我國水資源供需矛盾，水資源污染嚴重，水資源匱乏的現(xiàn)象。此外，建筑業(yè)的發(fā)展造成地表排水能力下降，增加了水澇的機會，加劇了水澇災(zāi)害的危害程度。如何改善我國水資源的現(xiàn)狀是我國國情所需。在近幾年的實踐中發(fā)現(xiàn)，建設(shè)海綿城市是當(dāng)前一種有效途徑［1］。

海綿城市，國家可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分，可以有效改善水環(huán)境污染嚴重，水澇頻發(fā)等現(xiàn)狀。透水混凝土作為主要建設(shè)材料，在海綿城市中起到舉足輕重的作用。在國外，透水混凝土技術(shù)已十分普遍，在多個實際工程中使用［2］。相比于國外，國內(nèi)的技術(shù)才剛剛起步，透水混凝土強度普遍較低，目前多用于人行道，園林景觀和室內(nèi)地面裝飾等。因此，適量提高透水混凝土的強度，可以有效地促進海綿城市的發(fā)展，從而提高水資源的重復(fù)利用，緩解水資源的短缺，符合國家可持續(xù)發(fā)展理念。

在前期研究中發(fā)現(xiàn)，采用一般方法配置所得的透水混凝土抗壓強度普遍較低，難以滿足工程需求。為了提高透水混凝土的抗壓強度，將增稠劑——羥乙基纖維素、聚酯纖維和硅灰加入透水混凝土的制備，研究三者復(fù)合使用對透水混凝土抗壓強度的影響。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥:P.O52.5普通水泥，比表面積為 356 m2/kg，密度為3.13 g/cm3，28 d 抗壓強度為 54.5 MPa。

粗骨料:級配為4.75 mm～16 mm，表觀密度為2 700 kg/m3，緊密堆積密度為1 500 kg/m3。

減水劑:聚羧酸復(fù)合減水劑，摻量為0.1% ～0.3%，硫酸鈉含量為3%，pH＞7。

硅灰:比表面積為 23.7 m2/g，SiO2含量為 95%，摻量為5% ～10%。

聚酯纖維:直徑為0.045 mm，平均長度為10 mm，體積摻量為0.2% ～0.4%。

羥乙基纖維素:摻量0.1% ～0.5%。

砂子:細砂，細度模數(shù)為 2.1，級配為 0.25 mm ～0.35 mm，表觀密度為2 650 kg/m3，摻量為5%。

1.2 正交試驗設(shè)計

本次試驗將硅灰、羥乙基纖維素、聚酯纖維作為影響因素，采用三因素三水平下對透水混凝土強度和透水性的影響。通過查閱文獻資料可知，硅灰適宜摻量范圍為5% ～10%［3］，羥乙基纖維素和聚酯纖維適宜摻量為0.2% ～0.5%［4］。根據(jù)正交設(shè)計原則，各因素水平表如表1所示;通過質(zhì)量法計算得到各原材料用量，具體數(shù)據(jù)如表2所示［5］。

表1 正交設(shè)計因素水平表

表2 正交試驗原材料用量

1.3 試驗方法

透水系數(shù)試驗:按照行業(yè)標準CJJ/T 135—2009透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)范制作透水系數(shù)試驗儀器(如圖1所示)［5］。將試件側(cè)面用黃油密封后安裝在試驗裝置內(nèi)，保證水流只往一個方向流動。在量筒內(nèi)加入一定量的水，記錄水下落至某刻度所需的時間，根據(jù)式(1)和式(2)計算得出透水系數(shù)。

圖1 透水系數(shù)試驗儀器示意圖

2 測量器具應(yīng)符合的要求

量具:分度值為1 mm的鋼直尺及類似量具。秒表:精度為1 s。量筒:容量為15 L，最小刻度為1 mL。溫度計:最小刻度為0.5℃。

透水系數(shù)按式(1)計算:

其中，kT為水溫為T℃時試件的透水系數(shù)，mm/s;Q為時間t s內(nèi)的滲出的水量，mm3;L為試件的厚度，mm;A為試件的上表面截面面積，mm2;H為水位差，mm;t為時間，s。

試驗結(jié)果以3塊試件的平均值表示，計算精確至1.0×10－2mm/s。

本試驗以15℃水溫為標準溫度，標準溫度下的透水系數(shù)應(yīng)按式(2)計算:

其中，k15為標準溫度時試件的透水系數(shù)，mm/s;ηT為T℃時水的動力粘滯系數(shù)，kPa·s;η15為15℃時水的動力粘滯系數(shù)，為水的動力粘滯系數(shù)比。

抗壓強度:按照GB/T 50081規(guī)定的方法進行試驗和評定，試件采用透水系數(shù)測試后的試塊。

3 試驗結(jié)果與分析

正交試驗結(jié)果如表3所示，極差分析結(jié)果如表4所示，折線圖如圖2，圖3所示。

表3 正交試驗結(jié)果

表4 正交試驗極差分析

圖2 抗壓強度極差分析

圖3 透水系數(shù)極差分析

3.1 試驗結(jié)果分析

通過對實驗結(jié)果進行分析可知，隨著硅灰含量的增加，混凝土強度不斷增大，這是因為摻合料的添加能填充水泥顆粒間隙，提高混凝土密實度，從而提高透水混凝土的強度［6］。隨著羥乙基纖維素摻量的增加，透水混凝土抗壓強度先增大后減小，在摻量為0.2%左右時，透水混凝土強度達到最優(yōu)。隨著聚酯纖維的增加，透水混凝土的抗壓強度不斷增大，這是因為纖維在混凝土內(nèi)部起到橋架的作用，在開裂過程中可以承受一定的拉應(yīng)力，宏觀上表現(xiàn)為透水混凝土的抗壓強度得到提高［6］。

通過對試驗進行極差分析可知，影響透水混凝土強度的最主要因素為聚酯纖維，其次為硅灰，影響最小的為羥乙基纖維素。

3.2 透水性結(jié)果分析

通過對透水性試驗結(jié)果分析可知，伴隨著硅灰摻量的增加，透水混凝土的透水性成反比變化，這是因為硅灰的增加使混凝土密實度提升，減小了內(nèi)部孔隙率，造成透水性下降。隨著羥乙基纖維素含量的增加，透水混凝土的透水性有略微下降，摻量為0.2%時，透水性能較好。這是因為羥乙基纖維素為一種增稠劑，它可以增加混凝土的稠度，流變性，水泥漿體對骨料的包裹更加充分，導(dǎo)致骨料間的空隙減小，降低了透水性［8］。隨著聚酯纖維摻量的增加，透水混凝土透水性無明顯變化，但考慮到纖維在添加過程中易出現(xiàn)成團現(xiàn)象，將最優(yōu)摻量定為0.2%。

通過極差分析結(jié)果可知，對透水混凝土透水性影響最大的是硅灰，最小的是聚酯纖維。

3.3 綜合結(jié)果分析

綜合考慮硅灰，羥乙基纖維素，聚酯纖維三個因素的復(fù)合使用影響，在保證抗壓強度和透水性能都達到最優(yōu)的前提下，本次實驗得到的最佳摻量為:硅灰10%，羥乙基纖維素0.2%，聚酯纖維0.4%，最佳摻量組合下的透水混凝土配合比如表5所示。

表5 透水混凝土配合比 kg/m3

用此配合比實驗得到的透水混凝土抗壓強度為24.2 MPa，透水系數(shù)為6.6 mm/s，滿足行業(yè)標準CJJ/T 135—2009透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)范的要求。

4 結(jié)語

1)透水混凝土的抗壓強度與硅灰和聚酯纖維的摻量成正比關(guān)系［9］;透水混凝土的強度隨羥乙基纖維素摻量的增加先增大后減小。聚酯纖維對透水混凝土抗壓強度影響最大，羥乙基纖維素對透水混凝土抗壓強度影響最小。

2)透水混凝土的透水系數(shù)與硅灰摻量成反比關(guān)系;羥乙基纖維素對透水混凝土透水性影響較低，只有略微下降;而聚酯纖維對透水混凝土的透水性無明顯影響。其中硅灰對透水混凝土透水性的影響最大，聚酯纖維影響最小。

3)本次條件下的最優(yōu)配合比:硅灰10%，羥乙基纖維素0.2%，聚酯纖維0.4%，最佳摻量組合下的透水混凝土配合比為:m(水泥)∶m(水)∶m(石子)∶m(砂子)∶m(硅灰):m(減水劑)∶m(羥乙基纖維素)∶m(聚酯纖維)=313.2∶104∶1 470∶77∶34.8∶0.696∶0.696∶1.392。用此配合比實驗得到的透水混凝土抗壓強度為24.2 MPa，透水系數(shù)為6.6 mm/s，滿足行業(yè)標準 CJJ/T 135—2009透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)范的要求。