預(yù)拌透水混凝土增強(qiáng)劑及其性能研究*

汪源，汪蘇平，白東，陳延勝

（1. 武漢三源特種建材有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430000；2. 武漢源錦建材科技有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

透水混凝土材料可以廣泛地應(yīng)用于公園、廣場(chǎng)、停車場(chǎng)、人行道、地下建筑、綠化、污水凈化等領(lǐng)域，可以很好地解決城市面臨水患的問(wèn)題，可見(jiàn)發(fā)展“海綿城市”的重要性不言而喻。目前我國(guó)透水混凝土專用外加劑的研究和應(yīng)用還處在起步階段[1]，在這樣的大背景和環(huán)境下，透水混凝土專用外加劑作為建設(shè)和發(fā)展“海綿城市”的一種必要性功能材料，具有十分重要和現(xiàn)實(shí)的研究意義。

當(dāng)前，采用透水混凝土外加劑制成的透水混凝土具有良好的抗壓強(qiáng)度和透水性[2-3]，很好地解決了城市的環(huán)保問(wèn)題，提升了城市生態(tài)系統(tǒng)功能和減少城市洪澇災(zāi)害的發(fā)生[4-5]?，F(xiàn)有的透水混凝土技術(shù)因石子骨料之間的孔隙導(dǎo)致混凝土的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，后期易發(fā)生收縮斷裂，同時(shí)透水混凝土的抗折強(qiáng)度不夠[6]，也容易發(fā)生斷裂，從而影響了混凝土的力學(xué)性能和持久性[7]。另一方面，普通透水混凝土的施工效率低下，骨料之間拌合不均勻，生產(chǎn)時(shí)粉塵和噪音污染大[8]，且攪拌站生產(chǎn)不方便等因素，嚴(yán)重制約著透水混凝土的發(fā)展[9]。且在透水混凝土的收縮性能及開(kāi)裂問(wèn)題上的研究不是很多，因此，開(kāi)發(fā)一種既能解決透水混凝土的易收縮斷裂，還可以進(jìn)行預(yù)拌生產(chǎn)的透水混凝土外加劑是目前亟待解決的問(wèn)題。

本文研究了不同摻量的 SY-TS 預(yù)拌透水混凝土增強(qiáng)劑對(duì)透水混凝土力學(xué)性能及施工性能的影響，探討了該增強(qiáng)劑在透水混凝土中的收縮性能，為透水混凝土的抗裂及海綿城市建設(shè)和推廣提供參考。

1 試驗(yàn)方案及原材料

1.1 原材料

水泥：采用華新 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥。

骨料：選用 1～5mm、5～10mm 和 10～15mm 的單一粒徑碎石。

水：自來(lái)水。

白炭黑：SiO2含量≥90%，比表面積≥200m2/g。納米碳酸鈣：粒度 0.05μm。氧化鎂膨脹劑：水中 7d 限制膨脹率≥0.035%。糖鈣：工業(yè)級(jí)?？稍俜稚⑿匀槟z粉：固含量≥98.0%，堆積密度≥ 300g/L。

聚羧酸減水劑粉劑：減水率≥30%。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 SY-TS 預(yù)拌透水混凝土增強(qiáng)劑的制備

將白炭黑、納米碳酸鈣、氧化鎂膨脹劑、糖鈣加入混合攪拌機(jī)中，攪拌 20～25min；接著加入可再分散性乳膠粉、聚羧酸減水劑粉劑后繼續(xù)攪拌 15～20min，即得到 SY-TS 預(yù)拌透水混凝土增強(qiáng)劑；其中聚羧酸減水劑粉劑∶白炭黑∶納米碳酸鈣∶氧化鎂膨脹劑∶糖鈣∶可再分散性乳膠粉的質(zhì)量比為 11:18:24:42:3:2。

1.2.2 預(yù)拌透水混凝土的制備

先將全部骨料（碎石）及 50% 的用水量加入攪拌機(jī)中潤(rùn)濕預(yù)拌 30s，再加入水泥、SY-TS 預(yù)拌透水混凝土增強(qiáng)劑進(jìn)行拌合，攪拌 2min，最后加入剩余的水?dāng)嚢杈鶆蚝蟪隽?，立即裝入 150mm×150mm×150mm 試模中制備成型。裝模：先對(duì)試模進(jìn)行手工插搗，之后將試模放在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng) 30s 左右，將試塊抹平。養(yǎng)護(hù)：將試件用塑料布蓋好，防止水分蒸發(fā)，試件成型后養(yǎng)護(hù) 1～2 天后拆模。參照 CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》測(cè)定抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及透水系數(shù)。參照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的收縮試驗(yàn)方法，采用接觸式混凝土收縮測(cè)試裝置測(cè)定透水混凝土收縮率，本試驗(yàn)采用 100mm×100mm×515mm 的棱柱體混凝土試件。

1.3 透水混凝土配合比設(shè)計(jì)

參照 CJJ/T 135—2009 中透水混凝土配合比試驗(yàn)要求執(zhí)行，本試驗(yàn)中以滿足 C30 強(qiáng)度等級(jí)的要求進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)[10]，固定水膠比。不同摻量增強(qiáng)劑試驗(yàn)透水混凝土配合比如表 1 所示（骨料粒徑選擇 5～10mm），不同粒徑碎石試驗(yàn)透水混凝土配合比如表 2 所示。

表 1 不同摻量增強(qiáng)劑透水混凝土配合比

表 2 不同粒徑下透水混凝土配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同摻量 SY-TS 對(duì)透水混凝土工作性能的影響

不同摻量 SY-TS 增強(qiáng)劑對(duì)透水混凝土工作性能的影響結(jié)果見(jiàn)表 3。2.5% SY-TS 摻量的混凝土初始狀態(tài)和 1小時(shí)后的狀態(tài)見(jiàn)圖 1 和 2。

表 3 不同摻量 SY-TS 透水混凝土的工作性能

圖 1 初始狀態(tài)

圖 2 1 小時(shí)后狀態(tài)

由表 3 可以看出，隨著預(yù)拌透水混凝土增強(qiáng)劑的增加，透水混凝土的坍落度和擴(kuò)展度也隨之增大，并且能夠延緩?fù)杆炷恋奶涠葥p失，保持其流動(dòng)性，其 1小時(shí)坍落度損失 5% 左右；摻量的增大雖然對(duì)透水混凝土的施工和強(qiáng)度都有幫助，但對(duì)透水系數(shù)有一定的影響，從圖 1 和圖 2 可以看出，2.5% 摻量時(shí)，透水混凝土的包裹性和流動(dòng)性都較好。因此，控制適宜的摻量及適宜的坍落度及擴(kuò)展度，不僅可以提高其施工性能，還有利于其力學(xué)性能的發(fā)展。

2.2 不同摻量 SY-TS 對(duì)透水混凝土力學(xué)性能的影響

不同摻量 SY-TS 增強(qiáng)劑對(duì)透水混凝土力學(xué)性能的影響結(jié)果見(jiàn)表 4。

由表 4 中可以看出，隨著預(yù)拌透水混凝土增強(qiáng)劑摻量的增加，透水混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度均有一定的增長(zhǎng)，摻量為 3.5% 的透水混凝土抗壓強(qiáng)度比摻量為 2.5% 的僅高 0.9MPa；隨著摻量的增加，透水混凝土的抗折強(qiáng)度也在不斷提高，這是因?yàn)樵鰪?qiáng)劑改善了膠材與骨料間的界面性能，使混凝土形成一種均勻的整體，從而增強(qiáng)了混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度；而透水系數(shù)出現(xiàn)先增大后減小，可能的原因是預(yù)拌透水混凝土增強(qiáng)劑增加了透水混凝土的粘稠度，增強(qiáng)劑的多孔膠體填充了水泥石結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致透水系數(shù)減小。另外，現(xiàn)場(chǎng)使用情況也反映，摻 2.5% 透水混凝土增強(qiáng)劑后，透水混凝土的包裹性以及粘聚性方面效果更佳，故從經(jīng)濟(jì)性和施工性能綜合方面考慮，透水混凝土中增強(qiáng)劑的最佳摻量選擇 2.5% 為最佳。

表 4 不同摻量下透水混凝土的力學(xué)性能

2.3 不同摻量 SY-TS 對(duì)透水混凝土收縮的影響

不同摻量 SY-TS 增強(qiáng)劑對(duì)透水混凝土收縮性能的影響結(jié)果見(jiàn)表 5 和圖 3。

表 5 不同摻量 SY-TS 增強(qiáng)劑對(duì)混凝土收縮性能的影響（×10-6）

由表 5 和圖 3 可知，透水混凝土硬化后隨著齡期的延長(zhǎng)，其收縮值在不斷的增大，而隨著預(yù)拌透水混凝土增強(qiáng)劑摻量的增加，透水混凝土的收縮值明顯的降低?？赡艿脑蚴穷A(yù)拌透水混凝土增強(qiáng)劑在水泥水化的過(guò)程中使水泥水化平穩(wěn)進(jìn)行，從而使水泥水化更充分，同時(shí)補(bǔ)償了透水混凝土在硬化過(guò)程中的收縮，進(jìn)而可以降低混凝土后期收縮引起的斷裂。

圖 3 不同摻量 SY-TS 對(duì)透水混凝土收縮的影響

2.4 不同骨料粒徑對(duì)透水混凝土力學(xué)性能的影響

碎石不同粒徑對(duì)透水混凝土力學(xué)性能的影響結(jié)果見(jiàn)表 6。

表 6 不同粒徑碎石透水混凝土的力學(xué)性能

由表 6 可知，隨著骨料粒徑的增加，透水混凝土的透水系數(shù)也在不斷的增加，28d 抗壓和抗折強(qiáng)度先增大后減小，骨料粒徑為 5～10mm 時(shí)透水混凝土 28d 抗壓和抗折強(qiáng)度效果最好。透水混凝土力學(xué)性能隨骨料粒徑增加而減小的原因可能是由于骨料粒徑過(guò)大，硬化后透水混凝土的空隙越大，導(dǎo)致膠凝材料與骨料間的界面粘著力減小，產(chǎn)生的張力也較小[11]，從而導(dǎo)致強(qiáng)度降低，而適宜的骨料粒徑可以有效地改善透水混凝土的強(qiáng)度和透水系數(shù)問(wèn)題，因此透水混凝土的骨料粒徑在制備過(guò)程中選擇 5～10mm 最佳。

2.5 不同骨料粒徑對(duì)透水混凝土收縮的影響

不同骨料粒徑對(duì)透水混凝土收縮性能的影響結(jié)果見(jiàn)表 7 和圖 4。

由表 7 和圖 4 可知，不同骨料粒徑下的透水混凝土硬化后隨著齡期的延長(zhǎng)，其收縮值在不斷地增大，且骨料粒徑越小，透水混凝土的收縮值越大。這是因?yàn)樵诨炷僚浜媳认嗤那闆r下，骨料粒徑越小，透水混凝土的孔隙越小，從而導(dǎo)致其收縮越大。

表 7 碎石不同粒徑對(duì)混凝土收縮性能的影響（×10-6）

3 結(jié)論

通過(guò)研究預(yù)拌透水混凝土增強(qiáng)劑對(duì)透水混凝土的力學(xué)性能、工作性能及收縮性能的影響，并分析了增強(qiáng)劑對(duì)透水混凝土的抗裂性能的作用，得出以下結(jié)論：

（1）預(yù)拌透水混凝土增強(qiáng)劑摻量越大，透水混凝土的收縮越?。辉蛟谟谠鰪?qiáng)劑補(bǔ)償了材料硬化過(guò)程中的收縮，使水泥水化平穩(wěn)進(jìn)行，且多孔膠體填充水泥石結(jié)構(gòu)，提高了透水混凝土的抗裂性能。

（2）隨著預(yù)拌透水混凝土增強(qiáng)劑摻量的加大，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨之增大，這是因?yàn)樵鰪?qiáng)劑的加入增加了混凝土的粘稠度，改善膠材與骨料間的界面性能，使混凝土形成一種均勻的整體，在不影響混凝土的透水性能的同時(shí)，增強(qiáng)了混凝土的強(qiáng)度。從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度考慮，透水混凝土中增強(qiáng)劑的最佳摻量以2.5% 為最佳。

（3）預(yù)拌透水混凝土增強(qiáng)劑能夠延緩預(yù)拌透水混凝土的坍落度損失，保持其流動(dòng)性，可以使其在一定距離上進(jìn)行運(yùn)輸，提高其施工性能和可操作性。

預(yù)拌透水混凝土增強(qiáng)劑能夠有效解決骨料拌和不均勻，同時(shí)解決了生產(chǎn)時(shí)的粉塵和噪音污染，大大提高了施工效率，可大方量生產(chǎn)。