硅灰與聚羧酸減水劑復配優(yōu)化透水混凝土研究

王天新，王冬梅

（1. 齊魯高速公路股份有限公司，山東 濟南 250101；2. 山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031）

引言

海綿城市是指城市在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對雨水帶來的自然災害等方面具有良好的“彈性”，遇到降雨能就地或者就近吸收、存蓄、滲透、凈化、調(diào)節(jié)水循環(huán)，需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用，具有降溫、防洪、抗旱、捕碳等效益。城市硬化不滲透地面的鋪裝給城市帶來日益嚴重的“熱島效應(yīng)”，暴雨季節(jié)內(nèi)澇頻發(fā)，地下水資源日漸衰竭［1-2］，透水混凝土將會是海綿城市建設(shè)的“主力軍”。透水混凝土是由特定級配的骨料、水泥、水、外加劑和摻合料等按特定比例經(jīng)特殊工藝制成的具有連續(xù)孔隙的多孔混凝土，不含細骨料，由粗骨料表面包覆一層水泥漿相互黏結(jié)而形成孔穴均勻分布的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，是生態(tài)混凝土的重要品種之一。采用生態(tài)透水混凝土鋪裝地面不僅能夠增加城市透水及透氣面積，調(diào)節(jié)城市氣候，降低地表溫度，有利于緩解城市“熱島現(xiàn)象”；而且可以充分利用雨、雪降水，增大地表相對濕度，補充城區(qū)日益枯竭的地下水資源，發(fā)揮透水性路基的“蓄水池”功能［3］。

我國透水混凝土的研究起步較晚，雖然關(guān)于生態(tài)透水混凝土的理論研究取得了一定成果，但總體來說，我國透水混凝土的研究仍處于起步階段，還需要更多的突破和完善［4-6］。我國2016 年海綿城市建設(shè)已經(jīng)提上日程，且倍受重視，因此對生態(tài)透水混凝土技術(shù)進行研究、發(fā)展與更新，需要進行大量的研究工作［7-8］。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

采用P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥和硅灰，成分見表1。外加劑選用NC-J 聚羧酸高性能減水劑，性能參數(shù)見表2。

表1 普通硅酸鹽水泥及硅灰的化學成分/%

表2 減水劑性能參數(shù)

骨料采用破碎石灰石，其粒徑為4.75 ～9.5 mm、9.5 ～16 mm。已有研究表明聚羧酸系減水劑在水泥流動度、強度和耐久性方面比木鈣系、萘系減水劑具有更優(yōu)良的效果。

1.2 透水系數(shù)裝置優(yōu)化

在測試透水混凝土透水系數(shù)時，試件和透水裝置之間存在邊隙密封不嚴的現(xiàn)象，且比內(nèi)部孔隙要多，測試過程水易沿邊隙溢流，使透水系數(shù)測量值遠大于真實值，且會使不同水頭高度下測量的透水系數(shù)存在差異。參考《土工試驗方法標準》（GB/T50123—1999），針對側(cè)壁滲漏和試塊表面溢流問題，先在試塊四周涂抹凡士林，防止試塊側(cè)面溢流，然后再試塊纏上足夠多的纏繞膜，使試塊能夠緊緊卡在裝置內(nèi)，來有效減小邊隙水溢流，且在透水裝置的上筒體側(cè)面不同高度處設(shè)置了3 個出水口。通過控制不同出水口的閥門，獲取了不同壓強下的透水系數(shù)。

式中：Aea—透水混凝土有效透水面積，m2；VV—凡士林體積，m3；L—式樣長度，m；kT—水溫為T時試樣的透水系數(shù)，m/s；Q—時間t秒內(nèi)的滲出水量，m3；h—試塊高度，m；H—平均水位差，m；A—試樣斷面積，m2；t—時間，s。

1.3 透水系數(shù)裝置優(yōu)化

透水混凝土試樣采用HJW-60 型攪拌機攪拌?；炷恋陌柚拼涡颍海?）準備好試驗材料，將碎石用清水多次清洗至水無混濁。（2）先將50%的拌合水預攪拌2 min，然加入50%膠凝材料和外加劑，繼續(xù)攪拌1 min，最后將剩余50%膠凝材料和30%拌合水加入攪拌機，攪拌2 min，整個過程共攪拌4 min。（3）成型時將新拌混凝土裝入模具，先在振動臺振動20 s，最后施加0.7 MPa 壓力。（4）試驗采用標準養(yǎng)護，養(yǎng)護溫度為20±1 ℃，相對濕度為95%以上。放在養(yǎng)護箱養(yǎng)護1 d 后拆模，然后養(yǎng)護至一定齡期。

2 結(jié)果分析

2.1 水泥凈漿流動性

選取新一代聚羧酸高效減水劑NC-J 進行膠凝材料流動度試驗，結(jié)果見圖1。

由圖1 可知，隨著減水劑量的增加以及水膠比的增大，漿材流動度呈增大趨勢，且減水劑對漿材流動度增大作用大于水膠比的作用。當減水劑含量為0.3%、0.5%、0.7%時，流動度范圍分別為199 ～249 mm、231 ～276 mm 及268 ～297 mm。試驗表明，當采用0.7%減水劑含量時，漿材容易聚集在混凝土試塊底部，當采用0.3%的減水劑含量時，水泥黏度過大，漿材凝結(jié)較快，不易均勻分布在骨料表面；當減水劑含量為0.5%時，漿材流動性比較適宜，且相比一般漿材又具有足夠大的黏度，并根據(jù)資料可知，當減水劑含量為0.5%，漿材液流動度為231 ～276 mm 時，能夠滿足透水混凝土成型時流動性要求。

圖1 膠凝材料流動度

2.2 透水混凝土透水性

采用不同粒徑、水灰比、減水劑和硅灰成型透水混凝土，測定3 個水頭高度S1、S2和S3處的透水系數(shù)，求出透水系數(shù)的平均值，標準差（SD）以及相對標準偏差（RSD），并與傳統(tǒng)測試的透水混凝土透水系數(shù)測試結(jié)果進行了對比，結(jié)果見表3和圖2。

圖2 與傳統(tǒng)測試透水系數(shù)對比

表3 透水混凝土透水系數(shù)

從表3 中可知，隨水頭差變化，不同配合比透水混凝土透水系數(shù)基本趨于一致。不同影響因素下透水混凝土透水系數(shù)的SD數(shù)值分布于0.01 ～0.07之間，RSD數(shù)值在5%以內(nèi)，且SD和RSD數(shù)值隨水灰比、骨料粒徑和設(shè)計孔隙率等變化不明顯，說明了各組透水混凝土透水系數(shù)數(shù)值波動很小，測試結(jié)果具有較高的精密度。從圖2 可知，采用傳統(tǒng)方式測得透水系數(shù)大，而采用本裝置測得透水系數(shù)小，且骨料越大，差別越大。這是由于骨料越大表面孔隙越大。因此，透水系數(shù)測試裝置優(yōu)化效果明顯。

由表3 可知，當在透水混凝土中摻加硅灰和減水劑后，透水混凝土的透水系數(shù)增大。設(shè)計孔隙率和骨料粒徑越大，透水系數(shù)越大。且在試驗條件下，水灰比對透水系數(shù)也具一定的影響。透水混凝土的透水性大小與實測孔隙率有密切關(guān)系，骨料粒徑、漿體流動度是影響孔隙率的關(guān)鍵因素。當其他因素不變時，骨料粒徑越大時，接觸點越少，使實測孔隙率越大；但當漿液流動度過小和過大時，使?jié){液嚴重分布不均勻，都會堵塞孔隙，使真正透水的孔隙減少，不利于透水系數(shù)的增大。

2.3 透水混凝土強度性能

2.3.1 骨料粒徑和水灰比對透水混凝土強度影響

采用了不同粒徑和水灰比成型了透水混凝土，并測定了抗壓強度和抗折強度，結(jié)果見表4。隨著孔隙或粒徑增大，透水混凝土強度降低。當在水灰比為0.28 時，強度最大，結(jié)果表明改變水灰比會改變漿材在骨料表面的分布，使透水混凝土出現(xiàn)大孔隙，影響了黏結(jié)面積，降低了強度。

表4 粒徑和水灰比對透水混凝土強度影響

2.3.2 硅灰和減水劑對透水混凝土強度影響

試驗中保持設(shè)計孔隙率為15%，骨料粒徑為4.75 ～95 mm，結(jié)果見表5。

表5 硅灰和減水劑對透水混凝土強度影響

表5 中，摻加5%硅灰時，透水混凝土強度得到了明顯提高。當透水混凝土摻加硅灰的同時，添加0.5%高效聚羧酸減水劑，透水混凝土強度得到明顯提高，透水混凝土抗壓強度能達到35.2 MPa，抗折強度能達到5.7 MPa。當硅灰的摻量提高到10%時，其強度出現(xiàn)降低現(xiàn)象，這說明硅灰摻量具有最佳摻量范圍。適量的硅灰能夠促進復合膠凝材料的火山灰反應(yīng)，能夠增加結(jié)石體中水化硅酸鈣凝膠數(shù)量及結(jié)石體致密度，改善硬化水泥漿體的微觀結(jié)構(gòu)，能夠增加骨料接觸的黏結(jié)強度，因此能夠增加強度；過量硅灰不利于漿材的流動性能，不利于漿材在骨料表面達到最佳厚度，因此過量硅灰不利于強度增長。適量聚羧酸減水劑能夠確保漿材保持滿意的流動性能及漿材在骨料表面的最佳厚度，能夠增加骨料接觸點間的黏結(jié)強度，因此也能增加透水混凝土強度。

2.3.3 水灰比對透水混凝土強度影響

采用粒徑為4.75 ～9.5 mm 的骨料成型透水混凝土，試驗不同水灰比對透水混凝土抗壓強度和抗折強度的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 透水混凝土強度和孔隙率與水膠比的關(guān)系

從圖3 中可知，在硅灰和減水作用下，透水混凝土強度與水灰比存在最佳范圍，即水灰比0.28 ～0.31 時，透水混凝土強度最高。骨料表面上膠結(jié)材的黏結(jié)強度和結(jié)合面積是評價多孔透水混凝土強度的關(guān)鍵因素之一，漿液分布均勻時，能增加黏結(jié)面積，提高黏結(jié)強度，使透水混凝土強度增加；當分布不均勻時，則會不利于透水混凝土強度提高。

2.3.4 粒徑對透水混凝土強度性能的影響

由表4 可知，設(shè)計孔隙率為15%、水灰比為0.25時，骨料粒徑由4.75 ～9.5 mm 增長至9.5 ～16 mm時，透水混凝土強度相應(yīng)降低。這與透水混凝土的結(jié)構(gòu)及力學性質(zhì)有關(guān)，透水混凝土承受外力和傳遞外力依靠骨料之間的接觸面，并會在接觸點處會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，當骨料間的接觸點越少時這種現(xiàn)象越明顯。因此，當骨料粒徑越細，接觸點數(shù)量越多，骨料間接觸面積相應(yīng)越大，相應(yīng)的實測孔隙率也越小，應(yīng)力集中越不明顯，透水混凝土的強度也就越高。

3 結(jié)語

（1）研究了聚羧酸減水劑、水膠比、硅灰含量作用下漿材流動特性，減水劑含量0.5%、硅灰含量5%時，漿材流動性適宜，且有利于增加骨料間黏結(jié)強度，從而增加透水混凝土強度，過量硅灰不利于強度增長。（2）優(yōu)化了透水系數(shù)測試裝置，提高了測量的精確度。（3）隨著孔隙或粒徑增大，透水混凝土強度降低。在硅灰和減水作用下，水灰比0.28 ～0.31時透水混凝土強度較高。（4）可通過采用小粒徑碎石、復配適量硅灰-聚羧酸減水劑、增加骨料間接觸面等方式，大幅提高透水混凝土強度，同時確保其具有較好的透水系數(shù)。