透水混凝土力學(xué)和透水性能影響因素研究

鄭 東，吳榮興，2，金佳妮，王海林

（1.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江 寧波315800；2.寧波大學(xué)機(jī)械與力學(xué)學(xué)院，浙江 寧波315211）

現(xiàn)代城市建設(shè)離不開混凝土材料，它構(gòu)成了城市的主要地表，與自然地表相比，普通混凝土路面缺乏呼吸性、吸收熱量和滲透雨水的能力，帶來了一系列的環(huán)境問題［1-2］。透水混凝土路面可以降低城市降雨的峰值流量，并且能夠使?jié)B入的雨水得到部分凈化［3-5］。因此透水混凝土的研制是解決國家“大城市”病的有效途徑和構(gòu)建“海綿城市”的必由之路。

透水混凝土強(qiáng)度的影響因素和提高強(qiáng)度的方法首先引起了研究人員的關(guān)注。在透水混凝土中加入各種摻料可以有效提高透水混凝土強(qiáng)度，但是會降低透水性［6-7］。透水性能的研究主要集中在骨料性質(zhì)和成型過程對透水性能影響的分析，包括了透水混凝土空隙率和透水性能的理論分析［8-9］。與此同時，再生骨料透水混凝土的各種性能分析也得到了相應(yīng)的研究［10］。

為了獲得透水混凝土的最佳綜合性能，這里分析了不同水灰比、骨膠比、外加劑和硅粉的透水混凝土的力學(xué)和透水性能，為透水混凝土的綜合應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)設(shè)計

1.1 原材料

試驗(yàn)采用水泥為上海海螺水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的海螺P·O42.5普通硅酸鹽水泥，質(zhì)量符合《通用硅酸鹽水泥（GB 175—2007）》要求。采用的粗骨料是來自寧波北侖某礦山的瓜子片。為了獲得較高的透水性能，選用的石子粒徑為5～10 mm，為不連續(xù)級配石子。采用的減水劑和硅粉分別為萬山集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的萘系減水劑和清河縣創(chuàng)盈金屬材料有限公司生產(chǎn)的高純硅粉，均符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)?；炷涟韬陀盟捎脤幉ㄊ斜眮鰠^(qū)當(dāng)?shù)刈詠硭稀痘炷劣盟畼?biāo)準(zhǔn)（JGJ 63—2006）》要求。

1.2 制作工藝

先將粗骨料和70%的水進(jìn)行拌和并攪拌1 min，然后加入50%的膠凝材料和全部外加劑，繼續(xù)攪拌1 min，最后將剩余的50%膠凝材料和30%的拌合水加入攪拌機(jī)，攪拌2 min。成型時將混凝土拌合物分三次，每次50 mm厚度裝入150 mm×150 mm×150 mm的試模中，每層用鋼筋或鐵棒搗插約20次。試件成型后，帶模覆蓋養(yǎng)護(hù)，24 h拆模，送入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)28 d。

1.3 抗壓強(qiáng)度測定

試驗(yàn)參照《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)（GB 50107—2010）》規(guī)定測試透水混凝土試塊的立方體抗壓強(qiáng)度，試塊荷載增加速度控制在0.3～0.5 MPa／s，并用下面公式計算

式中：σ、F、A分別為立方體混凝土的抗壓強(qiáng)度、破壞荷載和受壓面積。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用寧波同和檢測有限公司的全自動混凝土壓力試驗(yàn)機(jī)。

1.4 透水性能測定

透水性能測定采用自制的簡易透水性能測定裝置，為兩端開口的透明亞克力材質(zhì)長方體。長方體側(cè)面固定測量用的刻度尺，對試件的側(cè)面縫隙采用滾蠟密封處理，保證水不往側(cè)面滲漏［8］。實(shí)驗(yàn)過程中，往裝置內(nèi)加水到固定高度開始記錄水柱自然下降所需的時間，透水性能用下式計算。

式中：K、H、t分別為透水系數(shù)、定水位點(diǎn)至透水面高度和透水時間。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

透水混凝土的每個配合比制作3個標(biāo)準(zhǔn)試件，固定水量的透水時間取三組的平均值。首先分析水灰比對透水混凝土強(qiáng)度與透水性能的影響，骨膠比取1∶4，不摻任何外加劑。獲得的透水混凝土抗壓強(qiáng)度和固定水量的透水時間與水灰比關(guān)系見圖1、圖2。

圖1 透水混凝土抗壓強(qiáng)度與水灰比關(guān)系

圖2 透水混凝土固定水量的透水時間與水灰比關(guān)系

從圖1可以看出，隨著水灰比的增加，透水混凝土強(qiáng)度先逐漸增加，當(dāng)水灰比在0.26后逐漸下降。這一結(jié)果與普通混凝土的表現(xiàn)一致。在一定范圍內(nèi)，提高水灰比將增加混凝土的和易性和強(qiáng)度，當(dāng)超過一定范圍后，水灰比的提高會造成透水混凝土的自由水過多，混凝土成型后致密性降低，從而降低了透水混凝土的強(qiáng)度［4］。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，隨著水灰比的增加，固定水量的透水時間先稍稍增加后逐漸減小。主要原因是隨著水灰比的增加，透水混凝土的密實(shí)性能得到提高，導(dǎo)致透水率下降，特別是水灰比過大，稀稠的膠結(jié)漿體會堵塞透水空隙，造成封底現(xiàn)象。

圖3和圖4的透水混凝土的水灰比為0.24，不摻任何外加劑。從圖3可知，隨著骨膠比的增加，透水混凝土的強(qiáng)度先增加后下降。透水混凝土強(qiáng)度主要受粗骨料的影響，但是骨膠比到一定比例后，由于膠凝材料包裹不足，強(qiáng)度反而下降。由圖4可知，隨著骨膠比的增加，透水性能先增加后稍微下降，骨料的增加造成混凝土內(nèi)部空隙率增加［9］。這樣就確定透水混凝土的水灰比為0.24，骨膠比為1∶4，繼續(xù)分析減水劑和硅粉摻量的影響。

圖3 透水混凝土抗壓強(qiáng)度與骨膠比關(guān)系

圖4 透水混凝土固定水量的透水時間與骨膠比關(guān)系

這里需要指出的圖5橫坐標(biāo)的混凝土減水劑摻量是非均值的。圖5表明減水劑對透水混凝土強(qiáng)度還是有影響的，減水劑摻量增加后，降低水泥顆粒與粗骨料界面上水的張力，甚至消失，使得骨料間的潤滑性更好，排列更緊密，從而強(qiáng)度得以提升。

圖5 透水混凝土抗壓強(qiáng)度與減水劑摻量關(guān)系

圖6表明隨著硅粉摻量的增加，透水混凝土強(qiáng)度得到明顯提高，但是硅粉摻量在6%以后，強(qiáng)度出現(xiàn)下降趨勢，該趨勢和阮玉坤等在研究硅粉對低水灰比混凝土實(shí)驗(yàn)較為一致［11］。硅粉顆粒較水泥顆粒更為細(xì)小，比表面積更大，從而吸附了大量的自由水，使得粗骨料表面水膜變薄，改善了骨料界面的密實(shí)度；其次硅粉與水泥水化生成的Ca（OH）2反應(yīng)，生成強(qiáng)度更高的（C－S－H）凝膠，從而增強(qiáng)了透水混凝土的強(qiáng)度。但隨著硅粉含量的增加，當(dāng)硅粉增加的強(qiáng)度不足以抵消由于水泥所提供的強(qiáng)度損失時，混凝土的強(qiáng)度便開始下降。隨著硅粉摻量增加，透水性能略有增加［11］。綜合考慮圖1～6，可以選擇水灰比為0.24，骨膠比為1∶4，添加1.5%減水劑和6%硅粉摻量的透水混凝土作為最佳配比。

圖6 透水混凝土抗壓強(qiáng)度與硅粉摻量關(guān)系

3 結(jié) 語

通過對不同水灰比、骨膠比、外加劑和硅粉摻量的透水混凝土試件的立方體抗壓強(qiáng)度和透水性能實(shí)驗(yàn)，分析了水灰比、骨膠比、外加劑和硅粉對透水混凝土力學(xué)和透水性能的影響。提出了水灰比為0.24，骨膠比為1∶4，添加1.5%減水劑和6%硅粉摻量作為透水混凝土的最佳配比。