增強材料對透水混凝土性能的影響*

張東培，劉蘇南，田志剛，張 豐，白 銀，寧逢偉，胡海明

(1.揚州市水利局，江蘇 揚州 225200； 2.揚州市瓜洲泵站工程建設處，江蘇 揚州 225200；3.揚州市城市河道管理處，江蘇 揚州 225200； 4.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029)

0 引言

透水混凝土是由粗骨料及水泥基膠結料經拌合而成的具有連續(xù)孔隙結構的混凝土，其與普通混凝土最大的區(qū)別在于無細骨料。透水混凝土內部含有較多孔隙，且多為直徑>1mm大孔，因此具有良好的透水性，但強度較普通混凝土低，采用強度等級為C15，C20的較少，C25及以上的透水混凝土更是少見。

自20世紀中期開始，我國對透水混凝土進行了較深入的研究，并將研究成果應用到北京奧運村廣場和上海世博園等重點項目中[1]。我國陸續(xù)發(fā)布了關于透水混凝土的標準，如CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術規(guī)程》、CJJ/T 253—2016《再生骨料透水混凝土應用技術規(guī)程》、DB33/T 1153—2018《透水混凝土路面應用技術規(guī)程》等[2-4]。通過在粗骨料中摻入較細骨料的方式提高強度，細骨料摻量為粗骨料的5%～10%。由已有研究結果發(fā)現[5]，碎石和卵石的選擇、粒徑級配、孔隙率和水灰比等是限制透水混凝土應用的主要因素。程娟等[6]研究發(fā)現，摻入硅灰可有效填充水泥漿體的毛細孔隙，對透水系數的影響較小，可有效提高透水混凝土強度，理想摻量約為6%。潘杰[7]通過摻入適量礦物摻合料和外加劑，研制出抗壓強度30MPa、透水系數1.5mm/s的高性能透水混凝土。楊靜等[8]選用小粒徑骨料，加入礦物摻合料和有機增強劑，研制出抗壓強度>40MPa、透水性良好的透水混凝土?；袅羀9]研究發(fā)現，摻入礦物摻合料可有效提高透水混凝土力學性能。

本文在滿足透水系數≥1.0mm/s的前提下，采用正交試驗研究增黏劑A、增強劑B、硅粉、聚丙烯纖維對透水混凝土連續(xù)孔隙率、透水系數、抗壓強度的影響，確定增強材料最優(yōu)組合及關鍵組分。

1 原材料

1.1 水泥

采用P·II52.5硅酸鹽水泥和P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其物理力學性能測試結果如表1所示，所檢水泥各項指標均滿足GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的技術要求。

1.2 粗骨料

采用5～16mm連續(xù)級配碎石，測得其表觀密度為2 810kg/m3，緊密堆積密度為1 680kg/m3，含泥量為0.7%，壓碎值為15.9%，所檢指標均滿足SL 677—2014《水工混凝土施工規(guī)范》的技術要求。

1.3 增強材料

通過查閱文獻，選用增黏劑A、增強劑B、硅粉、聚丙烯纖維作為增強材料，其中硅粉(920U型半加密硅粉)密度為2.20g/cm3，28d活性指數為93%，聚丙烯纖維(J-02型聚丙烯纖維)長6mm。

1.4 其他

采用HLC-PC102型聚羧酸系高性能減水劑，推薦折固摻量為0.16%～0.30%，減水率≥28%。拌合水采用當地自來水。

2 試驗概況

2.1 試件制備

參照《再生骨料透水混凝土應用技術規(guī)程》進行混凝土配合比設計，選定目標孔隙率為15%，水灰比為0.27，摻減水劑(摻量0.05%)調整拌合物至“標準狀態(tài)”(表面發(fā)亮、有光澤，且漿體不會積聚在骨料下面)。水泥∶水∶粗骨料為425∶115∶1 642。 將骨料、膠材等加入攪拌機內干拌30s混合均勻，然后邊攪拌邊均勻加入水(預先加入減水劑并混合均勻)，攪拌180s后出料裝模[10]。采用人工插搗方式成型[11]，將拌合物分2層裝入試模，每層用振搗棒均勻插搗15次，并用抹刀抹平表面(可用配重塊適當碾壓)。

2.2 連續(xù)孔隙率測定

參照《再生骨料透水混凝土應用技術規(guī)程》規(guī)定測定連續(xù)孔隙率，試件尺寸為100mm×100mm×100mm。首先將試件放入(105±5)℃烘箱中烘干至恒重，取出后冷卻至室溫后，用游標卡尺測量試件尺寸，并計算體積V；然后將試件完全浸泡水中，待無氣泡出現時稱得試件在水中質量m1；最后將試件放入60℃烘箱中烘24h后稱得質量m2。按下式計算連續(xù)孔隙率Cvoid：

Cvoid=[1-(m2-m1)/(V·ρ)]×100%

(1)

2.3 透水系數測定

參照《透水水泥混凝土路面技術規(guī)程》中定水頭法測定透水混凝土透水系數，成型試件尺寸為φ100mm×200mm，養(yǎng)護7d后將其切割成尺寸為φ100mm×60mm的試件。按下式計算透水系數kT：

kT=Q·L/(A·H·t)

(2)

式中：Q為時間t內滲出的水量(mm3/s)；L為試件厚度(mm)；A為試件上表面積(mm2)；H為水位差(mm)；t為時間(s)。

2.4 抗壓強度測定

參照DL/T 5150—2017《水工混凝土試驗規(guī)程》有關規(guī)定測定試件抗壓強度，將100mm×100mm×100mm混凝土試件帶模放入(20±1)℃標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護，24h拆模后繼續(xù)養(yǎng)護至指定齡期后取出，在計算機控制電液伺服萬能試驗機上加載，受壓面積0.01m2(100mm×100mm)，壓力機精度不低于±2%。

2.5 正交試驗

正交試驗設計指的是依據正交性的原理在全面的試驗中選擇具有代表性的試驗方案進行相關試驗，所選試驗方案具有“均勻分散、整齊可比”的特點，用部分試驗代替全面試驗，通過對部分試驗結果的分析了解全面試驗的情況。在前期單摻試驗的基礎上，開展四因素三水平正交試驗，其中聚丙烯纖維采用混凝土體積摻量，其余組分采用膠材質量摻量，如表2所示。

表2 因素水平

3 試驗結果與分析

3.1 正交試驗分析

透水混凝土連續(xù)孔隙率、透水系數和28d抗壓強度試驗結果如表3所示。由表3可知，摻增強材料后，透水混凝土試件連續(xù)孔隙率均有一定程度減小，減小幅度為4%～31%。連續(xù)孔隙率較大的為Z1，Z2，Z8，Z9組試件，與未摻增強材料試件接近。透水系數較大的為Z1，Z8，Z9組試件，均>2.0mm/s，與未摻增強材料試件接近。摻增強材料后，透水混凝土試件28d抗壓強度均提高，其中Z4，Z5組試件28d抗壓強度較高，說明增強組分的摻入對透水混凝土強度提高有利，Z5組透水混凝土28d抗壓強度最高達29.7MPa，較對比樣提高了50%。

表3 透水混凝土連續(xù)孔隙率、透水系數和28d抗壓強度

透水混凝土正交試驗結果如表4～6所示。由表4可知，對透水混凝土連續(xù)孔隙率而言，增強材料最優(yōu)組合為0.50%增強劑B+2%硅粉；硅粉摻量對連續(xù)孔隙率的影響最大，增黏劑A摻量次之，增強劑B和聚丙烯纖維摻量的影響較小。

表4 連續(xù)孔隙率各水平總和與極差

由表5可知，對透水混凝土透水系數而言，增強材料最優(yōu)組合為0.05%增強劑B+2%硅粉；硅粉和增黏劑A摻量對透水系數的影響較大，聚丙烯纖維摻量的影響最小。

表5 透水系數各水平總和與極差

由表6可知，對透水混凝土28d抗壓強度而言，增強材料最優(yōu)組合為1%增黏劑A+0.5%增強劑B+6%硅粉+0.2%聚丙烯纖維；硅粉摻量對28d抗壓強度的影響最大，增黏劑A摻量次之，增強劑B和聚丙烯纖維摻量的影響較小。

表6 28d抗壓強度各水平總和與極差

對3次試驗得到的連續(xù)孔隙率、透水系數、28d抗壓強度平均值進行分析，結果如圖1所示。在選定的增強材料種類及其摻量范圍內，透水混凝土連續(xù)孔隙率隨增黏劑A摻量的增加，連續(xù)孔隙率先減小后增大；隨增強劑B摻量的增加，連續(xù)孔隙率先增大后減小；隨硅粉、聚丙烯纖維摻量的增加均逐漸減小，其中硅粉摻量影響較大。透水混凝土透水系數隨增黏劑A、增強劑B摻量的增加均先減小后增大，隨硅粉摻量的增加逐漸減小，隨聚丙烯纖維摻量的增加小幅度增大。透水混凝土28d抗壓強度隨增黏劑A摻量的增加先增大后減小，隨增強劑B摻量的增加逐漸減小，隨硅粉摻量的增加逐漸增大，隨聚丙烯纖維摻量的增加先減小后增大。

圖1 透水混凝土連續(xù)孔隙率、透水系數與28d抗壓強度變化曲線

綜上所述，在選定增強材料種類及其摻量范圍內，增強材料的摻入會使透水混凝土連續(xù)孔隙率、透水系數降低，但可一定程度提高其28d抗壓強度。其中，硅粉對透水混凝土連續(xù)孔隙率、透水系數或28d抗壓強度均起了重要作用，為關鍵組分，摻量越大，透水混凝土越密實，抗壓強度提高顯著，但連續(xù)孔隙率、透水系數也明顯降低。為保證透水混凝土具有一定透水性，并考慮經濟因素，最終選定增強材料最優(yōu)組合為1%增黏劑A+0.5%增強劑B+2%硅粉+0.1%聚丙烯纖維，記為A。

3.2 重復性驗證

為更好地驗證由正交試驗得出的增強材料最優(yōu)組合方案A的可靠性，分別采用P·II52.5水泥和P·O52.5水泥，外摻A增強組分進行試驗，測試透水混凝土的連續(xù)孔隙率、透水系數、28d抗壓強度，結果如表7所示。

表7 摻增強組分透水混凝土連續(xù)孔隙率、透水系數和28d抗壓強度

由表7可知，相同條件下，A增強材料的摻入使透水混凝土連續(xù)孔隙率、透水系數均有一定程度減小，但變化并不顯著，連續(xù)孔隙率減小4%～20%，透水系數減小4%～23%，且摻A增強材料后透水混凝土透水系數仍滿足kT≥1mm/s的指標要求。而A增強材料的摻入，對透水混凝土強度提高作用明顯，采用P·II52.5水泥時，透水混凝土28d抗壓強度較對比樣提高了59%，達到34.7MPa；采用P·O42.5 水泥時，28d抗壓強度也提高39%，增強效果顯著。這驗證了A增強材料作用效果的可靠性。

4 工程應用

以某工程為例，外摻1%增黏劑A、0.5%增強劑B、2%硅粉和0.1%聚丙烯纖維的增強材料制備透水混凝土，配合比如表8所示。透水混凝土采用人工插搗方式成型，測得其連續(xù)孔隙率、透水系數、抗壓強度、抗彎強度、抗凍性能等，如表9所示。

表8 透水混凝土配合比

表9 透水混凝土綜合性能

由表9可知，采用P·II52.5和P·O42.5水泥制備的透水混凝土28d抗壓強度可達29.6～39.6MPa，彎拉強度可達5.68～6.34MPa；經50次凍融循環(huán)后的抗壓強度損失率均滿足≤20%的要求，質量損失率均滿足≤5%的要求。結果表明，復摻1%增黏劑A、0.5%增強劑B、2%硅粉和0.1%聚丙烯纖維可明顯改善透水混凝土綜合性能，在滿足透水系數kT≥1mm/s的條件下，制備的透水混凝土28d抗壓強度接近30MPa、28d彎拉強度>5.0MPa，使透水混凝土具有高強度、高透水性的特點。

5 結語

1)通過正交試驗對多種增強材料進行優(yōu)選，得到增強材料最優(yōu)組合為1%增黏劑A+0.5%增強劑B+2%硅粉+0.1%聚丙烯纖維，其中增黏劑A和硅粉為關鍵組分，對透水混凝土連續(xù)孔隙率、透水系數、28d抗壓強度起重要作用。

2)利用增強材料最優(yōu)組合制備透水混凝土時，可明顯改善透水混凝土綜合性能，使透水混凝土具有高強度、高透水性的特點，透水系數為1.51～2.05mm/s，28d抗壓強度可達29.6～39.6MPa，28d彎拉強度可達5.68～6.34MPa。