不同粒徑骨料級配與粉煤灰摻量對透水混凝土性能的影響

徐 飛

(葫蘆島市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 葫蘆島 125000)

由于未使用或使用少量細(xì)骨料，透水混凝土具有多孔隙特征和優(yōu)異的透水性能，對維護生態(tài)平衡、緩解城市“熱島效應(yīng)”、減輕城市道路內(nèi)澇災(zāi)害以及“海綿城市”建設(shè)等發(fā)揮著重要作用[1-3]。此外，因強度低而孔隙較多的特點，透水混凝土被大規(guī)模應(yīng)用于路面的報道還較少。

透水混凝土作為一種生態(tài)友好型材料，其應(yīng)用價值和透水性能逐漸引起許多學(xué)者的重點關(guān)注，如吳堃等[4]提出粉煤灰的加入會降低混凝土的透水性能，試樣抗壓強度表現(xiàn)出先增大后減小的變化特征；李瑞豐等[5]研究認(rèn)為以70%～80%的骨料吸水率作為要加入的最佳附加水量，由此制備的透水混凝土各項性能及效果均優(yōu)于傳統(tǒng)制備工藝，從而有效解決了水泥漿沉底的問題；VIERA等將天然骨料利用再生骨料來替代，并通過微觀孔隙試驗、滲透試驗、力學(xué)強度試驗、表面磨損試驗和孔隙堵塞試驗，并提出再生骨料含量越高則試樣表面磨損越嚴(yán)重，透水混凝土孔隙含量與宏觀結(jié)構(gòu)性質(zhì)之間具有較好關(guān)系；蔣興教等[6]利用平面孔隙二值比法和數(shù)學(xué)模型模擬了孔隙結(jié)構(gòu)，提出骨料粒徑和設(shè)計孔隙率的增大均會影響混凝土的透水性及強度，其中影響更加顯著的是骨料粒徑；江昭明等[7]分析了各因素對透水系數(shù)和抗壓強度的影響程度，認(rèn)為目標(biāo)孔隙率<水膠比<骨灰比的影響，骨灰比3.8、目標(biāo)孔隙率15%且水膠比0.34時的透水混凝土性能最優(yōu)；唐海玥等[8]研究表明用骨料粒徑9.5～16.0mm、水膠比0.25～0.30配制的透水混凝土性能最優(yōu)；曾偉等[9]探討了透水混凝土性能受孔隙率、骨料粒徑、水膠比的影響，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)建立設(shè)計孔隙率與有效孔隙率的回歸方程。此外，有些學(xué)者利用廢棄的骨料制備透水混凝土，從微觀和宏觀上探討了再生骨料透水混凝土性能，揭示出其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)、透水性能以及力學(xué)性能之間的變化規(guī)律[10-13]。

綜上分析，雖然選用較小粒徑1～5mm骨料制備的透水混凝土具有較好的力學(xué)性能，但其孔隙率偏低，難以達(dá)到理想的透水效果；選用粒徑10～15mm骨料制備的透水混凝土具有良好的透水性能和較高的孔隙率，但力學(xué)性能較差。因此，透水系數(shù)和強度作為主要性能指標(biāo)，兩者之間存在一定的矛盾關(guān)系。此外，摻入適量的粉煤灰既可以節(jié)約成本，還有利于增強透水混凝土強度。鑒于此，文章選用10～15mm、5～10mm和1～5mm不同粒徑骨料進行雙級配混合，試驗用固定水灰比0.35，探討試樣透水系數(shù)、抗壓強度受粉煤灰摻量的影響規(guī)律，旨在為工程應(yīng)用及類似研究提供一定借鑒。

1 試驗方法

1.1 原材料準(zhǔn)備

1)水泥。試驗選用海螺P·O42.5通用硅酸鹽水泥，其初凝和終凝時間180min、305min，表觀密度3100kg/m3。

2)粉煤灰。試驗選用綏中電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，粉煤灰的品質(zhì)指標(biāo)，見表1。

表1 粉煤灰的品質(zhì)指標(biāo)

3)骨料。試驗選用10～15mm、5～10mm和1～5mm不同粒徑花崗巖碎石進行雙級配混合，人工碎石的品質(zhì)指標(biāo)，見表2。

表2 人工碎石的品質(zhì)指標(biāo)

4)外加劑。試驗選用青島華鐵HT-300聚羧酸高效減水劑，減水率20%。

5)水。拌合水選用當(dāng)?shù)刈詠硭?/p>

1.2 骨料配合比

透水混凝土配合比擬利用體積法計算確定，取膠凝材料用量的0.5%作為減水劑摻量，骨料配合比設(shè)計，見表3，其中G1組代表骨料粒徑5～10mm、粉煤灰摻量0%的標(biāo)準(zhǔn)試件。為達(dá)到理想的透水效果，設(shè)計目標(biāo)孔隙率20%。然后結(jié)合骨料級配試驗數(shù)據(jù)，確定最優(yōu)級配和水膠比，設(shè)計10%、20%、30%三種粉煤灰摻量，探討透水混凝土性能受粉煤灰影響特征。

表3 骨料配合比設(shè)計

1.3 成型方式

制備的透水混凝土為100mm×100mm×100mm試件，每組有3個。試驗選用二次投料法配制拌合物，具體流程為：先將50%拌合水與全部骨料混合攪拌30s，再把規(guī)定摻量的粉煤灰和全部水泥加入并攪拌60s，然后加入減水劑和剩余50%拌合水再次攪拌90s，拌合均勻后倒出混合料。

為保證各組試件的透水性能和抗壓強度，成型時選用手工插搗的方式，分三層將拌合物裝入模具，每層裝填完成后，沿四周向中心用插搗棒均勻打圈式插到30次，最后沿水平方向用插搗棒施加約0.5MPa的力，將試件表面抹平后成型。成型后，采用塑料薄膜覆蓋試樣表面，室內(nèi)靜置24h后拆模放入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護。

1.4 測試方法

1)有效孔隙率的測試。孔隙率利用重量法進行測試，其主要流程有：先從養(yǎng)護室取出養(yǎng)護至規(guī)定齡期的試件，為保證混凝土吸水飽和完全浸入水中24h，并測定水中試件質(zhì)量m2；然后取出試件，將表面水分擦干后放入烘箱烘干，保持恒溫24h后取出測定干燥試件質(zhì)量m1，計算確定試件體積V，利用下式計算有效孔隙率P，即：

(1)

2)透水系數(shù)的測試。透水系數(shù)利用定水頭法進行測試，試驗裝置選用自制簡易測定儀，試驗過程嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范，透水系數(shù)K(mm/s)的計算公式如下：

(2)

式中：Q、L為t秒內(nèi)透水試件流出的水量，mm3；試件的厚度，mm；A為試件的底面積，mm2；H為液面水位差，mm；t為測試時間，s。

(3)單軸壓縮試驗?？箟簭姸壤肈YE-2000型全自動壓力試驗機進行測試，相關(guān)方法嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，抗壓強度f(MPa)按公式(3)計算確定，即：

(3)

式中：A為試件受壓面積，mm2；F為其破壞時的荷載值，N。設(shè)定加載速率0.2MPa/s，最終的抗壓強度取3個試件的平均值乘以換算系數(shù)0.95確定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同骨料混合比例

透水系數(shù)及其抗壓強度受不同骨料混合比例的影響規(guī)律，不同骨料混合比例的透水性能和抗壓強度，見圖1。由表1可知，透水混凝土中摻兩種混合粒徑骨料時具有較高的抗壓強度，其透水系數(shù)相對較低。

從圖(1)中，復(fù)摻雙粒級1～5mm和5～10mm骨料時，透水混凝土的抗壓強度隨較小粒徑骨料混合比例的增加明顯增大，從18.6MPa逐漸增加至22.4MPa，上升幅度達(dá)到20.43%?；旌媳壤龔腉2變成G3時，試件的透水系數(shù)明顯減小，減小幅度達(dá)到51.64%。因此，透水混凝土抗壓強度在骨料混合比例m1～5mm：m5～10mm=7：3時最高，但透水系數(shù)較小只有0.43mm/s。

(a)m1～5mm：m5～10mm (b)m5～10mm：m10～15mm

從圖1(b)中，復(fù)摻雙粒級5～10mm和10～15mm骨料時，透水混凝土的抗壓強度隨較大粒徑骨料混合比例的增加呈先增大后減小的變化趨勢，骨料混合比例為3:7時透水混凝土的抗壓強度最小，較混合比例5：5時的抗壓強度減小11.79%。透水混凝土抗壓強度在骨料混合比例m5～10mm：m10～15mm=5：5時最高，其透水系數(shù)1.54mm/s。因此，G5～G6加入較大粒徑骨料組較G2～G4加入較小粒徑骨料組的雙粒級配透水性能更優(yōu)。

究其原因，隨著5～10mm骨料用量的減少以及1～5mm骨料用量的增多，兩種混合粒徑級配逐漸達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，骨料整體級配不斷改善。同時，透水混凝土內(nèi)部的膠凝材料與骨料顆粒之間的接觸面積增多，膠凝材料與骨料的黏結(jié)強度隨之增強，相應(yīng)的強度也發(fā)生改變。此外，內(nèi)部顆粒的緊密結(jié)合程度隨著小粒徑骨料的增多而增大，孔隙率會逐漸減小到一定的臨界點，從而降低了其透水性能[14]。反之，不斷增加10～15mm骨料用量時使得整體骨料粒徑變大，骨料之間的接觸點逐漸減小，內(nèi)部的孔隙隨之增多，從而提高了混凝土的透水性能，降低了抗壓強度。

試驗檢測各組試件的孔隙率和透水系數(shù)，孔隙率和透水系數(shù)試驗值，見表3。由表3可知，透水系數(shù)與孔隙率之間存在正相關(guān)關(guān)系，即孔隙率越高則透水系數(shù)越大，該結(jié)論與文獻資料保持一致。

表3 孔隙率和透水系數(shù)試驗值

具體而言，G4組透水混凝土的有效孔隙率最低為15.33%，在透水混凝土中加入10～15mm雙粒級骨料可以逐漸提升有效孔隙率，G7組透水混凝土的有效孔隙率最高達(dá)到21.22%。究其原因，透水混凝土的內(nèi)部孔隙隨著較大粒徑骨料的增多而增大，其透水性能隨之明顯提高。

2.2 不同粉煤灰摻量

根據(jù)前文分析結(jié)果，骨料混合比例m5～10mm：m10～15mm=5：5和m1～5mm：m5～10mm=7：3時透水混凝土的抗壓強度最佳，通過對比分析發(fā)現(xiàn)m5～10mm：m10～15mm=5：5組的透水性能更好。所以，文章維持混合比例m5～10mm：m10～15mm=5：5不變，進一步探討了透水系數(shù)和強度受10%、20%、30%粉煤灰摻量的影響。不同粉煤灰摻量的透水系數(shù)、抗壓強度測試結(jié)果，不同粉煤灰摻量組的透水系數(shù)和抗壓強度，見圖2。

圖2 不同粉煤灰摻量組的透水系數(shù)和抗壓強度

從圖2可以看出，粉煤灰摻量從0%不斷提高到20%時透水混凝土的28d抗壓強度明顯增大，20%粉煤灰摻量時抗壓強度達(dá)到最高的21.6MPa。同時，隨粉煤灰摻量增大混凝土的透水系數(shù)表現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，粉煤灰摻量20%時的透水系數(shù)達(dá)到最小的1.46mm/s，較未摻粉煤灰組其抗壓強度增加了10.8%，雖然透水系數(shù)小幅減小，但總體趨于穩(wěn)定。因此，研究認(rèn)為透水混凝土綜合性能在粉煤灰摻量20%時達(dá)到最優(yōu)。

2.3 透水混凝土微觀分析

對透水混凝土性能受粉煤灰的影響機理，從微觀上利用SEM掃描電鏡進行分析，測得摻20%粉煤灰組和未摻粉煤灰組28d的SEM圖。

透水混凝土表面分布有一定量的粉煤灰顆粒，晶體顆粒疏松、無序排布且含有少量孔隙，推斷這些納米級的球形顆粒是Al2O3、SiO2、C-A-H、C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物，這些產(chǎn)物填充了骨料之間的細(xì)小孔隙，從而發(fā)揮一定的土料填充效應(yīng)，骨料之間的黏結(jié)面積增大，故抗壓強度也隨之增大。晶體結(jié)構(gòu)多孔疏松，并且呈片成樁及柱狀，由C、Al、Si、Ca、O等元素構(gòu)成水化產(chǎn)物，推斷主要有CaCO3、C-A-H和C-S-H凝膠。

3 結(jié) 論

1)透水混凝土抗壓強度隨小粒徑骨料比例的增大表現(xiàn)出不斷增大趨勢，骨料混合比例m5～10mm：m10～15mm=5：5和m1～5mm：m5～10mm=7：3時透水混凝土的抗壓強度最佳，力學(xué)性能相對較好。

2)從透水性能上，透水混凝土內(nèi)部孔隙隨不同骨料粒徑的變化而變化，摻入10～15mm粒徑的骨料相比于摻1～5mm粒徑的骨料可以更好地提高透水系數(shù)，在保證相對高強的情況下混合比例m5～10mm：m10～15mm=5：5時混凝土的透水性能良好。

3)隨著粉煤灰摻量的增加，透水混凝土強度表現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，透水系數(shù)表現(xiàn)出先減小而增大的變化趨勢，粉煤灰顯著影響著混凝土的強度和透水系數(shù)。20%粉煤灰摻量時試件的抗壓強度達(dá)到最高的21.6MPa，透水系數(shù)達(dá)到最小的1.46mm/s，雖然透水系數(shù)小幅減小，但總體趨于穩(wěn)定，研究認(rèn)為此時透水混凝土的綜合性能達(dá)到最優(yōu)。

4)通過微觀分析發(fā)現(xiàn)，粉煤灰作為一種礦物摻合料含有許多納米級球型顆粒，這些微小顆粒改善透水混凝土的密實程度和內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高了其抗壓強度，微觀分析結(jié)果與宏觀測試數(shù)據(jù)保持一致。