低砂取代率透水混凝土的力學(xué)性能和凍融耐久性能研究

周書林 ， 王 華， 王祺順 ， 王文盛, 張 偉

(1.廣西壯族自治區(qū)公路發(fā)展中心， 廣西 南寧 530028； 2.廣西交科集團(tuán)有限公司， 廣西 南寧 530007； 3.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司, 湖南 長沙 410015； 4.吉林大學(xué)， 吉林 長春 130022； 5.中國電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 貴州 貴陽 550000)

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市地表被不透水鋪裝大面積覆蓋，造成了城市內(nèi)澇、熱島效應(yīng)、地下水位下降和交通噪音污染等城市問題[1-3]。透水混凝土是一種環(huán)境友好型的路面材料，具有透水、透氣、吸聲降噪等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。透水混凝土主要是由開級(jí)配材料(粗骨料和水泥)組成，不含或含有少量的細(xì)骨料，具有多孔結(jié)構(gòu)，以滿足滲透性要求，但隨著滲透性的增加，透水混凝土的強(qiáng)度降低[7-9]。并且由于透水混凝土的多孔結(jié)構(gòu)，與密實(shí)混凝土相比，耐久性較差，這阻礙了透水混凝土在季凍區(qū)的應(yīng)用[10-13]。因此，改善透水混凝土的力學(xué)性能和凍融耐久性能是十分必要的。

部分學(xué)者研究了砂率對(duì)透水混凝土強(qiáng)度和滲透性能的影響。王慶利[14]等研究了不同砂率條件下再生透水混凝土的強(qiáng)度和滲透性能，結(jié)果表明，隨著砂率的增加再生透水混凝土的強(qiáng)度增加而滲透性能降低。KANT SAHDEO[15]等報(bào)道了添加少量的細(xì)砂能有效地改善透水混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗硫酸鹽腐蝕性。BONICELLI[16]等研究表明在透水混凝土中加入骨料質(zhì)量5%的細(xì)砂有助于提高透水混凝土的強(qiáng)度和表面性能，但會(huì)降低透水混凝土的滲透性能。

部分學(xué)者研究了透水混凝土的凍融耐久性。陳春[17]等采用10%、30%和50%的再生骨料替代天然骨料，進(jìn)行了凍融耐久性研究，結(jié)果表明，隨著再生骨料摻量增加，透水混凝土的凍融耐久性下降。ZOU[18]等針對(duì)含再生骨料的透水混凝土耐久性較差的問題，采用2種硅烷乳液對(duì)再生骨料表面進(jìn)行改性，結(jié)果表明，改性劑可以有效地提高含再生骨料透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和凍融耐久性。王子[19]等在透水混凝土中加入了不同粒徑(20目、60目和80目)和不同摻量(6%、8%和12%)的橡膠粉，進(jìn)行了凍融耐久性研究，結(jié)果表明，橡膠粉的加入略微降低了滲透性和強(qiáng)度，但顯著地提高了凍融耐久性，并建議加入6%和80目的橡膠粉。

雖然有學(xué)者對(duì)透水混凝土的性能進(jìn)行了研究，但很少關(guān)于低砂取代率透水混凝土(Low-Sand Replacement Rate Pervious Concrete，SPC)的凍融耐久性的研究。本研究采用等質(zhì)量替代法，研究不同砂取代率(0%、2%、4%、6%、8%和10%)對(duì)SPC強(qiáng)度、滲透性和凍融耐久性的影響，并得出最佳砂取代率，為SPC在季凍區(qū)的工程應(yīng)用和后續(xù)研究提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

粗骨料采用玄武巖粗骨料(4.75～9.5 mm)，其性能指標(biāo)如下：粒徑4.75～9.5 mm，表觀密度2 786 kg/m3，堆積密度1 534 kg/m3，堆積孔隙率44.9 %，壓碎值9.7%，針片狀含量7.1%，吸水率1.63%。細(xì)骨料采用表觀密度為2 552 kg/m3的河砂，細(xì)度模量為2.7。采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料，其性能指標(biāo)如表1所示。采用減水率為25%的聚羧酸高效減水劑來提高混合料的和易性。拌和水為自來水。

表1 水泥性能指標(biāo)Table 1 Basic properties of portland cement密度/(kg·m-3)比表面積/(m2·kg-1)凝結(jié)時(shí)間/min抗壓強(qiáng)度/MPa抗折強(qiáng)度/MPa初凝終凝3 d28 d3 d28 d測(cè)定結(jié)果2 96034218225121.847.64.77.5

1.2 配合比設(shè)計(jì)

以0%、2%、4%、6%、8%和10%的中砂等質(zhì)量替代粗骨料，分別記為SPC0、SPC2、SPC4、SPC6、SPC8 和SPC10?；诂F(xiàn)有的研究，水膠比為0.3，設(shè)計(jì)孔隙率為15%，減水劑用量為水泥質(zhì)量的0.5%[20]。SPC的配合比如表2所示。

表2 配合比Table 2 Mix proportionkg/m3編號(hào)粗骨料水泥水減水劑砂SPC01 503.32486.56145.962.430.00SPC21 473.25486.56145.962.4330.07SPC41 443.19486.56145.962.4360.13SPC61 413.12486.56145.962.4390.20SPC81 383.05486.56145.962.43120.27SPC101 352.99486.56145.962.43150.33

1.3 試件制備

本研究采用水泥裹石攪拌法和插搗成型法制作了90個(gè)100 mm×100 mm×100 mm立方體試件和18個(gè)100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試件。試件成型后，采用塑料膜覆蓋表面，防止水分蒸發(fā)。靜置24 h后脫模，在標(biāo)準(zhǔn)條件下(溫度(20±2)℃，相對(duì)濕度95%)養(yǎng)護(hù)28 d，養(yǎng)護(hù)結(jié)束后立即進(jìn)行孔隙率、透水系數(shù)和力學(xué)性能試驗(yàn)。凍融循環(huán)試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 d后浸水養(yǎng)護(hù)4 d，再進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1有效孔隙率

SPC的有效孔隙率采用排水法，采用100 mm×100 mm×100 mm的立方試件來測(cè)試，計(jì)算公式如下:

(1)

式中：P為有效孔隙率，%；m1為試件水中重，g；m2為試件飽和面干質(zhì)量，g；ρw為20 ℃水的密度，g /cm3；Vo為試件的毛體積，cm3。

1.4.2滲透系數(shù)

根據(jù)《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 135-2009)，采用定水頭法測(cè)定SPC的滲透系數(shù)[21]。試件側(cè)面采用塑料薄膜包裹，試件上下表面與儀器側(cè)壁間的縫隙采用輕質(zhì)黏土密封，以保證垂直滲流，滲透系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。滲透系數(shù)計(jì)算公式如下:

圖1 滲透系數(shù)試驗(yàn)裝置示意圖

(2)

式中：kT為滲透系數(shù)，mm/s；Q為時(shí)間t內(nèi)的出水量，mm3；L為試件高度，mm；A為試件上表面積，mm2；H為水頭高度，mm；t為集水時(shí)間，t=300 s。

1.4.3力學(xué)性能

根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)，對(duì)SPC的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試[22]?？箟簭?qiáng)度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)如圖2所示?？拐蹚?qiáng)度采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，支點(diǎn)距離為300 mm，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)如圖3所示?？箟簭?qiáng)度和抗折強(qiáng)度計(jì)算公式如下:

圖2 抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

圖3 抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

(3)

(4)

式中：fc為抗壓強(qiáng)度，MPa；ff為抗折強(qiáng)度，MPa；F為破壞荷載，N；A為試件的承壓表面積，mm2；

L為2支撐點(diǎn)的距離，L=300 mm；b為試件截面寬度，b=100 mm；h為試件截面高度，h=100 mm。

1.4.4凍融耐久性

根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T (50082-2009)，采用快冷凍法進(jìn)行凍融耐久性試驗(yàn)[23]。每25次凍融循環(huán)觀察試件表面裂縫和剝落情況，并測(cè)定抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 有效孔隙率和滲透系數(shù)

滲透系數(shù)是透水混凝土的關(guān)鍵指標(biāo)，有效孔隙率對(duì)透水混凝土的透水性能有影響，在本文中分析了SPC的有效孔隙率和滲透系數(shù)。有效孔隙率、滲透系數(shù)與其標(biāo)準(zhǔn)差的試驗(yàn)結(jié)果見表3。砂取代率對(duì)有效孔隙率和滲透率系數(shù)的影響如圖4所示。透水混凝土的有效孔隙率與滲透系數(shù)的關(guān)系如圖5所示。

圖5 SPC有效孔隙率與滲透系數(shù)的關(guān)系

由圖4可知，隨著砂取代率的增加，SPC的有效孔隙率和滲透率先下降而后增長。當(dāng)砂取代率達(dá)到8%時(shí)，SPC的有效孔隙率和滲透系數(shù)達(dá)到最低值，其中，有效孔隙率從14.53%下降到6.99%，滲透系數(shù)從3.93 mm/s下降到2.47 mm/s。其原因

表3 SPC的有效孔隙率和滲透系數(shù)Table 3 Effective porosity and permeability coefficient of SPC編號(hào)有效孔隙率/%滲透系數(shù)/(mm·s-1)平均值標(biāo)準(zhǔn)差平均值標(biāo)準(zhǔn)差SPC014.530.293.930.07SPC214.280.263.820.11SPC413.310.243.610.08SPC611.240.183.230.10SPC86.990.132.470.09SPC108.520.162.780.06

圖4 砂取代率對(duì)有效孔隙率和滲透系數(shù)的影響

是砂取代部分粗骨料，導(dǎo)致SPC級(jí)配更加合理，砂填充了粗骨料之間的部分孔隙，從而導(dǎo)致SPC的有效孔隙率和滲透系數(shù)的降低。當(dāng)砂取代率超過8%時(shí)，SPC的有效孔隙率和滲透系數(shù)隨著砂取代率的增加而增加，當(dāng)砂取代率增加時(shí)，砂的填充作用逐漸減弱，從而導(dǎo)致SPC有效孔隙率和滲透系數(shù)的增加。由圖5可知，隨著有效孔隙度的增加，SPC的滲透系數(shù)增大。滲透率系數(shù)與有效孔隙度呈正相關(guān)，這表明有效孔隙率對(duì)SPC的透水性有較大的影響。同時(shí)也解釋了圖4中滲透系數(shù)隨砂取代率的增加呈先下降而后上升趨勢(shì)的原因。

2.2 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度

強(qiáng)度是透水混凝土在土工程應(yīng)用中的技術(shù)指標(biāo)，在本文中采用抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度表征透水混凝土的強(qiáng)度。SPC的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度見表4。砂取代率對(duì)SPC抗壓強(qiáng)度的影響如圖6所示。砂取代率對(duì)SPC抗折強(qiáng)度的影響如圖7所示。

表4 SPC的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度Table 4 Compressive strength and flexural strength of SPC編號(hào)抗壓強(qiáng)度/MPa抗折強(qiáng)度/MPa平均值標(biāo)準(zhǔn)差平均值標(biāo)準(zhǔn)差SPC022.370.414.850.09SPC223.500.334.960.06SPC424.010.515.090.05SPC627.280.285.230.07SPC829.280.315.390.09SPC1027.650.345.260.10

圖6 砂取代率對(duì)SPC抗壓強(qiáng)度的影響

從圖6中可以看出，SPC的抗壓強(qiáng)度隨著砂取代率的增加先增加而后降低。當(dāng)砂取代率增加到8%時(shí)，SPC抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高為29.28 MPa，與砂取代率為0的PC相比，砂取代率8%的SPC抗壓強(qiáng)度增加了30.89%。砂取代了部分天然粗骨料，SPC混合料中添加了細(xì)骨料，使混合料的級(jí)配更加合理，此外，砂填充了粗骨料之間的孔隙，從而提高了SPC的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)砂取代率超過8%時(shí)，隨著砂取代率的增加，SPC的抗壓強(qiáng)度降低，這與砂取代過多的天然粗骨料有關(guān)，粗骨料在SPC混合料中起主要承載作用，粗骨料的減少會(huì)導(dǎo)致透水混凝土的強(qiáng)度降低。從SPC抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)中可以看出，當(dāng)砂取代率小于4%時(shí)，SPC抗壓強(qiáng)度的增加不明顯；砂取代率大于4%時(shí)，SPC的強(qiáng)度出現(xiàn)明顯增加，這表明添加一定量的砂才能有效地提高透水混凝土抗壓強(qiáng)度。

SPC的抗折強(qiáng)度隨著砂取代率的變化如圖7所示。由圖7可知，隨著砂取代率的增加，SPC的抗折強(qiáng)度先增加而后減少，這與砂取代率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響是一致的。當(dāng)砂取代率為8%時(shí)，SPC的抗折強(qiáng)度達(dá)到5.46 MPa，與砂取代率為0的透水混凝土相比，砂取代率8%的SPC抗折強(qiáng)度增加了11.13%。SPC抗折強(qiáng)度的增加也是由于砂填充了孔隙并且使級(jí)配更加合理，抗折強(qiáng)度的降低的原因與抗壓強(qiáng)度也是相同的。與抗壓強(qiáng)度相比，抗折強(qiáng)度變化的趨勢(shì)與抗壓強(qiáng)度略有不同，當(dāng)砂取代率小于8%時(shí)，透水混凝土的抗折強(qiáng)度是逐漸增加的，沒有明顯的突變。

圖7 砂取代率對(duì)SPC抗折強(qiáng)度的影響

2.3 凍融耐久性

凍融循環(huán)對(duì)暴露在自然環(huán)境中的透水混凝土的使用壽命有負(fù)面影響，在本節(jié)中以抗壓強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度損失率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，表征SPC的凍融耐久性。25、50、75、100個(gè)凍融周期后SPC的抗壓強(qiáng)度與其損失見表5。凍融循環(huán)對(duì)SPC抗壓強(qiáng)度的影響如圖8所示。SPC在凍融循環(huán)下的抗壓強(qiáng)度損失如圖9所示。

圖8 抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)的變化

圖9 凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度損失

表5 凍融循環(huán)后SPC的抗壓強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度損失Table 5 Compressive strength and compressive strength loss of SPC after freeze-thaw cycle編號(hào)凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度與其損失25 次50次75次100次抗壓強(qiáng)度/MPa損失/%抗壓強(qiáng)度/MPa損失/%抗壓強(qiáng)度/MPa損失/%抗壓強(qiáng)度/MPa損失/%SPC020.169.8818.5716.9916.0528.2514.3735.76SPC221.488.6019.8115.7017.3426.2115.5034.04SPC422.317.0820.8113.3318.4123.3216.7130.40SPC625.685.8724.2811.0021.5820.8919.8827.13SPC828.014.3426.738.7124.1617.4922.0224.80SPC1026.175.3525.169.0122.4618.7720.3326.47

在凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，SPC的抗壓強(qiáng)度隨著砂取代率的增加先增加而后降低。經(jīng)過100次凍融循環(huán)后，砂取代率8%的SPC的抗壓強(qiáng)度為22.02 MPa，與未添加砂的透水混凝土相比提高了53.23%。此外，在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，添加砂的SPC的抗壓強(qiáng)度均高于未添加砂的透水混凝土，這表明，加砂有助于提高透水混凝土的凍融耐久性。

由圖9可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，SPC的抗壓強(qiáng)度損失率逐漸增大，在凍融循環(huán)次數(shù)相同的情況下，抗壓強(qiáng)度損失率隨著砂取代率的增加先增加而后降低。與未加砂的透水混凝土相比，SPC的抗壓強(qiáng)度損失率更低，其中，砂取代8%的SPC抗壓強(qiáng)度損失率最低，這表明，8%的砂取代率能夠有效地提高SPC的凍融耐久性。SPC凍融耐久性的增加與砂填充混凝土間的孔隙有關(guān)，使SPC內(nèi)部的凍脹力降低，從而降低了抗壓強(qiáng)度損失率。當(dāng)砂取代率過多時(shí)，有效孔隙率增加，產(chǎn)生較強(qiáng)的凍脹力，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度損失率的增加。

3 結(jié)論

在本文中，采用砂等質(zhì)量取代粗骨料制備了SPC，研究了砂取代率(0%、2%、4%、6%、8%和10%)對(duì)SPC有效孔隙率、滲透系數(shù)、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和凍融耐久性的影響，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下的結(jié)論。

a.SPC的滲透系數(shù)主要取決于有效孔隙率。隨著砂取代率的增加，SPC的有效孔隙率和滲透系數(shù)先降低而后增加。

b.加砂能夠有效地提高SPC的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。隨著砂取代率的增加，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度先增加而后降低，當(dāng)砂取代率為8%時(shí)，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度達(dá)到最高值，分別為29.28和5.39 MPa。

c.SPC的凍融耐久性隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，SPC的抗壓強(qiáng)度損失率隨著砂取代率的增加先增加而后降低，其中，砂取代率為8%時(shí)SPC的抗壓強(qiáng)度損失率最低，表明砂取代率8%的SPC的抗凍融能力最強(qiáng)。

d.綜合考慮滲透系數(shù)、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和凍融循環(huán)試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，推薦的砂取代率為8%。