透水混凝土工作性與力學(xué)性能試驗研究

栗威， 王兆侖

(1.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 公路學(xué)院, 河南 鄭州 450006； 2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室， 廣西 南寧 530007)

透水混凝土作為一種特殊的路面結(jié)構(gòu)，在“海綿城市”建設(shè)過程中得到了良好的推廣應(yīng)用，作為一種具備生態(tài)環(huán)境優(yōu)勢的綠色建筑材料，既可以迅速排水、降低噪音，又可降低城市熱島效應(yīng)，但隨著承載時間的增加，該類型路面也暴露了部分問題，如承載能力不如普通混凝土，抗凍性差，容易堵塞等。透水混凝土的力學(xué)性能、耐久性能、透水性能與混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有直接相關(guān)關(guān)系。近年來，針對混凝土添加劑、膠凝材料、外摻料等方面開展了相應(yīng)的研究，得出了建設(shè)性的成果。許耀等[1]利用聚丙烯纖維(MPPF)、玄武巖纖維(BF)、仿鋼纖維(ISF)對透水混凝土進(jìn)行了力學(xué)抗壓強度研究，提出MPPF對透水混凝土的性能改善效果最佳，并得出了MPPF的長度尺寸和最佳摻量范圍；楊江超、肖力光等[2-3]通過對水泥、粉煤灰、磨細(xì)礦渣、硅灰等進(jìn)行復(fù)合，研究不同配比下透水混凝土的力學(xué)性能、透水性能，得出復(fù)合膠凝材料能夠有效提高抗壓、抗折強度；鄭木蓮等[4]利用Ansys建立了三維有限元路面模型，分析了不同排水功能的透水混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，針對不同類型的路面結(jié)構(gòu)提出了相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)；譚燕等[5-8]對透水混凝土易阻塞問題開展了研究，分析骨料粒徑、水灰比及靜壓時間等對透水性能影響，并對透水混凝土阻塞清洗方式進(jìn)行了探討，提出了不同清洗方式的適用性。

綜上所述，該文通過優(yōu)化選擇合適的原材料，首先分析透水混凝土的工作性變化，研究改變水灰比、空隙率及養(yǎng)護(hù)齡期等參數(shù)對力學(xué)抗壓性能、抗折性能的影響，并進(jìn)一步分析流動度指標(biāo)與二者的相關(guān)關(guān)系，旨在提出合理的性能控制參數(shù)。

1 試驗方案

1.1 原材料

透水混凝土一般由粗骨料形成骨架，水泥、細(xì)集料、摻合料及添加劑等形成膠結(jié)料包裹在集料表面形成具有一定強度的骨架-空隙結(jié)構(gòu)，對混凝土的性能要求較高，尤其配合比設(shè)計，調(diào)制范圍小，原材料控制嚴(yán)格。

(1) 水泥。試驗選擇實體工程中常用的普通硅酸鹽水泥P.O42.5級，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)符合規(guī)范要求。

(2) 增強劑。采用透水混凝土增強劑SBT?-PRC(Ⅰ)，其技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 SBT?-PRC(Ⅰ)性能指標(biāo)

(3) 減水劑。選擇萘系高效減水劑，型號為SNF-C/PNS-C。

(4) 集料。粗骨料采用質(zhì)地堅硬、耐久、潔凈、密實，粒徑不大于25 mm的碎石，不規(guī)則的外型有利于相互接觸形成嵌擠結(jié)構(gòu)，以單粒級配和間斷級配為宜。粗、細(xì)集料的技術(shù)指標(biāo)分別見表2、3，分別滿足GB/T 14685—2011《建設(shè)用卵石、碎石》要求。

表2 粗骨料(花崗巖)性能指標(biāo)

表3 細(xì)集料(中砂)性能指標(biāo)

1.2 試驗方案

透水混凝土的制備與普通混凝土存在顯著的差異，攪拌、成型及養(yǎng)護(hù)過程均有所不同。研究采用集料表面包裹法制備透水混凝土，一般采用單臥軸攪拌機，首先將集料與50%的水在攪拌機中拌和30 s，促使集料表面充分清洗、濕潤；然后加入水泥、增強劑攪拌30 s；最后將剩余的水、減水劑加入，充分?jǐn)嚢?20 s形成成品。

透水混凝土性能主要體現(xiàn)在工作性、抗壓性能和抗折性能方面，研究分析不同水灰比、空隙率變化對上述基本性能的影響，確定透水混凝土滿足良好性能條件下的基本配置參數(shù)。

(1) 配合比設(shè)計

透水混凝土配合比參照CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》中體積法進(jìn)行設(shè)計，基本步驟如下：依據(jù)目標(biāo)空隙率確定集料類型及粒徑大小，然后結(jié)合骨料的性能指標(biāo)確定單位體積骨料用量，并計算膠凝漿體用量，最后參考工程經(jīng)驗已采用的水膠比確定單位體積水泥用量和用水量，配合比設(shè)計結(jié)果見表4。

表4 透水混凝土基準(zhǔn)配合比設(shè)計

(2) 流動度試驗

透水混凝土的工作性關(guān)乎施工的難易程度與工程質(zhì)量，良好的工作性是透水混凝土基本要求之一。該文結(jié)合文獻(xiàn)[9-10]的經(jīng)驗成果，提出采用水泥漿體流動度作為透水混凝土工作性評價指標(biāo)。

治療組患者治療效果明顯，治愈率100%，無復(fù)發(fā)，且在4周、8周有效率明顯高于對照組，1天及1周差異并不明顯。對照組中有17例治愈，14例有效，3例血腫復(fù)發(fā)。兩組8周時血腫完全吸收時間的對比，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），見表1。此外，8周后顱腦CT檢查殘留血腫吸收情況差異也有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），見表2。

(3) 強度試驗

試驗采用40 mm×40 mm×160 mm試件，養(yǎng)護(hù)齡期3 d、7 d、28 d，試驗步驟依據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土強度測試方法標(biāo)準(zhǔn)》，首先進(jìn)行抗折強度試驗，隨后進(jìn)行抗壓強度試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 透水混凝土水泥漿體工作性試驗分析

研究顯示：JIS-A116《日本水泥混凝土路面施工指南》中稠度的評價方法涉及了不同水灰比指標(biāo)下透水混凝土工作性分布A～E共5個等級。該文提出采用3個水灰比(0.25、0.30、0.35)，通過調(diào)整減水劑的用量改變漿體流動度，以此來分析不同水灰比下透水混凝土工作性，試驗結(jié)果見圖1。

圖1 減水劑用量對水泥漿體流動度影響規(guī)律

由圖1可知：

(1) 相同水灰比下，隨減水劑用量增加，漿體流動度呈增加趨勢，且不同水灰比條件下，減水劑對流動度指標(biāo)的影響也存在較大差異。說明減水劑的添加，水泥漿體更加稀，流動性顯著增加，且水灰比越大，減水劑對漿體流動度改善效果越顯著。

(2) 隨水灰比的增大，達(dá)到相同流動度時的減水劑用量也相對降低。根據(jù)CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》中拌和物和易性的描述及實體工程經(jīng)驗，透水混凝土拌和物工作性良好的表現(xiàn)為：新拌混凝土表面光亮，手抓成團(tuán)，有微漿析出。試驗過程中發(fā)現(xiàn)漿體流動度為240～250 mm時，透水混凝土的工作性符合上述要求，且成型操作過程中不易出現(xiàn)泌水嚴(yán)重、不易搗實的現(xiàn)象，即工作性達(dá)到最佳，3個不同水灰比下，減水劑用量分別為1.5%、0.8%和0.4%。

2.2 透水混凝土抗壓強度試驗分析

試驗采用水泥漿體流動度為240 mm的條件下成型透水混凝土試件，在不同水灰比、空隙率條件下，分別測試養(yǎng)護(hù)齡期3 d、7 d和28 d的抗壓強度，試驗結(jié)果見圖2。

圖2 水灰比、空隙率對抗壓強度影響規(guī)律

(1) 水灰比、空隙率指標(biāo)的變化對混凝土抗壓強度有顯著影響，隨水灰比增加，抗壓強度基本呈下降趨勢；隨空隙率的增加，抗壓強度顯著降低，且空隙率變化幅度對抗壓強度的影響遠(yuǎn)高于水灰比。說明透水混凝土受水灰比變化影響與普通混凝土的影響變化規(guī)律相符合，但對空隙率指標(biāo)的變化更為敏感，有效控制透水混凝土的空隙率指標(biāo)是保證混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵措施之一。

(2) 空隙率對抗壓強度的影響基本不隨養(yǎng)護(hù)齡期而變化，而水灰比對抗壓強度的影響，在養(yǎng)護(hù)齡期7 d時影響程度最小，養(yǎng)護(hù)齡期28 d時影響程度最大。因此，對透水混凝土水灰比指標(biāo)的確定，采用養(yǎng)護(hù)齡期28 d的試件較為合適，以降低差異性。結(jié)合水泥混凝土強度發(fā)展規(guī)律可知：水灰比越小，混凝土的力學(xué)強度值越大，對于透水混凝土強度變化規(guī)律也同樣適用。同時，對于大空隙率的混凝土，主要由于內(nèi)部密實度的降低導(dǎo)致了強度下降，在配合比設(shè)計過程中，滿足排水量要求的前提下，進(jìn)一步控制水灰比、空隙率，保證足夠的水泥漿體裹覆粗集料，且粗集料能夠有效形成內(nèi)部密實骨架結(jié)構(gòu)。

(3) 隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，透水混凝土抗壓強度值呈增加趨勢，這與普通混凝土強度-齡期變化規(guī)律一致，但抗壓強度增加幅度較大，早期強度形成較快，遠(yuǎn)高于普通混凝土。這主要因為透水混凝土內(nèi)部存在大量的空隙，養(yǎng)護(hù)過程中水分、空氣能夠快速地進(jìn)入內(nèi)部，加速了水泥的水化反應(yīng)，有效提升了強度發(fā)展。

2.3 透水混凝土抗折強度試驗分析

不同養(yǎng)護(hù)齡期下，3種不同空隙率、水灰比的透水混凝土試件的抗折試驗結(jié)果見圖3。

由圖3可知：

(1) 透水混凝土的抗折強度受水灰比、空隙率影響變化規(guī)律與抗壓強度相接近，均隨水灰比、空隙率的增加而呈下降趨勢。由此可見，抗折強度受空隙率的影響也高于水灰比的影響。整體上分析，水灰比變化對抗折強度的影響程度高于抗壓強度，而空隙率對二者的影響差別不大。

(2) 在空隙率為25%時，水灰比對抗折強度的影響存在相應(yīng)的變化，即水灰比為0.30時，抗折強度值最大。這主要由于混凝土內(nèi)部空隙率過大，水灰比為0.25時，水泥漿不足夠裹覆集料，集料間的黏聚力降低；隨著水灰比的增加，混凝土內(nèi)部水泥漿充足，拌和物工作性達(dá)到最佳，黏聚力提高，其抗折強度也隨之提高。但當(dāng)水灰比超過0.30時，水泥漿太稀，對集料的裹覆能力下降，導(dǎo)致黏結(jié)強度下降。

圖3 水灰比、空隙率對抗折強度影響規(guī)律

2.4 透水混凝土工作性與力學(xué)性能關(guān)系分析

為進(jìn)一步分析透水混凝土工作性對后期路面質(zhì)量的影響規(guī)律，該文建立了流動度指標(biāo)與抗壓強度、抗折強度的關(guān)系模型，嘗試研究不同空隙率條件下，流動度與抗壓強度、抗折強度的關(guān)系，試驗結(jié)果見圖4。

圖4 流動度與抗壓強度、抗折強度關(guān)系

由圖4可知：

(1) 隨水泥漿體流動度的增加，混凝土拌和物的工作性改善，抗壓強度、抗折強度均明顯得到改善。說明適當(dāng)提高流動度指標(biāo)能夠良好地改善其力學(xué)性能，尤其對透水混凝土抗折性能的改善效果更明顯。透水混凝土的強度源于粗集料的骨架結(jié)構(gòu)與水泥漿體的膠結(jié)作用，良好的混凝土拌和物需具備最佳的黏聚力，水泥漿體流動度增加可提高拌和物的流動性及密實度，提高了集料之間的黏結(jié)面積，進(jìn)一步提高強度。

(2) 從不同空隙率的試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)流動度與抗壓強度、抗折強度的關(guān)系也存在一定的變化，在空隙率為20%時，流動度為260 mm時力學(xué)性能改善幅度最大，抗壓強度、抗折強度值分別提高了41.1%、65.6%。

3 結(jié)論

(1) 隨減水劑用量增加，水泥漿體流動度指標(biāo)呈增加狀態(tài)，且不同水灰比下，減水劑對流動度指標(biāo)的影響也存在相應(yīng)差異。隨水灰比增加，達(dá)到相同流動度時減水劑用量也相對降低，推薦透水混凝土漿體流動度為240～250 mm。

(2) 空隙率、水灰比均對透水混凝土的抗壓強度、抗折強度存在顯著影響，隨水灰比和空隙率增加，抗壓強度、抗折強度均呈下降趨勢，且空隙率變化對抗壓、抗折強度的影響遠(yuǎn)高于水灰比。

(3) 透水混凝土的早期強度形成規(guī)律與普通混凝土不同，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，抗壓強度、抗折強度值呈顯著增加趨勢?？障堵?0%，水灰比0.3的3 d齡期強度達(dá)到了28 d強度的65.6%，7 d齡期達(dá)到了86.2%。在空隙率25%時，水灰比對抗折強度的影響存在凹曲線變化，即水灰比0.3時，抗折強度值最大。

(4) 流動度與抗壓強度、抗折強度具備良好的發(fā)展關(guān)系，隨流動度的增加，抗壓強度、抗折強度均呈增加趨勢，且抗折強度值增加幅度較大。