砂率及外摻料對(duì)透水混凝土基本性能的影響研究*

劉邦莉,陳代果,楊 炯,姚 勇,陳建智

(1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,四川 綿陽(yáng) 621010; 2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心,四川 綿陽(yáng) 621010)

0 引言

透水混凝土由水泥、水、粗骨料組成,特點(diǎn)為輕質(zhì)多孔[1-2],為了改善透水混凝土的路用性能,可摻入細(xì)骨料、纖維、礦物添加劑、粉煤灰等外摻料[3]。作為環(huán)境友好型路面鋪裝材料,透水混凝土具有其他路面材料沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn):水可滲入地下,實(shí)現(xiàn)解決洪澇、儲(chǔ)存地下水的作用,此外,透水混凝土透氣、透光、吸聲降噪,能提高人體舒適度,可解決普通混凝土路面無(wú)法解決的城市生態(tài)問(wèn)題[4-5]。隨著城市化的不斷發(fā)展,透水混凝土應(yīng)社會(huì)需求,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于人行道、輕型路面、公園、停車(chē)場(chǎng)等領(lǐng)域,不僅對(duì)減緩熱島效應(yīng)起著至關(guān)重要的作用[6-9],也對(duì)海綿城市的建設(shè)有著重要影響[10-11]。

但透水混凝土自身強(qiáng)度低,在施工上又有著較高的要求,因此城市中大部分路面均被傳統(tǒng)路面材料覆蓋[12]。如何提高力學(xué)性能、保證透水性能達(dá)標(biāo),以使其能大量運(yùn)用在公路上是一個(gè)需要突破的問(wèn)題[13-16]。為解決透水混凝土的局限性,眾多學(xué)者做出大量研究。Dang等[17]提出篩網(wǎng)排漿法,得出了透水混凝土的最佳水膠比。王耀峰[18]分析了砂率對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度、有效孔隙率、透水系數(shù)及耐酸雨性能的影響。楊艷娟等[19]研究了雙摻粉煤灰和硅灰對(duì)透水混凝土力學(xué)性能、有效孔隙率和透水性能的影響。趙紹飛等[20]研究了成型方式和膠凝材料總量對(duì)透水混凝土強(qiáng)度和透水率的影響。Sangchul等[21]采用粉煤灰和磨碎的廢玻璃粉優(yōu)化水泥砂漿混合料,對(duì)優(yōu)化后的混合料制備透水混凝土的性能進(jìn)行了研究。楊福儉等[22]在正交試驗(yàn)基礎(chǔ)上,對(duì)透水混凝土試件的透水系數(shù)進(jìn)行極差和方差分析,得到了影響透水系數(shù)因素敏感性和最佳因素組合。

綜合學(xué)者的研究特點(diǎn),文章將砂與乳膠加入透水混凝土中,將雙摻粉煤灰與硅灰作為一個(gè)因素,采用三因素四水平的正交試驗(yàn),分析了砂率、粉煤灰+硅灰的組合摻量、乳膠摻量對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度及透水系數(shù)的影響,并對(duì)抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)進(jìn)行極差分析,得到各因素敏感次序和最佳組合,總結(jié)變化規(guī)律,為滿足透水性能條件下配制較高強(qiáng)度的透水混凝土提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

水泥選用P·O52.5高品質(zhì)硅酸鹽水泥;粗集料選用綿陽(yáng)某公司生產(chǎn)的粒徑5～10mm的碎石;砂選用成都某公司生產(chǎn)的粒徑0.5～1mm的特細(xì)砂;硅灰選用鄭州某公司生產(chǎn)的高活性微硅灰;粉煤灰選用綿陽(yáng)某公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰;減水劑選用聚羧酸減水劑;乳膠選用EVA乳液,主要成分為醋酸乙烯-乙烯共聚乳液;拌合用水為自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)水膠比為0.28。以砂率、粉煤灰+硅灰的組合摻量、乳膠摻量作為影響因素設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)。每組碎石含量為1 453kg/m3,水泥含量為400kg/m3,水為125kg/m3,試驗(yàn)中其余摻合料對(duì)應(yīng)的配合比如表1所示。將砂率記為A,粉煤灰+硅灰組合摻量記為B,乳膠摻量記為C,采用L16(43)正交試驗(yàn),水平因素如表2所示。

表1 透水混凝土配合比Table 1 Pervious concrete mixing ratio kg/m3

表2 因素水平Table 2 Level of factors

1.3 攪拌及成型方式

根據(jù)表2的配合比澆筑透水混凝土試件,制作3組尺寸為150mm×150mm×150mm的立方體試塊,進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、透水率和透水系數(shù)試驗(yàn)。

1)攪拌方法 采用多次投料法。投料前先將特細(xì)砂與外摻料進(jìn)行預(yù)混合,將碎石、50%的拌合水預(yù)拌1min,再加入50%的膠凝材料、100%減水劑、20%拌合水,攪拌1min;然后加入剩余的膠凝材料、拌合水及乳膠,攪拌3～4min,至表面最終有金屬光澤時(shí)結(jié)束。

2)成型方式 采用人工插搗,插搗成型分3層插搗,最后表面抹平。裝模完成48h后脫模并進(jìn)行編號(hào),然后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d。

1.4 測(cè)試方法

1.4.1透水系數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[23]采用立方體試件透水系數(shù)測(cè)試儀(見(jiàn)圖1)。

圖1 立方體試件透水系數(shù)測(cè)試儀Fig.1 Cubic specimen permeability coefficient tester

透水混凝土試件除成型面和底面外的四周均用保鮮薄膜進(jìn)行密封,以保證水流只從上下2個(gè)相對(duì)的面流過(guò)。

采用變水龍頭法進(jìn)行測(cè)試,按式(1)計(jì)算透水系數(shù)。

V=(H2-H1)/t

(1)

式中:V為某一水面高度下的滲透速度(mm/s);H2為初始時(shí)刻水面高度(mm);H1為計(jì)時(shí)停止時(shí)水面高度(mm);t為水面下降所用的時(shí)間(s)。

1.4.2孔隙率

稱取透水混凝土養(yǎng)護(hù)28d后浸沒(méi)在水中的質(zhì)量m1和在烘箱中烘干24h后的質(zhì)量m2,以3個(gè)試件的平均值作為透水混凝土的總孔隙率,孔隙率P表達(dá)式如下。

P=[1-(m1-m2)/v]×100%

(2)

式中:v為試塊的體積(cm3)。

1.4.3抗壓強(qiáng)度

透水混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試件參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,如圖2所示。

圖2 立方體試件抗壓強(qiáng)度測(cè)試Fig.2 Compressive strength test of cube specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)與極差分析

正交試驗(yàn)結(jié)果如表3所示?？箟簭?qiáng)度、孔隙率、透水系數(shù)的極差分析結(jié)果如表4所示。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Orthogonal test results

表4 極差分析結(jié)果Table 4 Extreme variance analysis results

各試驗(yàn)指標(biāo)k值與因素水平的關(guān)系如圖3所示。

圖3 各試驗(yàn)指標(biāo)k值與因素水平的關(guān)系Fig.3 The relationship between k value of each test index and factor level

2.2 抗壓強(qiáng)度

由表3可知,對(duì)照組抗壓強(qiáng)度為17.20MPa,第13組抗壓強(qiáng)度最大,為62.50MPa,較對(duì)照組增加了263.37%。第4組抗壓強(qiáng)度最小,為31.10MPa,較對(duì)照組增加了80.81%。由表4可知,透水混凝土抗壓強(qiáng)度影響因素的敏感順序?yàn)?砂率>粉煤灰+硅灰組合摻量>乳膠摻量,僅考慮抗壓強(qiáng)度時(shí),最佳因素組合為:砂率為12%;粉煤灰摻量15%,硅灰摻量5%;乳膠摻量1.2%。

由圖3a可知透水混凝土的抗壓強(qiáng)度隨砂率、乳膠摻量的增加而增大,隨著粉煤灰的減少和硅灰的增加而降低。根據(jù)圖3a分析各因素對(duì)孔隙率與透水系數(shù)的影響可得出以下結(jié)論。

2.2.1砂率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

隨著砂率的增大,透水混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸提高。砂率從10%增加到11%時(shí),抗壓強(qiáng)度變化顯著。這是由于前期砂的含量還不足以填充透水混凝土內(nèi)部的大量空隙以支撐混凝土的內(nèi)部骨架,對(duì)透水混凝土的抗壓強(qiáng)度影響不大,當(dāng)砂率從第二水平到第三水平時(shí),混凝土密實(shí)度提高,抗壓強(qiáng)度大幅提升,繼續(xù)摻入砂時(shí),抗壓強(qiáng)度雖繼續(xù)增大,但已臨近最大值,上升幅度較小。當(dāng)砂率摻量達(dá)到最大時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度較高,此時(shí)破壞現(xiàn)象表現(xiàn)為混凝土邊緣石塊脫落、出現(xiàn)貫通裂縫,混凝土整體表面出現(xiàn)多處細(xì)微裂縫(第16組試件),如圖4所示。

圖4 第16組試件Fig.4 The sixteenth group of specimens

2.2.2粉煤灰+硅灰的組合摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

在粉煤灰+硅灰總替代量不變的情況下,隨著粉煤灰的減少、硅灰摻量的增加,透水混凝土的抗壓強(qiáng)度呈減小的趨勢(shì)。粉煤灰摻量為15%、硅灰摻量為5%時(shí),透水混凝土的平均抗壓強(qiáng)度為49.78MPa,較對(duì)照組增加了189.42%;第一水平到第二水平的抗壓強(qiáng)度平均值降低幅度較大,第二、三、四水平的平均抗壓強(qiáng)度變化較為平緩,分別比前一組降低7.21%,0.35%,0.52%。

剛加入粉煤灰與硅灰時(shí),透水混凝土總體強(qiáng)度得到提升,這是由于硅灰和粉煤灰的細(xì)度較小,可以填充水泥顆粒間的堆積空隙,粉煤灰和硅灰的火山灰效應(yīng)使水泥石的結(jié)構(gòu)更加致密。但當(dāng)硅灰摻量逐漸增多,潤(rùn)濕各顆粒表面所需的水量增加,使拌合物出現(xiàn)團(tuán)聚,造成水泥水化程度不足,導(dǎo)致透水混凝土的強(qiáng)度降低。當(dāng)達(dá)到第四水平,混凝土表面少量碎石脫落,未見(jiàn)明顯破壞,由此可見(jiàn),該試件(第4組試件)內(nèi)部已出現(xiàn)貫通裂縫,無(wú)法繼續(xù)承重,如圖5所示。

圖5 第4組試件Fig.5 The fourth group of specimens

2.2.3乳膠摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

隨著乳膠摻量的增加,透水混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸增大,但變化較平緩,當(dāng)乳膠摻量從0.6%到1.2%時(shí),抗壓強(qiáng)度提高了4.8%。

乳膠加入后,乳膠具有的黏性可以增加透水混凝土的黏聚合性,從而改善工作性能。隨著水分的蒸發(fā),乳膠在骨料和膠結(jié)材料間形成穩(wěn)定的聚合物膜,提高了透水混凝土的黏聚力,增加了骨料之間的結(jié)合力。由于乳膠的這種特性,第7組試件破壞以混凝土表面片狀脫落為主,如圖6所示。

圖6 第7組試件Fig.6 The seventh group of specimens

2.3 透水混凝土的孔隙率與透水系數(shù)

由表3可知,對(duì)照組孔隙率為24.99%,透水系數(shù)為6.11cm/s。第6組透水效果最好,孔隙率為20.71%,較對(duì)照組下降17.13%,透水系數(shù)為6.09cm/s,較對(duì)照組下降0.33%;第13組透水效果最差,孔隙率為9.99%,較對(duì)照組下降60.02%,透水系數(shù)為1.27cm/s,較對(duì)照組下降79.21%。由表4可知,透水系數(shù)與孔隙率的變化趨勢(shì)基本一致,透水混凝土的孔隙率與透水系數(shù)的影響因素敏感順序均為:砂率、乳膠摻量、粉煤灰+硅灰組合摻量。僅考慮孔隙、透水性能時(shí),最佳因素組合為:砂率9%,粉煤灰摻量12%,硅灰摻量8%,乳膠摻量0.6%。

由圖3可知,透水混凝土孔隙率和透水系數(shù)隨砂率,乳膠摻量的增加而降低,隨著粉煤灰的減少和硅灰的增加先增大后減小。根據(jù)圖3分析各因素對(duì)孔隙率與透水系數(shù)的影響。

2.3.1砂率對(duì)孔隙率與透水系數(shù)的影響

砂率從9%增加到10%時(shí),孔隙率與透水系數(shù)下降趨勢(shì)平緩,當(dāng)砂率>10%時(shí),孔隙率及透水系數(shù)下降幅度較大。這是由于前期加入細(xì)砂時(shí),細(xì)砂與膠凝材料均勻包裹在骨料表面,減小了內(nèi)部孔隙的面積但并未造成堵塞,水依然能從上下表面順利滲流。隨著細(xì)砂的增多,透水混凝土密實(shí)度增加,內(nèi)部孔隙大量減少,造成孔隙率與透水系數(shù)顯著下降。

2.3.2粉煤灰+硅灰的組合摻量對(duì)孔隙率與透水系數(shù)的影響

隨著粉煤灰摻量的減少、硅灰摻量的增多,孔隙率與透水系數(shù)呈先增大后減小的趨勢(shì)。粉煤灰摻量12%,硅灰摻量8%時(shí),孔隙率最大,為16.45%;透水系數(shù)最大,為4.19mm/s。由于粉煤灰+硅灰組合對(duì)透水混凝土的孔隙率與透水系數(shù)影響最小,因此總體孔隙率與透水系數(shù)小于對(duì)照組。

粉煤灰的微珠效應(yīng)能改善透水混凝土的工作性能,但由于粉煤灰中的活性氧化硅和活性氧化鋁這2種物質(zhì)與水泥熟料水化生成的氫氧化鈣進(jìn)行水化反應(yīng)后,會(huì)在骨料表面形成一層致密的水硬性物質(zhì),阻止水的滲透,因此適量減少粉煤灰,即粉煤灰和硅灰摻量適宜時(shí),膠凝材料能均勻地包裹在骨料表面,孔隙率與透水系數(shù)增加。隨著硅灰摻量的進(jìn)一步增加,由于二次水化作用,透水混凝土拌合物的工作性能逐漸降低,拌合物開(kāi)始出現(xiàn)團(tuán)聚,從而導(dǎo)致透水混凝土的孔隙率與透水系數(shù)降低。

2.3.3乳膠摻量對(duì)孔隙率與透水系數(shù)的影響

隨著乳膠摻量的增加,孔隙率與透水系數(shù)呈降低趨勢(shì)。乳膠通過(guò)改變混凝土的和易性及混合料的均勻性對(duì)孔隙率與透水系數(shù)產(chǎn)生影響。乳膠在骨料和膠結(jié)材料間形成穩(wěn)定的聚合物膜,減少了骨料間的孔隙,并且由于乳膠的黏性及流動(dòng)性,易與膠凝材料一同沉入混凝土底部,造成表面部分封閉,從而降低了混凝土的孔隙率與透水系數(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

采用正交試驗(yàn)和極差分析研究了砂率、粉煤灰+硅灰的組合摻量、乳膠摻量對(duì)透水混凝土的抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)和孔隙率的影響,主要得出以下結(jié)論。

1)透水混凝土抗壓強(qiáng)度影響因素的敏感性順序?yàn)樯奥省⒎勖夯?硅灰組合摻量、乳膠摻量,最佳因素組合為砂率12%,粉煤灰摻量15%,硅灰摻量5%,乳膠摻量1.2%。

2)透水混凝土孔隙率與透水系數(shù)變化趨勢(shì)基本一致,影響因素敏感順序均為砂率>乳膠摻量>粉煤灰+硅灰組合摻量。最佳因素組合為砂率9%,粉煤灰摻量12%,硅灰摻量8%,乳膠摻量0.6%。

3)對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度影響最大的是砂率和粉煤灰+硅灰組合摻量,但乳膠摻量的水平梯度較小,可以考慮設(shè)置更大的變化梯度,并提高拌制的均勻性,使透水混凝土的強(qiáng)度大于62.5MPa。

4)雖然特細(xì)砂和乳膠的加入提高了透水混凝土的抗壓強(qiáng)度,但會(huì)降低孔隙率和透水系數(shù),實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)工程要求選擇最合適的摻量。