無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料對(duì)透水混凝土強(qiáng)度和滲透性的影響

關(guān)鍵詞：無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料；透水混凝土；抗壓強(qiáng)度；孔隙率；滲透系數(shù)

0引言

透水混凝土也稱透水地坪，是一種主要應(yīng)用于路面工程的多孔鋪裝材料。與普通混凝土相比，透水混凝土的骨料一般具有間斷級(jí)配或者單一級(jí)配，所以其內(nèi)部有大量多孔蜂窩狀結(jié)構(gòu)，具有透氣、透水和輕質(zhì)的特點(diǎn)。透水混凝土的應(yīng)用有利于緩解城市的“熱島效應(yīng)”，有效地節(jié)約城市水資源并補(bǔ)充地下水，是維護(hù)生態(tài)平衡、建設(shè)“海綿城市”的重要途徑。以日本為例，政府大力推行“雨水滲透計(jì)劃”，將透水材料廣泛應(yīng)用于城市停車場(chǎng)、人行道等輕載道路，使得東京對(duì)雨水資源的有效保持量由48.2%增長(zhǎng)到94.6%。

然而，透水混凝土的特殊結(jié)構(gòu)形式造成其力學(xué)性能較差，這是透水混凝土至今尚未被廣泛應(yīng)用于普通道路的主要原因。許多研究通過(guò)改變透水混凝土的設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)改善混凝土的力學(xué)性能，如降低水膠比和骨膠比、減小骨料粒徑、摻加增強(qiáng)材料等。其中，摻加無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料是研究的熱點(diǎn)之一。Ramadhansyah等和Yusak等嘗試將不同細(xì)度的納米Si02摻人透水混凝土中來(lái)改善透水混凝土路面物理和化學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)具有特定細(xì)度的納米Si02（粒徑為65.84nm）配置出的透水混凝土性能最佳。徐方等和蔣勇等認(rèn)為在混合料中加入硅灰等礦物摻和料，能夠有效地提高透水混凝土的抗壓強(qiáng)度。Chen等和Lian等認(rèn)為硅灰只有和高效減水劑配合使用，才能顯示出其“微集料效應(yīng)”。綜上所述，硅灰等無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料對(duì)于透水混凝土的抗壓強(qiáng)度具有一定的增強(qiáng)作用，但是其摻量還有待更系統(tǒng)地研究。因此，筆者以惰性石英粉、常用細(xì)砂骨料和普通硅灰為無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料，以抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù)及有效孔隙率為關(guān)鍵指標(biāo)，分析了無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料的摻量對(duì)透水混凝土的影響規(guī)律及其與透水性參數(shù)的關(guān)系，旨在配制出抗壓強(qiáng)度高且透水性能好的透水混凝土。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1原材料

碎石采用粒徑為5～10mm的單級(jí)配碎石，表觀密度為2700kg/m3。凝膠材料選用金桂蘭水泥廠生產(chǎn)的P．C 42.5R復(fù)合硅酸鹽水泥。硅灰采用甘肅三遠(yuǎn)硅材料有限公司生產(chǎn)的S90級(jí)硅灰。石英粉的比表面積為420m2/kg，細(xì)砂的細(xì)度模數(shù)為1.8，拌和用水為自來(lái)水。選用Fe203系顏料調(diào)節(jié)混凝土的顏色。采用固含量為40%的聚羧酸系高效減水劑調(diào)整漿體的工作性能。原材料各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

1.2配合比及試件制作

本試驗(yàn)設(shè)置純水泥混凝土作為空白對(duì)照組，對(duì)3種無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料即硅灰、石英粉和細(xì)砂分別進(jìn)行研究和分析，每組設(shè)置不同的摻量：石英粉2%、4%、6%、8%、10%（占粗骨料用量），細(xì)砂2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%（占粗骨料用量），硅灰2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%（占膠凝材料用量）。為保證透水混凝土的實(shí)用性，以C25強(qiáng)度等級(jí)為目標(biāo)，最低有效孔隙率不低于10%?；炷了z比均為0.3，顏料摻量為膠凝材料總量的8%。

采用水泥裹石法進(jìn)行攪拌，流程如圖1所示。首先，將所有骨料加入潤(rùn)濕后的攪拌鍋；其次，加入約30%的水（骨料30min內(nèi)吸水量）．?dāng)嚢?0s，保證骨料表面被潤(rùn)濕；然后，將混合均勻的所有粉料加入攪拌鍋，攪拌60s，使粉料和骨料充分混合；最后，加入含有減水劑的剩余水，攪拌180s，使骨料周圍形成厚度均勻的水泥層。新拌透水混凝土的最佳工作狀態(tài)為能用手將其攥成團(tuán)而不分散，此時(shí)水泥漿體能均勻包裹骨料，且骨料之間黏結(jié)性較好。本試驗(yàn)所用試模的尺寸為100mmx100mmx100mm，采用低頻振動(dòng)的方式將漿料分兩次裝入試模，保證所有試件具有相同的振動(dòng)時(shí)間和松鋪比。覆膜養(yǎng)護(hù)24h后脫模，將試件放人恒溫恒濕環(huán)境下（溫度為20℃，相對(duì)濕度為95%）養(yǎng)護(hù)至測(cè)試齡期。

1.3試驗(yàn)方法

滲透系數(shù)是衡量透水混凝土的一個(gè)重要指標(biāo)，指單位水力梯度下通過(guò)單位面積的滲流量。采用透水系數(shù)測(cè)試儀對(duì)養(yǎng)護(hù)28d的試件進(jìn)行滲透系數(shù)測(cè)定：用防水膠帶將試件4個(gè)側(cè)面封閉，封閉面要緊密光滑以減小水從側(cè)壁間隙滲漏造成的測(cè)試誤差，之后塞人與其尺寸相配的儀器夾具中，使水流從上下表面通過(guò)。透水混凝土的總孔隙由連通孔隙、半連通孔隙及封閉孔隙組成。其中：連通孔隙和半連通孔隙可以使水通過(guò)、排出或者儲(chǔ)存，稱為有效孔隙，對(duì)應(yīng)的孔隙率稱為有效孔隙率；封閉孔隙由于完全閉塞，水不能進(jìn)入其中，因此稱為無(wú)效孔隙。本試驗(yàn)中孔隙率指混凝土中的有效孔隙率，通過(guò)飽水法測(cè)試。首先，將測(cè)試完滲透系數(shù)的試件底部密封，稱量此時(shí)試件的質(zhì)量，然后將試件浸滿水稱量，計(jì)算質(zhì)量差占標(biāo)準(zhǔn)模具滿水質(zhì)量的比例。本試驗(yàn)同時(shí)對(duì)透水混凝土試件的3、7d和28d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1石英粉對(duì)透水混凝土性能的影響

摻加石英粉作為無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料后，透水混凝土在不同齡期的抗壓強(qiáng)度如圖2所示。從圖2來(lái)看，摻加石英粉后，透水混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度隨石英粉摻量增大呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。當(dāng)石英粉摻量為2%和4%時(shí)，透水混凝土抗壓強(qiáng)度與對(duì)照差別不大．3d抗壓強(qiáng)度都為16MPa左右，28d抗壓強(qiáng)度都不足25MPa。然而，當(dāng)石英粉摻量為6%時(shí)，透水混凝土早期（3d和7d）抗壓強(qiáng)度都增大10MPa左右，3d強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到25MPa。隨著石英粉摻量的增大，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度持續(xù)增大，當(dāng)摻量為10%時(shí)，28d抗壓強(qiáng)度超過(guò)30MPa。由此可見(jiàn)，當(dāng)石英粉摻量超過(guò)4%后，其對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)作用是非常明顯的。一方面，石英粉的細(xì)度與水泥相當(dāng)，石英粉的摻加為水化產(chǎn)物的形成提供了更多的成核位點(diǎn)，加速了水化反應(yīng)；另一方面，石英粉發(fā)揮了“微集料效應(yīng)”，在水泥顆粒之間及水泥與粗骨料之間起到有效的物理填充作用。更為重要的是，石英粉是以占比粗骨料的形式摻加，并不改變整個(gè)體系中水泥的總量，但減小了水膠比。因此，石英粉摻量越大，對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)作用越明顯。

石英粉摻量對(duì)透水混凝土滲透性的影響如圖3所示。由圖3可知，摻石英粉的透水混凝土孔隙率與滲透系數(shù)的變化規(guī)律一致，整體來(lái)看，透水混凝土的孔隙率維持在10%～14%，滲透系數(shù)維持在4～9mm/s。當(dāng)石英粉摻量較小時(shí)，透水混凝土的孔隙率和滲透系數(shù)與對(duì)照相比變化不大。當(dāng)石英粉摻量達(dá)到6%時(shí)，透水混凝土的孔隙率與滲透系數(shù)明顯減小。隨著石英粉摻量繼續(xù)增加，孔隙率與滲透系數(shù)變化不大，孔隙率維持在10%左右，滲透系數(shù)保持在4.5mm/s左右。結(jié)合抗壓強(qiáng)度來(lái)看，石英粉作為透水混凝土的無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料時(shí)，應(yīng)至少占粗骨料總量的6%，才能使透水混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C25（孔隙率為10%左右，滲透系數(shù)約為4.0mm/s）。

2.2細(xì)砂對(duì)透水混凝土性能的影響

摻加細(xì)砂作為無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料的透水混凝土在不同齡期的抗壓強(qiáng)度如圖4所示。由圖4可知，摻加細(xì)砂后，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度波動(dòng)較大，在其摻量為10%時(shí)透水混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)細(xì)砂摻量為6%時(shí)，透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度已經(jīng)超過(guò)25MPa;當(dāng)細(xì)砂摻量為10%時(shí)，透水混凝土3d抗壓強(qiáng)度達(dá)到22MPa，28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到28MPa;當(dāng)細(xì)砂摻量超過(guò)10%后，透水混凝土抗壓強(qiáng)度明顯減小。究其原因，摻加少量細(xì)砂相當(dāng)于加入少量細(xì)骨料，會(huì)降低基體內(nèi)部大孔的孔隙率，從而增大抗壓強(qiáng)度。但是當(dāng)細(xì)砂摻量繼續(xù)增大時(shí)，會(huì)減少粗骨料表面水泥漿體的包裹厚度，且采用低頻振動(dòng)方式振搗時(shí)，砂漿比較容易沉積在混凝土下部，使得透水混凝土的均質(zhì)性變差，從而對(duì)抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。

細(xì)砂摻量對(duì)透水混凝土滲透性的影響如圖5所示。由圖5可知，不同細(xì)砂摻量透水混凝土的孔隙率與滲透系數(shù)的變化規(guī)律一致，整體來(lái)看，透水混凝土的孔隙率維持在9%～14%，滲透系數(shù)維持在3.5～9.0mm/s。細(xì)砂摻量小于10%時(shí)，透水混凝土孔隙率與滲透系數(shù)隨細(xì)砂摻量增大基本呈現(xiàn)減小趨勢(shì)：細(xì)砂摻量為10%時(shí)，透水混凝土孔隙率最低、滲透系數(shù)最小，孔隙率低于目標(biāo)孔隙率10%，此時(shí)滲透系數(shù)為3.5mm/s;細(xì)砂摻量超過(guò)10%時(shí)，孔隙率與滲透系數(shù)又隨細(xì)砂摻量增大而逐漸增大。結(jié)合抗壓強(qiáng)度來(lái)看，本研究中細(xì)砂用量應(yīng)占粗骨料用量的6%～8%才能使透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C25，孔隙率在10%以上。

2.3硅灰對(duì)透水混凝土性能的影響

摻加硅灰作為無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料的透水混凝土在不同齡期的抗壓強(qiáng)度如圖6所示。由圖6可知，隨著硅灰摻量增大，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度先增大后減小，在硅粉摻量為10%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。具體來(lái)說(shuō)，與純水泥透水混凝土相比，硅灰摻量即使只有2%，透水混凝土抗壓強(qiáng)度也明顯增大。當(dāng)硅灰摻量為6%時(shí)，透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到25MPa。硅灰摻量繼續(xù)增大到10%時(shí)，透水混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，此時(shí)其3d抗壓強(qiáng)度約20MPa，28d抗壓強(qiáng)度接近30MPa。究其原因：一方面硅灰的“微集料效應(yīng)”使得較細(xì)的硅灰顆粒填充于水泥顆粒之間，改善了膠凝材料的級(jí)配，將原本束縛在其中的水分置換出來(lái)，置換出的水能和水泥顆粒繼續(xù)反應(yīng)，最終提高了混凝土的力學(xué)性能；另一方面來(lái)源于硅灰的“火山灰效應(yīng)”，硅灰中活性Si02與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2反應(yīng)生成了更多的C-S-H凝膠。研究表明，摻加硅灰使得C-S-H凝膠的鈣硅比明顯降低，更多的Si-0鍵使C-S-H凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更致密，對(duì)基體的強(qiáng)度產(chǎn)生有利影響。然而，當(dāng)硅灰摻量超過(guò)10%時(shí)，透水混凝土抗壓強(qiáng)度急劇減小，硅灰摻量為12%和14%的透水混凝土與純水泥透水混凝土的強(qiáng)度相差不大。原因是隨著硅灰摻量的大幅度增加，大量比表面積很大的硅灰顆粒吸附了過(guò)多的水分，使得水泥基體中自由水減少，無(wú)法有效繼續(xù)進(jìn)行水化反應(yīng)，同時(shí)也使?jié){體的工作性能變差，最終導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度急劇減小。

硅灰摻量對(duì)透水混凝土滲透性的影響如圖7所示。由圖7可知，摻加硅灰作為無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料時(shí)，透水混凝土的孔隙率與滲透系數(shù)的變化規(guī)律一致，整體來(lái)看，透水混凝土的孔隙率維持在10%～14%，滲透系數(shù)維持在5～9mm/s。在硅灰摻量小于10%時(shí)，透水混凝土的孔隙率和滲透系數(shù)與對(duì)照相比變化都不大，這說(shuō)明雖然少量硅灰對(duì)抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較大，但是加入少量硅灰對(duì)材料的透水性能不產(chǎn)生明顯的影響。當(dāng)硅灰摻量為10%時(shí)，透水混凝土孔隙率最低，滲透系數(shù)最小。

綜上所述，硅灰摻量須控制在6%～10%，才能使透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C25、孔隙率在10%以上、滲透系數(shù)在5mm/s以上。

2.4滲透系數(shù)與孔隙率之間的關(guān)系

與相同水膠比的普通混凝土相比，透水混凝土的強(qiáng)度之所以低很多是因?yàn)橥杆炷林写嬖诖罅康目紫?，基本上是肉眼可?jiàn)的宏觀孔，而這些孔中有效孔直接影響了透水混凝土的滲透系數(shù)。為了探索透水混凝土滲透系數(shù)K與孔隙率P之間的函數(shù)關(guān)系，對(duì)本試驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別進(jìn)行了線性回歸、二次函數(shù)回歸和冪函數(shù)回歸，結(jié)果如圖8所示，擬合的方程式分別為

線性回歸、二次函數(shù)和冪函數(shù)回歸確定系數(shù)R2分別為0.86008、0.92704和0.90524，可見(jiàn)二次函數(shù)擬合效果較好。因此，在水膠比和總的膠凝材料用量確定的情況下，不同增強(qiáng)材料對(duì)應(yīng)透水混凝土的滲透系數(shù)都隨著有效孔隙率的增大而增大，原因可能是孔隙率增大，混凝土內(nèi)部供水通過(guò)的連通孔道增多，實(shí)際過(guò)水面積增大，以及水受到的阻力減小，導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)水通過(guò)的量增加，因而滲透系數(shù)增大。

此二次函數(shù)非常適用于工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，可通過(guò)直接測(cè)量孔隙率間接得到其滲透系數(shù)，從而大大提高現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的可操作性。需要指出的是，圖中的滲透系數(shù)和孔隙率的結(jié)果是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)較為理想的成型條件下測(cè)得的，而在路面實(shí)際施工過(guò)程中，諸多影響因素使得孔隙率往往大于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，相應(yīng)的滲透系數(shù)亦應(yīng)有所增大。

3結(jié)論

1）摻加一定量的石英粉、細(xì)砂和硅灰作為無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料后，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度均有所增大。

2）為了使透水混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到C25強(qiáng)度等級(jí)且具有良好的滲透性，石英粉用量應(yīng)至少占粗骨料總量的6%．細(xì)砂用量應(yīng)占粗骨料總量的6%～8%．硅灰用量應(yīng)占膠凝材料總量的6%～10%。

3）在只考慮有效孔隙率對(duì)滲透系數(shù)的影響時(shí)，可用二次函數(shù)很好地表達(dá)透水混凝土滲透系數(shù)與有效孔隙率之間的關(guān)系。