透水混凝土的性能及凍融破壞研究

文/姜鵬鵬、祁明浩、高建雄、孫澤豪、劉慶 徐州工程學(xué)院土木工程學(xué)院 江蘇徐州 221008

1、透水混凝土的性能及國內(nèi)外應(yīng)用研究現(xiàn)狀

透水混凝土是一種無砂混凝土、多孔輕質(zhì)混凝土，配料有骨料、水泥和水，最主要的特點是粗骨料表面包覆蓋一薄層水泥漿相互粘結(jié)而形成孔穴均勻分布的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，所以在透氣、透水方面效果顯著，常用作為透水地坪。透水混凝土應(yīng)用的主要目的是保護(hù)水資源，保障城市區(qū)域排水通暢，通過自身和基層的滲透性，表面水能高效率地排入地下水，有利促進(jìn)水循環(huán)系統(tǒng)。透水混凝土的優(yōu)勢很多，首先，在城市區(qū)域降雨期間，可以發(fā)現(xiàn)采用透水混凝土的路面能有效分散雨水，避免局部路面積水，尤其是在一些人流車流密集的城市效果顯著[1]；其次就是透水混凝土對于水循環(huán)系統(tǒng)的莫大作用，除了可以通過滲透地面積水穩(wěn)定地下水位，促進(jìn)水資源的可持續(xù)發(fā)展，保證“量”的穩(wěn)定，還在一定程度上對雨水的“質(zhì)”起到提高的作用，蜂窩狀的滲透結(jié)構(gòu)對過濾雨水進(jìn)行凈化效應(yīng)，保護(hù)雨水免受污染；最后，相對于普通混凝土，因為透水混凝土的獨特結(jié)構(gòu)，可以起到增大摩擦力的作用，提高車輛行駛的安全度，并且在如今喧囂噪音大的城市可吸收行車噪音，可謂是一舉兩得。

透水混凝土作為路面材料在國外應(yīng)用較為廣泛，起初西方發(fā)達(dá)國家也只是將其用于停車場、公園地坪，后來隨著科研學(xué)家開始對透水混凝土排水性能、配合比、養(yǎng)護(hù)方面進(jìn)行系統(tǒng)研究，充分利用到透水混凝土的抗滑、吸聲和防眩光功能，建造了上千公里的透水混凝土路面，對緩解城市“熱島效應(yīng)”和調(diào)節(jié)生態(tài)環(huán)境起到了良好的效果。而在國內(nèi)，1994年王武祥等人對透水混凝土的研制、性能進(jìn)行了試驗研究并取得了一系列成果，但由于其較低的抗壓強度，國內(nèi)一些大學(xué)、科研院繼續(xù)對透水混凝土配合比、水灰比、孔隙率、粗集料級配等參數(shù)分析試驗，包括成型方式諸如靜壓法、重型擊實法、插搗法、振動法等進(jìn)行了對比。在提升了透水混凝土性能之后從2005年開始國內(nèi)在城市建設(shè)中逐漸使用這種材料，小到公園廣場，大到奧運場館和上海世博會工程，皆有大量的應(yīng)用。

2、透水混凝土在凍融作用下?lián)p傷機理研究

透水混凝土通常的破壞形態(tài)有開裂、沉降等，主要是強度問題，但矛盾的一點是透水混凝土的透水系數(shù)與強度成反比，往往要先滿足透水系數(shù)再考慮最大強度。透水混凝土另一種常見且棘手的破壞形式是凍融破壞，在較寒冷地區(qū)，孔隙水會因為結(jié)冰膨脹而對混凝土產(chǎn)生破壞，再加上循環(huán)作用會加劇內(nèi)部應(yīng)力的增大。筆者制備了有工程實際想相同性質(zhì)的混凝土試件，通過快速凍融實驗方法，循環(huán)30次、60次、90次，借助于多通道微機控制電液伺服壓力試驗機對凍融透水混凝土進(jìn)行單軸壓縮試驗，分析混凝土等級、彈性模量，得到了完整的應(yīng)力應(yīng)變曲線。并借助于掃描電鏡（SEM）和壓汞儀測定凍融后混凝土的表觀形貌、細(xì)管結(jié)構(gòu)。利用所學(xué)的彈塑性理論、損傷理論以及試驗所得凍融混凝土的物理力學(xué)性質(zhì)，分析透水混凝土在凍融耦合作用下的損傷機理，建立本構(gòu)模型并進(jìn)行數(shù)值計算與試驗結(jié)果對比。

在凍融實驗中，發(fā)現(xiàn)循環(huán)次數(shù)從30次到60次再繼續(xù)增多的時候試件表觀開始出現(xiàn)表層剝離、骨料脫落等破壞現(xiàn)象。試驗過程中，混凝土裂縫隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加不斷出現(xiàn)，總數(shù)量與混凝土強度等級呈正比，裂縫呈多方向擴展?；炷猎嚰氖軌悍逯祽?yīng)力與凍融循環(huán)次數(shù)呈反比，峰值應(yīng)變與凍融循環(huán)次數(shù)呈線性增加。根據(jù)損傷理論來看，透水混凝土先是在凍融作用下產(chǎn)生微裂縫，然后是因單軸壓力引起的損傷，考慮循環(huán)次數(shù)、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和混凝土強度等級，以試驗為基礎(chǔ)建立透水混凝土在凍融循環(huán)作用下的損傷機理本構(gòu)模型并總結(jié)其演變規(guī)律。

3、凍融環(huán)境透水混凝土的防治措施

混凝土凍融破壞的影響因素有很多，配合比、水灰比、混凝土強度等級以及骨料種類對混凝土的抗凍性都有很大影響。其中水灰比的變化與孔隙率息息相關(guān)，正常情況下，水灰比越大，孔隙率越大，也就是孔隙水越多，凍融而造成的破壞可能就越大[2]。凍融與其他因素耦合作用可能會造成更大的破壞，諸如與鹽溶液耦合會提高飽水度，增大滲透壓力和結(jié)冰壓力；與干濕循環(huán)耦合作用，實驗中混凝土在硫酸鹽溶液中會表現(xiàn)下降趨勢的抗壓強度和明顯的表層剝離；與荷載、環(huán)境和氣候等因素耦合作用也會加快透水混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。筆者結(jié)合施工實踐，對透水混凝土凍融破壞防治給出幾點建議。第一，做好準(zhǔn)備工作，在制備時期根據(jù)施工環(huán)境選擇合適的水泥、骨料和外加劑，提高材料的耐久性；第二，根據(jù)環(huán)境條件控制配合比，確?？紫堵屎退冶仍谝欢ǖ姆秶鷥?nèi)，避免因水分過多造成凍脹破壞；第三，在制備透水混凝土的過程中摻入外加劑引氣劑，通過讓粗集料包覆的薄層水泥漿有一些均勻的小氣泡來增強抗凍性。

透水混凝土具有出色的滲水性，在各個工程建設(shè)中都能起到保護(hù)水資源、維持生態(tài)的作用。作為一種“環(huán)保地坪”，透水混凝土的優(yōu)越性完全符合建設(shè)“海綿城市”對于材料的要求，如今它已漸漸走入大眾視野。但透水混凝土也易造成破壞，并且破壞形式繁多，對于透水混凝土的維護(hù)，主要是破壞區(qū)域和混凝土透水能力的維護(hù)。本文只對凍融破壞作了簡單介紹，筆者也通過制作試件試驗，測量混凝土的相關(guān)力學(xué)和物理參數(shù)，建立本構(gòu)關(guān)系，從宏觀和微觀兩個角度去探討透水混凝土的凍融損傷。