凈漿特性對(duì)透水混凝土拌和物及硬化后孔隙分布的影響

史 迅，王亞萍，焦 凱，陳 晨，馬強(qiáng)強(qiáng)

(中國(guó)水利水電第三工程局有限公司，西安 710024)

0 引 言

透水混凝土是一種人為引入大量連通孔隙的生態(tài)友好型混凝土，由膠凝材料包裹粗骨料相互粘結(jié)而成。透水混凝土特殊的多孔結(jié)構(gòu)，具有透水、透氣、吸聲降噪等作用[1-2]，其作為一種重要的綠色混凝土，常被用于解決城市內(nèi)澇、優(yōu)化城市生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)水循環(huán)等一系列問(wèn)題?，F(xiàn)有研究表明，透水混凝土力學(xué)性能與透水性能存在矛盾，孔隙率每提高1%，抗壓強(qiáng)度會(huì)降低3%，故如何同時(shí)提高其力學(xué)性能和透水性能是透水混凝土推廣應(yīng)用的關(guān)鍵[3]。透水混凝土一般無(wú)細(xì)骨料，骨料顆粒之間呈“點(diǎn)接觸”[4-5]，其強(qiáng)度主要依靠骨料之間的嵌鎖和骨料與膠凝材料界面粘結(jié)兩方面[6]。漿體的流動(dòng)度、粘度以及自身的強(qiáng)度對(duì)骨料包裹的均勻性以及接觸點(diǎn)的粘結(jié)程度都有顯著的影響，從而影響其在成型過(guò)程中是否會(huì)發(fā)生沉底、離析等現(xiàn)象，這些將直接關(guān)系到硬化后透水混凝土的強(qiáng)度和孔隙率[7-9]。Sonebi 等[10]對(duì)透水混凝土配合比設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)建模，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的水灰比來(lái)控制漿體的流動(dòng)度。Zhong等[11]利用不同膠凝材料組分控制漿體的狀態(tài)，進(jìn)而控制骨料與漿體粘結(jié)程度，并提出可用此原理選取膠凝材料的組分。劉遠(yuǎn)祥等[12]研究了不同因素對(duì)透水混凝土掛漿厚度的影響，并提出了掛漿厚度的試驗(yàn)和計(jì)算方法。姜騫等[13]提出漿體的粘聚性有助于漿體均勻包裹骨料，提高孔隙結(jié)構(gòu)的均勻性。陳瀟等[14]研究了漿體流變特性對(duì)透水混凝土性能的影響，并用拉拔強(qiáng)度表征了粘結(jié)強(qiáng)度，解釋了骨料的包裹厚度和粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)透水混凝土影響的機(jī)制。

由于透水混凝土組成材料的特殊性，其拌和物工作性無(wú)法用常規(guī)方法評(píng)價(jià)，拌和物定量評(píng)價(jià)困難，缺乏統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，造成其硬化性能差距大，影響了透水混凝土的推廣使用[15]。由于透水混凝土拌和物的工作性主要由凈漿流動(dòng)度、粘度決定，本文開(kāi)展外加劑(減水劑和增稠劑)以及礦物摻合料(粉煤灰和硅灰)對(duì)凈漿流動(dòng)度和粘度的影響研究，通過(guò)分析凈漿特性對(duì)透水混凝土拌和物狀態(tài)及成型后孔隙率分布情況的影響，優(yōu)選狀態(tài)良好的漿體流動(dòng)度與粘度指標(biāo)范圍。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：P·O 42.5水泥。粗骨料：5～10 mm石灰?guī)r碎石，緊密堆積密度1 497 kg/m3，表觀密度2 510 kg/m3。粉煤灰：F類Ⅱ級(jí)。硅灰：比表面積26 500 m2/kg。減水劑：聚羧酸高效減水劑，淡黃色液體，固體含量20%。增稠劑：聚丙烯酰胺。水：自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

凈漿流動(dòng)度檢測(cè)按照《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》(GB/T 8077—2012)水泥凈漿流動(dòng)度的測(cè)定試驗(yàn)進(jìn)行。

凈漿粘度采用布氏旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)進(jìn)行測(cè)定，按照《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》(GB/T 8077—2012)方法拌和凈漿，將拌好的凈漿在100 s內(nèi)填裝至布氏旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)量杯內(nèi)刻度線處，開(kāi)啟布氏旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，待數(shù)值穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)。

1.3 配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用規(guī)范《透水混凝土路面技術(shù)規(guī)程》(DB11/T 775—2010)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。采用內(nèi)摻法摻加礦物摻合料，使用飽和面干骨料，并調(diào)整減水劑摻量獲取所需凈漿流動(dòng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 凈漿特性對(duì)混凝土拌和物性能的影響

2.1.1 減水劑、水膠比對(duì)流動(dòng)度的影響

選取0.25、0.27、0.29三種水膠比，進(jìn)行不同水膠比下減水劑摻量對(duì)凈漿流動(dòng)度影響的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同水膠比條件下減水劑摻量對(duì)凈漿流動(dòng)的影響Table 1 Effect of water reducing agent amount on net paste fluidity under different water-binder ratios

續(xù)表

由表1可知:同一水膠比條件下，凈漿流動(dòng)度隨減水劑摻量的增加而增大；不同水膠比，同一減水劑摻量的條件下，水膠比越大，流動(dòng)度越大。隨著水膠比的增大，減水劑摻量對(duì)流動(dòng)度的增幅有逐漸增大的趨勢(shì)。對(duì)于不同的水膠比，有不同的減水劑摻量范圍使?jié){體保持良好的流動(dòng)性(漿體流動(dòng)性良好的流動(dòng)度范圍為13.2～26.5 cm)，減水劑摻量未到達(dá)這個(gè)范圍時(shí)，漿體流動(dòng)性差，超過(guò)這個(gè)范圍，漿體會(huì)發(fā)生泌水現(xiàn)象。

2.1.2 凈漿流動(dòng)度對(duì)透水混凝土拌和物性能的影響

利用水膠比為0.27，流動(dòng)性良好的漿體進(jìn)行透水混凝土拌和試驗(yàn)，設(shè)計(jì)孔隙率為20%。凈漿流動(dòng)度小于16.6 cm時(shí)，混凝土拌和物偏干，表面無(wú)光澤，粘聚性較差，無(wú)法進(jìn)行有效成型，見(jiàn)圖1(a)；凈漿流動(dòng)度處于16.6～22.5 cm時(shí)，混凝土拌和物可均勻包裹骨料，骨料顆粒粘結(jié)性好,手攥成團(tuán)，骨料顆粒表面有金屬光澤，見(jiàn)圖1(b)；凈漿流動(dòng)度大于22.5 cm時(shí)，混凝土拌和物過(guò)稀，骨料表面泛有明顯水光，拌和物粘聚性差，漿體易與骨料分離，均一性差，見(jiàn)圖1(c)。

圖1 混凝土拌和物Fig.1 Concrete mixture

2.2 凈漿特性對(duì)透水混凝土硬化后孔隙分布均勻性的影響

2.2.1 減水劑摻量對(duì)凈漿粘度的影響

以0.27水膠比為例，研究減水劑用量與凈漿流動(dòng)度和粘度的關(guān)系，見(jiàn)圖2。由圖2可知，隨著減水劑摻量的增加，凈漿流動(dòng)度逐漸增大，而粘度逐漸降低。減水劑摻量在0.40%～0.55%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，凈漿粘度近似線性迅速下降，這是由于減水劑的加入，迅速提高了自由水含量，降低了水泥顆粒間的摩擦力，使?jié){體流動(dòng)性提高，穩(wěn)定性降低，漿體粘度降低；當(dāng)漿體流動(dòng)度大于22.5 cm后，其粘度已處于較低水平，此時(shí)減水劑摻量的增加僅提高漿體的流動(dòng)度，對(duì)漿體粘度影響較小。

圖2 減水劑摻量與凈漿流動(dòng)度和粘度的關(guān)系Fig.2 Relationship between the fluidity and viscosity of net paste with different amount of water reducing agent

2.2.2 增稠劑、粉煤灰、硅灰對(duì)凈漿粘度的影響

以水膠比0.27為例，研究固定摻量增稠劑(0.01%,質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、粉煤灰(5%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、硅灰(10%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)條件下凈漿粘度和流動(dòng)度的關(guān)系，見(jiàn)圖3。由圖3可知，不同摻合料漿體在相同流動(dòng)度下具有不同粘度。由于粉煤灰的玻璃微珠組分使其具有滾珠軸承作用，能減少顆粒間的內(nèi)摩阻力，增強(qiáng)水泥的分散作用，從而降低凈漿粘度。硅灰的比表面積遠(yuǎn)大于水泥，當(dāng)其作為摻合料摻加時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的微粒填充作用，漿體粘度得到一定程度的提高。細(xì)小微粒間的強(qiáng)吸附效應(yīng)使凈漿流動(dòng)度大于20.4 cm后，流動(dòng)度隨著減水劑摻量的增加受到明顯限制。聚丙烯酰胺陰離子的同性靜電斥力及較長(zhǎng)的棒狀分子鏈架橋形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加了漿體的剪切應(yīng)力，大幅度提高了漿體的粘度，0.01%摻量增稠劑凈漿粘度是基準(zhǔn)的4～6倍，增幅顯著。

對(duì)固定摻量粉煤灰、硅灰、增稠劑漿體的流動(dòng)度與粘度關(guān)系進(jìn)行擬合，見(jiàn)表2。擬合結(jié)果均具有較高相關(guān)性，粘度隨著流動(dòng)度的增加呈冪函數(shù)趨勢(shì)降低。

表2 凈漿粘度與流動(dòng)度的擬合公式Table 2 Fitting formula of the net paste viscosity and fluidity

2.2.3 凈漿粘度對(duì)透水混凝土硬化后孔隙分布均勻性的影響

試驗(yàn)采用0.27水膠比，摻加增稠劑(0.01%)、粉煤灰(5%)、硅灰(10%)，并調(diào)整減水劑摻量，獲得相同流動(dòng)度、不同粘度的凈漿。利用以上凈漿，在設(shè)計(jì)孔隙率為20%的條件下開(kāi)展透水混凝土成型試驗(yàn)。將成型后的試塊自上而下在15 mm、60 mm、135 mm處切開(kāi)，分別為上切面、中切面、下切面，測(cè)量比較不同切面孔隙率，分析孔隙分布均勻性。不同礦物摻合料或外加劑條件下混凝土拌和物的分層情況如表3所示。

表3 不同礦物摻合料或外加劑條件下混凝土拌和物的分層情況Table 3 Delamination of concrete mixture under different mineral admixtures and additives

圖像測(cè)量孔隙率方法：用墨汁染黑不同切面，待墨汁晾干后，用白色粉末填補(bǔ)切面孔隙，以增加其識(shí)別度；進(jìn)行圖像采集和尺寸校準(zhǔn)；在校準(zhǔn)后的圖像中心取100 mm×100 mm區(qū)域作為代表(避免切割后試件邊緣區(qū)域破碎對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響)進(jìn)行孔隙識(shí)別，計(jì)算其孔隙率。以第1組為例，其處理過(guò)程，見(jiàn)圖4。

圖4 第1組分層切割孔隙識(shí)別圖像Fig.4 Pore recognition images of cutting layer in the first group

由表3可知：在大流動(dòng)度情況下，只摻加減水劑的漿體，硬化成型后孔隙率成梯度下降，漿體分層明顯；摻加5%粉煤灰，漿體分層現(xiàn)象基本無(wú)改善；摻加10%硅灰，漿體分層現(xiàn)象有所改善；摻加0.01%增稠劑后，上切面和下切面孔隙率相差不超過(guò)3%，孔隙分布均勻度提高，漿體分層現(xiàn)象明顯改善；從圖3可以看出，摻加0.01%增稠劑，流動(dòng)度為22.5 cm時(shí)，其粘度約為7 000 mPa·s，因此優(yōu)選的凈漿粘度應(yīng)大于7 000 mPa·s。

3 結(jié) 論

(1)水膠比、減水劑摻量與凈漿流動(dòng)度呈正相關(guān)。良好流動(dòng)狀態(tài)的漿體流動(dòng)度范圍為13.2～26.5 cm，在此流動(dòng)度范圍內(nèi)，透水混凝土拌和物狀態(tài)出現(xiàn)從干硬到離析的變化，混凝土拌和物最佳狀態(tài)對(duì)應(yīng)的凈漿流動(dòng)度范圍為16.6～22.5 cm。

(2)在0.27水膠比條件下，調(diào)整減水劑的摻量獲得不同流動(dòng)度和粘度的漿體，隨減水劑摻量的增加，當(dāng)流動(dòng)度大于22.5 cm后，粘度基本無(wú)變化。

(3)摻加礦物摻合料和外加劑的漿體，在相同流動(dòng)度下具有不同的粘度，其粘度隨著流動(dòng)度的增加呈冪函數(shù)趨勢(shì)降低；在不改變流動(dòng)度的情況下，粉煤灰對(duì)漿體的粘度有降低作用，增稠劑和硅灰均提高了漿體的粘度，其中增稠劑對(duì)粘度提高作用顯著。

(4)摻加0.01%增稠劑，拌和物硬化成型后，上下切面孔隙率相差不超過(guò)3%，提高了孔隙分布的均勻度，減少了大流動(dòng)性透水混凝土的漿體沉底現(xiàn)象，一定程度上改善了透水混凝土流動(dòng)性與硬化后透水性能之間的矛盾；最優(yōu)流動(dòng)度上限條件下，摻加0.01%增稠劑對(duì)應(yīng)的凈漿粘度約為7 000 mPa·s，因此優(yōu)選凈漿粘度指標(biāo)應(yīng)大于7 000 mPa·s。