透水混凝土強度及透水性能影響因素研究

周玉玲，明廷臻，萬美南

(1. 黃岡師范學(xué)院，湖北 黃岡 438000; 2. 武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070)

0 引 言

隨著我國城市化進(jìn)程的推進(jìn)，越來越多的土地被開發(fā)建設(shè)，混凝土路面的占比也隨之增高。在傳統(tǒng)的建筑行業(yè)中，較多采用混凝土作為路面鋪裝材料，傳統(tǒng)混凝土材料耐久性較差，受車輛反復(fù)碾壓易產(chǎn)生破壞需要定期修補[1-2]。硬化混凝土路面的密實度較高，滲透性能差，阻斷了自然降水與地下水資源的循環(huán)作用和土地與空氣之間的物質(zhì)能量交換[3-6]。在多雨季節(jié)，傳統(tǒng)混凝土路面易發(fā)生積水現(xiàn)象，影響交通，嚴(yán)重時可發(fā)生城市內(nèi)澇；在炎熱的夏季，傳統(tǒng)混凝土的低滲透性和低導(dǎo)熱性阻礙了空氣與土壤的熱交換，是城市“熱島效應(yīng)”產(chǎn)生的重要原因之一。對此，采用高效的路面排水系統(tǒng)和應(yīng)用高滲透性的路面材料是不錯的選擇[7]。

透水混凝土作為一種高滲透性混凝土材料，其內(nèi)部擁有聯(lián)通孔隙結(jié)構(gòu)，透氣透水，而且可根據(jù)路面要求設(shè)計強度和透水性能，施工工藝簡單、成本低廉，是應(yīng)用前景廣闊的路面滲透材料。透水混凝土能吸聲降噪，不影響土壤與空氣的水分和熱量交換，雨天無明顯積水和路面反光，是環(huán)境友好型的綠色建筑材料。在當(dāng)今社會，人們對環(huán)境問題的關(guān)注與日俱增，而透水混凝土作為一種新的環(huán)境友好材料，必將日益受到青睞，并在環(huán)境治理方面做出巨大貢獻(xiàn)[8-11]。

目前，隨著透水混凝土實驗研究的深入，透水混凝土開始在實際工程中應(yīng)用。北京南北長街道路工程用無砂透水混凝土，28 d抗壓強度可達(dá)15.3 MPa，透水系數(shù)19 mm/s；北京奧林匹克公園人行道用透水混凝土，28 d強度滿足C25混凝土強度要求，透水系數(shù)高達(dá)39 mm/s；上海西站綜合交通樞紐南廣場臨時站前廣場用透水混凝土，28 d抗壓強度滿足C20混凝土強度要求，透水系數(shù)高于3 mm/s[12]。透水混凝土多孔高滲透能力，導(dǎo)致強度不高，透水性和強度無法很好平衡，無法滿足高強度需求場合，嚴(yán)重阻礙了透水混凝土進(jìn)一步推廣和發(fā)展；其次，透水混凝土耐久性不足，容易發(fā)生開裂破壞、孔隙堵塞也是目前透水混凝土應(yīng)用遇到的問題[13]。

為研究透水混凝土強度及透水性能的影響因素，本研究通過調(diào)整混凝土配合比，來探究各因素對透水混凝土抗壓強度和滲透性能的影響，同時探究了再生橡膠粉對其性能的影響。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

主要原材料有拉法基生產(chǎn)的P·O 42.5R水泥、硅灰、粉煤灰、機(jī)制碎石、河沙、再生橡膠粉和聚羧酸高性能減水劑。水泥的物理力學(xué)性能如表1所示，水泥、硅灰和粉煤灰的化學(xué)組成見表2；機(jī)制碎石粒徑為4.75～9.5 mm，河沙細(xì)度模數(shù)為1.8，粒徑0.25～0.125 mm；橡膠粉是以低速輪胎為原料生產(chǎn)的硫化膠粉，粒徑 40～80目，松散堆積密度310 kg/m3；聚羧酸高性能減水劑減水率≥25%，含固量35%。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

表2 水泥、硅灰和粉煤灰的化學(xué)組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

1.2 試驗方法

1.2.1 制備方法

傳統(tǒng)混凝土的振搗方法一般為機(jī)械振搗，但是透水混凝土與普通混凝土不同，振動成型容易導(dǎo)致透水混凝土骨料形成緊密堆積狀態(tài)，較大可能會使?jié){體沉積在試件底部，產(chǎn)生“封底”現(xiàn)象，影響透水性能。插搗成型的透水混凝土，膠凝材料分布均勻，有足夠多的貫穿通道形成，利于透水[14]。因此，本試驗采用人工插搗方法，模具為邊長100 mm的正方體標(biāo)準(zhǔn)工程鋼模。

試驗步驟：

1）根據(jù)表3混凝土的配合比數(shù)據(jù)稱量原材料；

表3 透水混凝土配合比kg/m3

2）依次把膠凝材料和骨料倒入攪拌機(jī)中，干拌60 s；

3）加入一半質(zhì)量的水和全部減水劑，均勻倒入攪拌機(jī)中，拌合60 s后再加入剩余的水并攪拌均勻，攪拌總時間控制在4 min左右；

4）拌合完畢后，將拌合物從攪拌機(jī)中取出，并裝入模具人工插搗成型，之后蓋上保鮮膜；

5）室溫靜置24 h后進(jìn)行拆模、編號，然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)（溫度(20±2) ℃，相對濕度≥95%）養(yǎng)護(hù) 28 d；

6）到達(dá)養(yǎng)護(hù)齡期后，測試透水混凝土抗壓強度和透水系數(shù)。

1.2.2 測試方法

參照GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》測試混凝土抗壓強度。試驗采用 100 mm×100 mm×100 mm 的立方體非標(biāo)準(zhǔn)試件，每組試件測試3塊，試驗過程中加荷速度為0.5 MPa/s，測得的強度值乘以尺寸換算系數(shù)0.95。

采用獻(xiàn)縣天健儀器有限公司生產(chǎn)的TSY-3型混凝土路面磚透水系數(shù)測定儀（符合GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》的要求）測試混凝土透水系數(shù)。試驗采用新制備蒸餾水（水溫23 ℃），每組試件測試 3塊，試塊直徑 75 mm，高 100 mm，將試塊四周用膠帶密封使其不漏水，水僅從上下表面滲透，每個試塊按照測定儀的程序測定其透水系數(shù)，取三次測量的算數(shù)平均值作為最后測量值。

2 結(jié)果與討論

2.1 各因素對透水混凝土性能的影響分析

試驗組A1～A5僅改變用水量，各試驗組水膠比分別為0.20～0.28，試驗結(jié)果如圖1所示。隨著水膠比的增大，透水混凝土的抗壓強度總體表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，在水膠比為0.22時，抗壓強度達(dá)到最大值32.1 MPa。分析：較低的水膠比令骨料間的膠凝漿體流動性變差，導(dǎo)致漿體分布不均勻，骨料包裹效果較差，降低了骨料間的粘合作用，從而改變了混凝土整體結(jié)構(gòu)的抗壓強度；逐漸增大水膠比時，膠凝漿體的流動能力改善，掛漿效果變好，骨料之間漿體層厚度增加，抗壓強度也逐漸增大；當(dāng)水膠比達(dá)到一定值后，再繼續(xù)增大水膠比，膠凝漿體掛漿效果變差，多出的膠凝漿體會聚集在試塊底部，出現(xiàn)離析現(xiàn)象，導(dǎo)致抗壓強度降低。

圖1 水膠比對強度和透水性能的影響

隨著水膠比的增高，透水系數(shù)總體呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。分析：在膠凝材料用量固定的情況下，水膠比較小時，膠凝漿體過于干硬，和易性較差，骨料間的膠凝漿體分布不均勻，骨料沒有被膠凝漿體完全裹住，骨料之間存在較多的孔隙，利于透水混凝土的透水性能；反之，水膠比越大，膠凝漿體的流動性越好，更易產(chǎn)生離析現(xiàn)象，嚴(yán)重時試塊失去透水功能，強度大幅度降低。

試驗組B1～B4僅改變砂率，用減水劑調(diào)節(jié)工作性，各試驗組砂率為2%～8%，試驗結(jié)果如圖2所示。隨著砂率的增高，透水混凝土抗壓強度逐漸增高，透水系數(shù)則逐漸降低。分析：隨著砂率的增高，透水混凝土孔隙率減小，基體逐漸變得密實，因而強度提高；由于孔隙率的減小，具有透水作用的連通孔隙也逐漸減少，基體透水性能下降，透水系數(shù)變小。

圖2 砂率對強度和透水性能的影響

試驗組C1～C4僅改變礦物摻合料的摻量（摻合料包括粉煤灰和硅灰，二者質(zhì)量比為2∶1），用減水劑調(diào)節(jié)工作性，各試驗組摻量分別為10%～40%，試驗結(jié)果如圖3所示。若只用水泥作為膠凝材料，透水混凝土的抗壓強度相對較低，當(dāng)摻入摻合料時，透水混凝土的抗壓強度逐漸上升，當(dāng)摻量為20%時，抗壓強度達(dá)到峰值39.0 MPa，之后摻量繼續(xù)增加，但抗壓強度逐漸下降。分析：活性礦物摻合料的摻入，改善了水泥石的微觀結(jié)構(gòu)，摻合料中的活性SiO2和Al2O3同水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生“二次水化”反應(yīng)，降低了界面過渡區(qū)的缺陷。水泥石中的孔隙孔徑分布在5～50 μm，在摻入摻合料之后，其直徑減小到0.1～0.2 μm，把擁有活性的超細(xì)粉末顆粒填充于水泥顆粒間的縫隙，增加了膠凝漿體的密實度，其發(fā)揮的“火山灰效應(yīng)”降低了界面過渡區(qū)的厚度，從而提高了透水混凝土的抗壓強度。當(dāng)摻合料摻量較多時，沒有足夠的水泥提供強度，且富余的摻合料難以參與“二次水化”反應(yīng)，強度則會降低。

圖3 礦物摻合料摻量對強度和透水性能的影響

隨著摻合料摻量的增高，混凝土透水性能逐漸降低。分析：活性礦物摻合料中的硅灰顆粒小、比表面積大，隨著摻合料摻量的增加，膠凝材料需水量增高，膠凝漿體流動性降低，掛漿效果變差。此時采用聚羧酸減水劑調(diào)節(jié)漿體流動性，雖然可以順利掛漿，但漿體粘稠度增加，不易產(chǎn)生連通孔，因而透水性能下降。

2.2 微觀性能測試

圖4為純水泥B3與摻20%礦物摻合料C2試驗組的物相組成，主要物相為Ca(OH)2和AFt。圖中明顯可以看到純水泥B3試驗組的物相中，水化產(chǎn)物Ca(OH)2的峰強明顯，說明純水泥試驗組的Ca(OH)2含量相對較高。而摻入20%礦物摻合料的C2組，物相中水化產(chǎn)物Ca(OH)2的峰強明顯較弱，與礦物摻合料參與“火山灰反應(yīng)”消耗Ca(OH)2相對應(yīng)。

圖4 純水泥（B3）與摻20%礦物摻合料（C2）試驗組的XRD圖譜

圖5為純水泥與摻20%礦物摻合料試驗組的微觀形貌SEM圖片。由圖可知，在純水泥試驗組中，水泥石基體孔隙較多，存在大量板狀晶體，且尺寸較大，表明純水泥試驗組中有較多的大尺寸Ca(OH)2晶體顆粒，這與XRD分析相對應(yīng)。摻20%礦物摻合料試驗組中，水泥石基體孔隙較少，且未見大量大尺寸板狀晶體，說明摻有活性礦物摻合料的膠凝漿體會產(chǎn)生較少的Ca(OH)2晶體，水泥石基體也會更加密實，這與礦物摻合料參與“火山灰反應(yīng)”消耗Ca(OH)2相對應(yīng)，也證明“火山灰反應(yīng)”可減少水泥石基體的孔隙，提高密實度。

圖5 純水泥與摻20%礦物摻合料試驗組的SEM圖片

2.3 橡膠粉對透水混凝土性能的影響分析

試驗組D1～D4僅改變橡膠粉的摻量，用減水劑調(diào)節(jié)工作性，橡膠粉分別等質(zhì)量代替河沙25%～100%，試驗結(jié)果如圖6所示。隨著橡膠粉摻量的增加，透水混凝土的抗壓強度先增高，之后逐漸降低。低密度橡膠粉等質(zhì)量替代河沙，少量替代時總的細(xì)骨料體積增加，減小了透水混凝土的孔隙率，增加了混凝土基體的密實度，所以強度有所上升，繼續(xù)增加橡膠粉摻量時，由于廢橡膠粉通過與水泥漿的粘接同骨料結(jié)合，橡膠粉末與水泥漿之間的粘合性差，會削弱混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的結(jié)合力，從而降低抗壓強度。當(dāng)達(dá)到試塊所能承受極限載荷時，無橡膠粉摻入的透水混凝土發(fā)生脆裂，試塊會嚴(yán)重崩壞。而混有橡膠粉末的試塊在達(dá)到極限載荷后會出現(xiàn)延性損壞，在損壞期間聲音會變鈍，并且崩壞后形狀相對完整，較少碎塊掉落。隨著橡膠粉摻量的增加，滲透率先下降后上升。低密度橡膠粉等質(zhì)量替代河沙，少量替代時減小了透水混凝土的孔隙率，使?jié)B透系數(shù)減??；隨著用量的增大，橡膠粉與水泥石之間的結(jié)合效果逐漸變差，造成了許多縫隙缺陷，從而提高了透水性能。

圖6 橡膠粉摻量對強度和透水性能的影響

橡膠屬于有機(jī)材料，具有彈性，在受到壓應(yīng)力時容易產(chǎn)生變形，對粗骨料的支撐力?。黄浯?，橡膠與水泥石的粘結(jié)效果差，如圖7所示，橡膠與水的接觸角為94°，屬于疏水材料，水泥漿和橡膠表面難以牢固結(jié)合，這兩點原因?qū)е铝嘶炷翉姸鹊慕档汀?/p>

圖7 橡膠與水的接觸角

3 結(jié)束語

1）隨著水膠比的增大，透水混凝土的抗壓強度先增高后降低，透水性能逐漸降低，當(dāng)水膠比為0.22時，水泥漿掛漿效果較佳，同時形成的連通孔較多，透水混凝土具有良好的抗壓強度和透水性能。

2）隨著砂率的增高，透水混凝土的抗壓強度逐漸增高，透水性能逐漸降低，當(dāng)砂率為6%時，細(xì)骨料在粗骨料孔隙之間的填充效果較好，使得透水混凝土具備較優(yōu)的抗壓強度和透水性能。

3）隨著礦物摻合料摻量的增加，其摻量存在一個最優(yōu)范圍，使得透水混凝土透水性能與強度俱佳。當(dāng)摻合料摻量為20%（粉煤灰與硅灰質(zhì)量比為2∶1）時，水泥石的微觀結(jié)構(gòu)得到改善，透水混凝土的強度最高，同時其透水性能較優(yōu)。

4）橡膠粉等質(zhì)量代替河沙摻入透水混凝土?xí)r，混凝土抗壓強度下降比較明顯，但透水性能有一定的提高，當(dāng)橡膠粉代替量為25%時，混凝土抗壓強度略有升高，且透水性能沒有明顯降低。