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【分享】透水混凝土的主要性能及其影响因素综述

2021年03月22日 12:00点击数量:79次


目前,我国的城镇化发展迅速,在城市高速发展的同时,也引发了一系列的生态环境问题,其中,水资源的生态危机尤为突出。为了解决水资源的生态问题以及水资源短缺和水安全问题,住房和城乡建设部、财政部和水利部等有关部门已在全国范围内的重点城市开展了海绵城市的试点示范工作,并给予中央财政资金支持。在建设海绵城市的过程中,雨水的收集与生态利用是符合可持续发展理念的生态工程,同时也是缓解城市内涝、恢复城市人工消纳雨水能力的关键。与传统混凝土相比,透水混凝土具有良好的透水性能,在建设海绵城市的过程中将起到至关重要的作用。本文就透水混凝土的主要性能及其影响因素分别进行归纳总结。


1 透水混凝土力学性能及其影响因素

由于混凝土主要承受压荷载,故在研究透水混凝土的强度时,应主要考虑透水混凝土的抗压强度和抗折强度。一般来说,透水混凝土的抗压强度大于透水砖,但小于普通混凝土,一般为20~30MPa,而影响透水混凝土力学性能的因素较为复杂。


1.1骨料


骨料是透水混凝土的主要组成材料,骨料的各种性质对透水混凝土的强度影响很大。


多孔混凝土属于骨架空隙结构,这种结构的混合料采用开级配,粗集料较多,混凝土的强度来自于彼此之间较大的内摩阻力和水泥胶浆的粘结力。透水混凝土是典型的多孔混凝土,其内部结构的粘聚力较小,因而强度主要依靠内摩擦角。而骨料的形状对透水混凝土的内摩擦角的影响较大,具体来说,卵石的内摩擦角小于人工破碎的碎石,故以棱角较多的碎石作为骨料的透水混凝土的强度高于以卵石作为骨料的透水混凝土。


骨料的粒径大小也会影响透水混凝土的强度。骨料的粒径越小,堆积密度越大,颗粒间的接触点越多,配制而成的透水混凝土的抗压强度就越高;反之,骨料的粒径越大,比表面积越小,所形成的结构中单位体积内骨料颗粒之间的接触点数量越少,胶结面积越小,抗压强度就越低。根据Griffith的微裂纹理论,将骨料的界面视为混凝土内部的裂纹,也可以得到相同的结论。


王瑞燕等人指出,根据透水混凝土的抗折破坏断面,当水泥石强度较高且与集料界面黏结良好时,透水性混凝土抗折破坏主要表现为集料破坏,而集料级配对抗折强度的影响程度并不大。路面用透水混凝土以抗折强度为设计目标,采用单粒径集料,可以同时保证混凝土的力学性能和透水性能。


砂率同样会影响透水混凝土的强度,且砂率与强度之间的关系是非线性的,付培江指出,透水混凝土的最佳砂率在12%左右,即当砂率为12%时,透水混凝土的强度达到最大值。当砂率较小时,胶结材的用量相对较多,此时增加砂的用量,骨料表面仍能被充分包裹,颗粒之间仍能形成较强的胶结层,同时,砂用量的增加也提高了混凝土整体的刚度,因此,混凝土的强度得到提高。而当砂率大于最佳砂率时,粗、细骨料颗粒的总表面积较大,胶结材的用量相对较少,不足以在粗细骨料颗粒之间形成足够厚的胶结层,导致混凝土的强度下降。


对于透水混凝土而言,集料的强度也是影响其性能的重要因素之一。张朝辉分别用不同强度的集料制备透水混凝土,并测试其抗压强度,结果表明,在配合比及集料粒径不变的条件下,集料的强度越高,透水混凝土的强度就越高。这是因为,集料的强度越高,试件在受压时,集料所起的骨架作用越明显;若集料的强度较低,即使胶结材料的强度很高,透水混凝土的强度也不会显著增加。这一结论与孙家瑛的试验结果相吻合。


1.2 水灰比与骨灰比


水灰比与骨灰比是对混凝土进行配合比设计时的两个重要参数,二者决定了透水混凝土各组成材料间的比例关系。孟宏睿分别采用0.30、0.33、0.35的水灰比制备透水混凝土,并测定其抗压强度,结果表明,当骨料的粒径相同时,随着水灰比的降低,用卵石制备的透水混凝土的抗压强度略有提高,用碎石制备的透水混凝土的抗压强度先升高后降低,总体来说,在0.3~0.35范围内,水灰比对透水混凝土的抗压强度影响不大。蒋正武的研究结果显示,当水灰比不变,骨灰比分别为64:3、60:3、56:3时,随着骨灰比的减小,由于骨料周围的水泥浆膜层的稠度和厚度逐渐增大,透水混凝土的抗压强度明显提高。


王培新的研究结果显示,当水胶比在0.3左右,且骨料的用量为1550kg时,随着水泥用量的增加,透水混凝土的抗压强度与抗折强度均升高,但当水泥用量超过400kg/m3后,透水混凝土的抗压强度和抗折强度的增长率开始下降。此外,水灰比与骨灰比对透水混凝土的孔隙率有很大影响,进而影响透水混凝土的强度。付利彬[9]指出,随着透水混凝土孔隙率的增大,透水混凝土的抗压强度、抗折强度和劈裂强度都逐渐降低,而透水混凝土的抗折强度和劈裂强度随着抗压强度的增大而升高,其抗压强度与抗折强度、劈裂强度的比值关系也随着孔隙率的变化而变化。


1.3 硅灰、粉煤灰、矿渣、钢渣等掺合料


硅灰、粉煤灰、矿渣等矿物掺合料能够降低混凝土早期的水泥水化放热,同时,还可以通过火山灰反应,消耗混凝土中对强度不利的Ca(OH)2,产生二次C-S-H,而钢渣也可以通过自身胶凝性,产生细小的水化产物,填充水泥浆体的孔隙和混凝土的界面过渡区。在混凝土中加入硅灰、粉煤灰、钢渣等掺合料,不仅可以提高混凝土的后期性能,还能够消耗工业固废,节约水泥,具有经济和环境双重效益。


李子成的研究结果显示,当粉煤灰的掺量为0%~30%时,随着粉煤灰的掺量的增加,透水混凝土7d龄期的抗压强度逐渐降低,28d龄期的抗压强度逐渐升高;当钢渣的掺量为0%~25%时,随着钢渣掺量的增加,透水混凝土7d龄期的抗压强度逐渐降低,28d龄期的抗压强度先升高后降低,最佳掺量在10%~15%;当粉煤灰与钢渣复掺,粉煤灰的掺量为15%~20%、钢渣的掺量为10%~15%时,透水混凝土28d龄期的抗压强度较高。孟刚的研究结果显示,当粉煤灰的掺量为0%~50%时,随着粉煤灰掺量的增加,透水混凝土7d龄期的抗压强度先升高后降低,在掺量为30%时取得最大值,而28d龄期的抗压强度逐渐降低。


蒋正武的研究结果显示,当硅灰的掺量为0%~10%时,随着硅灰掺量的增加,不加减水剂的透水混凝土的抗压强度逐渐下降,掺加减水剂的透水混凝土的抗压强度逐渐升高。这主要是由于,硅灰的颗粒尺寸较小,比表面积较大,在没有减水剂的情况下,浆体不足以将骨料完全包裹,导致混凝土强度降低;掺加减水剂后,混凝土的和易性提高,浆体与骨料的联结更紧密,进而混凝土各龄期的抗压强度升高。黄杨程的研究结果显示,当硅灰的掺量为6%时,透水混凝土的抗压强度较高,同时能维持较高的孔隙率,使混凝土具有良好的透水性。


王培新的研究结果显示,与掺等量的粉煤灰的混凝土相比,掺矿渣的透水混凝土早期的抗压强度发展较快,且28d龄期的抗压强度较高,这主要是由于矿渣的粒径比粉煤灰小,早期活性比粉煤灰大,导致掺矿渣的透水混凝土的早期强度比掺粉煤灰的透水混凝土高。


1.4 聚合物


在混凝土中加入聚合物乳液,能够改善混凝土的和易性,从而提高混凝土的强度。吴红斌在不同水灰比的透水混凝土中掺加了5%、10%的羧基丁苯乳液(SD622S),试验结果显示,当SD622S乳液的掺量为5%时,透水混凝土的抗压强度最大。蒋正武在透水混凝土中掺加了2%、4%的聚合物乳液,试验结果显示,透水混凝土的抗压强度在聚合物乳液掺量为2%时最高,而当聚合物乳液掺量达到4%时,透水混凝土的抗压强度略有下降。由此可见,聚合物乳液的掺量存在最佳值。当掺量小于最佳值时,随着聚合物乳液的掺量的增加,混凝土的和易性增加,从而浆体与骨料间的粘结更加紧密,抗压强度升高。当掺量超过最佳值后,聚合物乳液将包裹水泥颗粒,阻碍其完全水化,此外,掺加乳液的同时会引入一定量的气体,导致混凝土的最终强度降低。陈瑜指出,在相同的掺量下,掺加聚合物得到的透水混凝土的抗折强度明显大于掺加粉煤灰和矿渣的透水混凝土。


除了加入聚合物乳液能够提高透水混凝土抗压、抗弯折性能外,加入聚合物纤维,使混凝土的颗粒间的黏结更紧密,同时聚合物纤维也可以承受部分拉应力,从而提高混凝土的抗折强度。满都拉将粗骨料中30%换成了再生集料,并分别向其中添加0.5%、1.0%、1.5%的聚丙烯纤维,试验结果表明,随着聚丙烯纤维掺量的增加,混凝土的抗弯折强度提高。王永海向混凝土中按体积比例掺入0.1%的聚丙烯纤维,发现虽然聚丙烯纤维对水泥浆体裂缝的发展有一定的束缚限制作用,但掺量过少时对透水混凝土的抗弯拉强度影响不大。


1.5 搅拌、成型工艺及养护条件


成型工艺对透水混凝土的各项指标均有显著影响。目前国内透水混凝土路面的成型工艺主要包括摊平后用轻型碾压机压实和摊铺刮平后振动辊压整平这两种方法。


蒋正武分别采用加料法、水泥裹石法对混凝土进行搅拌,结果表明,采用水泥裹石法搅拌的透水混凝土的孔隙率较小,但是抗压强度大幅提高。邢晓明指出,振动成型工艺的要点在于控制好振动的时间,若振动时间过短,混凝土的内部不紧密,导致混凝土的强度较低;若振动时间过长,会产生沉浆现象,影响透水混凝土的透水系数;此外,由于透水混凝土的孔隙率较大,可能导致水分蒸发过多,引起混凝土产生较大的收缩,所以在混凝土养护的过程中,要保持良好的环境湿度。


吴冬等人分别用手工插捣和机械振捣的方法制备了透水混凝土,从外观上看,手工插捣制作的试块的均匀性较好,但密实度差;机械振捣的试块的密实度好,但下部的浆体比上部多,且振捣时间越长,下部浆体越多;通过对比试验发现,采用手工插捣10次、机械振捣10s的成型方法,可以使混凝土的强度与孔隙率达到一个比较好的结合点。


徐崇仁等人分别采用插捣成型法、振动成型法、压力成型法、振压成型法这四种方法来制备混凝土,当采用振动成型方法时,随着振动时间的增加,透水混凝土的抗压强度先增大后减小;当采用压力成型方法时,随着成型压力的增加,透水混凝土的抗压强度先增大后减小;总的来说,插捣成型法得到的混凝土的抗压强度较低,而振动成型法和压力成型法的效果相当,振压成型法得到的透水混凝土的抗压强度较大,这与张朝辉的试验结果类似。


2 透水混凝土的透水性能及其影响因素

透水系数反映的是混凝土的排水性能,透水系数越大,单位时间透过混凝土的水越多。它是透水混凝土区别于普通混凝土的评价指标,主要由透水混凝土的有效孔隙率及总孔隙率决定,此外,水自身的性质也会对透水混凝土的透水性能造成影响。


2.1 骨料


骨料不仅影响透水混凝土的力学性能,还影响透水混凝土的透水系数。


薛丽皎分别选用不同粒径及形状的集料作为透水混凝土的骨料制备透水混凝土,结果表明,透水混凝土的透水系数与骨料的粒径大小及形状均有关,随着骨料粒径的增大,用碎石和卵石配制的透水混凝土的总孔隙率均有增大,骨料间的接触点减少,孔洞尺寸增大。由于卵石的接触点比碎石多,因此卵石的孔隙比碎石少一些。透水混凝土的透水能力主要取决于混凝土内部的连通孔隙,总孔隙率愈大,透水系数愈大,透水性能也就越好。但姜健同时指出此二者并非是线性关系。孟宏睿也得到了相同的结论。


王武祥指出,集料的级配是影响透水混凝土透水性能的关键因素,他将不同级配的集料进行混配,得到相同抗压强度的透水混凝土,但是这些透水混凝土的透水性能却有显著差异。此外,李秋实指出,天然集料和再生集料种类的选择也会影响透水混凝土的透水性能,通常,使用再生集料制备的透水混凝土的总孔隙率高于使用天然集料制备的混凝土的总孔隙率,这是由于,再生集料中不可避免的会含有部分水泥浆体,而这部分水泥浆体自身存在孔隙,而且浆体的密度小于集料,所以使得再生集料的孔隙率较高。Erhan Güneyisi等人也得到了相同的结论。


王培新指出,配制透水混凝土时,加入适量的细集料有利于提高其强度和透水性,但细集料的量不能过多,否则会导致透水混凝土变得密实而失去透水作用,砂率为10%、水泥用量为400kg/m3的透水混凝土的抗压强度可达34.2MPa、透水系数达1.08mm/s,能够满足行业标准CJJ/T135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》中C30强度等级的要求。


2.2 水灰比与骨灰比


水灰比与骨灰比共同决定透水混凝土的孔隙率,因此,在骨料的粒径、种类确定后,水灰比和骨灰比是影响透水混凝土透水率的最重要的因素。


张朝辉通过控制变量法分别研究了水灰比与骨灰比对透水混凝土透水性能的影响,试验中水泥选用42.5级普通硅酸盐水泥,集料选用天然集料,灰集比为1:4、水灰比分别为0.24、0.26、0.28、0.30、0.32时,结果显示,透水混凝土的透水系数随着水灰比的增加呈现先增加后降低的趋势,最大值点出现在水灰比为0.30时,这主要是由于,水灰比较低时,水泥颗粒易于结团而堵塞孔隙,使孔隙的连通性变差,导致透水系数降低,而当水灰比超过最佳值后,会产生沉浆现象,导致混凝土的有效孔隙率减少,连通性变差,透水系数下降;当水灰比为0.28,骨灰比分别为1:3、1:4、1:5、1:6、1:8时,随着灰集比的降低,透水混凝土的透水系数大幅度升高,这是由于水泥用量的增大,导致了集料之间连通的孔隙数量和孔径均减小,甚至孔隙被堵塞,使孔道变得不连通,从而导致整个骨架透水的通道减少,透水系数降低。蒋正武及王武祥也得到了相似的试验结果。


孟宏睿指出,判断水灰比是否合适的方法如下:取一些拌合好的拌合物进行观察,如果水泥浆在骨料颗粒表面包裹均匀,没有水泥浆下滴现象,而且颗粒有类似金属的光泽,则说明水灰比较为合适;并且,无砂透水混凝土的透水性在灰骨比一定的情况下,随水灰比的增大,透水系数增大,且粒径小的比粒径大的混凝土的透水系数略高。王瑞燕指出,合理水胶比的范围为0.30~0.34。


2.3 成型方法


孟宏睿分别采用加压1MPa、2MPa、3MPa和振捣5s、10s、15s以及每层插捣10次、15次、20次的成型方法制备透水混凝土,结果显示,采用插捣15次、振捣10s、加压2MPa的成型方法制备的混凝土28d龄期时透水性能和抗压强度良好;相比于加压1MPa和3MPa,加压2MPa的成型方法得到的透水混凝土强度、透水系数、连通孔隙率更优。


孟刚对比了分别采用静压成型与振动成型的试件,结果表示,在相同配合比和养护条件下,振动成型试件的透水系数明显低于静压成型试件的透水系数,但在透水系数的数值上,采用振动成型的方法测得的透水系数均大于1mm/s,满足目标要求;并分别采用一次加料法及水泥裹石法进行搅拌,结果表明,采用水泥裹石法搅拌有利于改善透水混凝土的透水性。


徐仁崇指出,在采用振动成型法时,要严格控制振动时间,以8~12s为宜;采用压力成型法时,成型压力宜为60~80kN;而采用振压结合的方法可以使透水混凝土得到更优的抗压强度及透水系数。吴冬认为,将手工插捣与机械振捣的方式相结合,以使透水混凝土的透水系数达到要求。


2.4 聚合物


李秋实指出,无论选用哪种集料,添加聚合物改性剂都能使透水混凝土的总孔隙略有降低。吴红斌也指出,在孔隙率变化不大的情况下,透水系数受聚合物的影响较小。


满都拉在透水混凝土中掺入了聚丙烯纤维,结果显示,在有效孔隙率为25.1%~25.9%的范围内,有效孔隙率基本上随着纤维掺量的增加而呈现降低趋势,但纤维掺量为0%~1.5%时,对多孔混凝土的有效孔隙率影响有限。


2.5 面层结构


为提高透水性混凝土表面的耐磨性,改善装饰性,降低生产成本,在某些透水性混凝土制品的制作时,可采用上下复合结构。对于此类透水混凝土,面层的配合比及面层的厚度都会影响透水混凝土的透水系数,由于面层料的透水系数大大小于基层的透水系数,因此,面层越厚,透水混凝土的透水系数越小。


2.6 温度


杨刚指出,温度也是影响透水混凝土透水性能的一个因素,温度越低,水的动力黏滞系数越大,透水系数越小,以20℃为标准,在温度为T时的透水系数可按式(1)换算成标准温度时的透水系数:

3 透水混凝土的耐久性能及其影响因素

混凝土的耐久性问题一般可以分为混凝土自身的耐久性问题以及混凝土中钢筋的耐久性问题两方面,而透水混凝土一般不与钢筋一起形成钢筋混凝土,故这里只讨论透水混凝土自身的耐久性问题。


透水混凝土的耐久性能主要是指抗冻融能力及抗盐腐蚀能力,此外,透水混凝土的收缩问题也将在这里一并讨论。


根据1994年修订的《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》,将试件动弹性模量下降至60%,质量损失到达5%或者冻融至300次作为衡量多孔混凝土的评价标准。吴红斌的试验结果显示,不掺加聚合物的透水性混凝土在经历120次冻融循环后,其相对动弹模量下降至51.5%,低于60%,而掺加了5%羧基丁苯乳液的混凝土在经历120次冻融循环后相对动弹性模量为68.6%,透水性混凝土的抗冻融性能在掺入聚合物后得到明显改善。


孙家瑛以水泥用量为340kg/m3,集灰比为4.5,水灰比为0.3配制出的透水混凝土在80℃下的28d抗压强度比标准抗压强度高了7%,干湿循环30次后的抗压强度较标准抗压强度高了10%,但透水水泥混凝土冻融循环100次后的抗压强度是标准抗压强度的86%,强度损失达到14%,因此,透水混凝土在长期冻融环境下要慎用。


楼俊杰分别用粉煤灰和矿渣代替部分水泥制备混凝土,以Na2SO4和MgSO4的混合溶液作为腐蚀溶液,对透水混凝土进行抗腐蚀性试验,结果显示,掺加粉煤灰和矿粉矿渣微粉后,透水性混凝土的抗硫酸盐腐蚀能力显著增强,并且掺加粉煤灰的透水性混凝土比掺加矿渣微粉的透水性混凝土的抗硫酸盐腐蚀能力略强,透水混凝土的强度损失更少。


混凝土的收缩问题也值得关注。付立彬指出,自然养护条件下,在塑性阶段,普通混凝土的收缩较无砂透水混凝土的小,且胶结材含量多的无砂透水混凝土的收缩较大;在硬化后阶段,普通混凝土的收缩较大,胶结材含量较少的无砂透水混凝土收缩越小。刘翠萍[30]指出,增加砂率可明显降低塑性阶段的水化热导致的膨胀和在之后的收缩,细骨料的使用对降低透水混凝土的开裂倾向很有益处;在透水混凝土的早期养护条件方面,若在水化硬化初期,进行充分的保湿养护,可以降低其开裂倾向。


4 工作性能

新拌混凝土在浇筑时的性能统称为工作度,一般由流动性、捣实性和粘聚性来表征。一般混凝土的工作度可以通过坍落度法和维勃稠度法来进行测定,但是由于透水混凝土的坍落度小,所以传统测定坍落度的方法并不适用于透水混凝土。盛燕萍等人以富余浆量比(即富余浆量与混合料总质量的比值)作为透水混凝土工作性的评价指标,而董雨明等人则借鉴日本水泥协会和日本道路公团的稠度评价方法,依据水灰比由小到大的变化,把新拌透水混凝土的状态相应地分为A~E五个等级,选用C级(试料保持容器形状,骨料表面有光泽)表征稠度目标值作为工作性能的评价指标。


用水量与水泥浆量是混凝土拌合物最敏感的因素。透水混凝土中由于水泥浆体用量少、水灰比小使其具有较好的黏聚性,无泌水、离析现象,但却因此降低了流动性。当水泥浆量一定时,砂率过大,骨料的比表面积较大,骨料之间的水泥浆层厚度减少,工作度变差;但砂率过小,砂子不足以填充粗骨料的空隙,水泥浆除了填充细砂间的空隙,还要填充粗骨料之间的空隙,同样会导致骨料间的水泥浆层厚度减少,工作度下降。因此,砂率存在一个最佳值。付培江认为,最佳砂率为20%。此外,掺有需水量较少的粉煤灰或者磨细矿渣时,拌合物需水量降低,在用水量、水灰比相同时流动性明显改善,故可以用部分粉煤灰代替部分骨料。


5 结语

透水混凝土是一种新的生态型、环保型材料,因其具有显著的优势,在国内日益受到人们青睐,并逐步应用于公路道桥中。透水混凝土是一种多组成成分的多相材料,其各项性能及其影响因素较为复杂。我国对于透水混凝土的研究起步较晚,现阶段对透水混凝土微观结构的研究还比较缺乏,今后应深入进行透水混凝土微观结构的研究,逐步改善透水混凝土的宏观性能,将透水混凝土大规模应用于现代“海绵城市”中。

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