劉嘉欣

(廣東粵路勘察設(shè)計(jì)有限公司 河源市 510635)

0 引言

硅酸鹽水泥透水混凝土(PCPC)，又稱多孔混凝土或透水混凝土，是由硅酸鹽水泥、均勻粗骨料、少量或無(wú)細(xì)骨料和水混合而成[1]。使用適量的水和膠凝材料創(chuàng)造一種糊狀物質(zhì)，這種糊狀物質(zhì)在聚集體顆粒周圍會(huì)形成一層薄薄的涂層，并會(huì)在它們之間留下空間[2]。因此，該材料具有良好的透水性[3]。由于PCPC具有良好的環(huán)境效益，同時(shí)還具有降低城市熱島效應(yīng)的能力，并且可以用來(lái)降低道路上的噪音[4]，因此該材料在一些國(guó)家已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。

PCPC很少應(yīng)用細(xì)骨料，通過(guò)水泥漿體把骨料顆粒包裹并粘合在一起，形成一個(gè)具有高孔隙率和相互連接的系統(tǒng)，可以達(dá)到快速排水的效果[5]。PCPC的孔隙率一般在15%～25%之間，透水性一般在2～6mm/s左右。然而，由于PCPC具有高孔隙率，其強(qiáng)度相對(duì)常規(guī)混凝土較低。這不僅影響了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性，還限制了其在公路上的應(yīng)用，通過(guò)選擇合適的骨料和有機(jī)增強(qiáng)劑，并通過(guò)調(diào)整混凝土配合比，PCPC的強(qiáng)度和耐磨性可以得到極大的提高。通過(guò)加入乳膠、天然砂和纖維，研究了改良后的聚合物改性透水混凝土滲透性與強(qiáng)度之間的關(guān)系，以期獲得一種性能更優(yōu)的材料。

1 研究目標(biāo)和范圍

本研究的目的是研究加入乳膠、天然砂和纖維對(duì)PCPC物理性能和力學(xué)性能的影響，平衡聚合物改性透水混凝土(PMPC)的滲透性和強(qiáng)度，使其既具有足夠的強(qiáng)度來(lái)承受交通荷載，又具有滲透性滿足排水需求。

本研究使用三種單一尺寸的骨料(12.5mm、9.5mm和4.75mm)，應(yīng)用聚合物(SBR膠乳)配制透水混凝土，并通過(guò)氣孔試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)透水混凝土的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

2 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

2.1 材料

試驗(yàn)選用普通Ⅰ型硅酸鹽水泥。用篩子將粗骨料分為4.75mm、9.5mm和12.5mm三個(gè)級(jí)配。粗骨料的性能參數(shù)列在表1中。本研究中所用沙子的粒度分布如圖1所示。

表1 粗骨料的性質(zhì)

圖1 沙子的粒度分布

將膠乳聚合物丁苯橡膠(SBR)摻入混合料中，以提高透水混凝土的強(qiáng)度。丁苯膠乳(SBR)是一種由丁二烯、苯乙烯、水等組成的高分子分散乳液，其作為溶劑和化學(xué)性能與天然橡膠相似，與天然橡膠一樣可以與多種材料成功粘接，它與乙烯基吡啶膠乳具有良好的相容性。在工程應(yīng)用中，可以補(bǔ)充或取代水泥作為粘結(jié)劑，提高混凝土的抗拉、抗折、抗壓強(qiáng)度。本研究中使用的丁苯橡膠是使用有機(jī)鋰引發(fā)劑通過(guò)陰離子溶液聚合生產(chǎn)的，它是一種中等苯乙烯和高乙烯基含量的物質(zhì)。外觀為白色稠狀液體，粘度好，含水率為52.7%。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

為了改善PMPC的整體性能，在上述混合物中選擇性地添加了膠乳、纖維和沙子。配合比見表2。對(duì)照混合料的基本配合比(水泥∶粗骨料∶水=1∶4.5∶0.35(重量比))。當(dāng)摻入膠乳和沙子時(shí)，用膠乳的實(shí)心部分代替10%的水泥，用天然砂代替7%的粗骨料，進(jìn)而比較PMPC與常規(guī)透水混凝土的性能。

表2 PMPC的配合比(單位：kg/m3)

2.3 樣品制備

通過(guò)機(jī)械攪拌機(jī)攪拌透水混凝土，使用棒材壓實(shí)，制成直徑152mm、高305mm的圓柱形試件。將這些樣品放在濕氣養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。標(biāo)本制備成三份。

2.4 測(cè)試方法

(1)氣隙試驗(yàn)

為了測(cè)定空隙率，需要衡量出壓實(shí)混凝土的體積。由于透水混凝土具有高度連通的空隙率，不宜采用浸沒式稱重的方法來(lái)計(jì)算體積。采用一種常用的瀝青混合料比重測(cè)量真空封口裝置CoreLok，以獲得透水混凝土試件的空隙率值。

(2)滲透性試驗(yàn)

滲透性是透水混凝土的一個(gè)重要參數(shù)，因?yàn)橥杆炷恋脑O(shè)計(jì)目的就是在路面結(jié)構(gòu)中起到排水層的作用。由于混凝土的高孔隙率和相互連通的空隙通道，層流達(dá)西定律不再適用于透水混凝土，故本研究采用如圖2所示的滲透性試驗(yàn)裝置進(jìn)行滲透率的測(cè)量。

圖2 滲透性測(cè)試樣本和測(cè)試裝置

在試驗(yàn)過(guò)程中，安裝在試件頂部和底部的兩個(gè)壓力傳感器可以準(zhǔn)確讀出水頭差。自動(dòng)數(shù)據(jù)采集裝置可以在下降水頭測(cè)試期間進(jìn)行連續(xù)讀數(shù)，即使在非常高的流速下也可以進(jìn)行測(cè)試。將標(biāo)本放入鋁槽中，在電池和標(biāo)本之間是一層防刮橡皮膜，它被緊緊夾在圓柱形電池的兩端。測(cè)試過(guò)程中，在薄膜上施加高達(dá)103.5kPa的圍壓，以防止從試件一側(cè)短路。頂部管的直徑為57mm，長(zhǎng)度為914mm。圓柱形試件的直徑為152mm，高度為76mm。

本試驗(yàn)采用落水法，從兩個(gè)壓力傳感器中獲得的水頭差-時(shí)間曲線可用式(1)計(jì)算：

h=a0+a1t+a2t2

(1)

式中，a0、a1和a2為回歸系數(shù)。然后，求微分方程，如式(2)所示：

(2)

其中，a1和a2為水頭時(shí)間微分方程的回歸系數(shù)。水流速度可表示為：

(3)

式中，A1、A2、r1、r2為上圓柱形管道和試件的截面積和半徑。

圖3和圖4分別給出了水壓頭與時(shí)間的關(guān)系、水力坡度與泄流速度的關(guān)系。可以得到滲透系數(shù)K0和形狀因子m。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，水力坡度與流量的關(guān)系式為v=7.6208x0.3538，K0為7.621mm/s。

圖3 水壓頭與時(shí)間的關(guān)系曲線

圖4 水力坡度與泄流速度的關(guān)系曲線

(3)抗壓強(qiáng)度

在養(yǎng)護(hù)7d后進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度測(cè)試?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)在加載架上進(jìn)行，試件直徑152mm，高305mm。

(4)劈裂抗拉強(qiáng)度

對(duì)直徑152mm、厚度76mm的三個(gè)圓柱形試件進(jìn)行劈裂拉伸試驗(yàn)。連續(xù)記錄其垂直荷載，并通過(guò)試驗(yàn)分別獲得試件的劈裂抗拉強(qiáng)度值。

3 結(jié)果與討論

3.1 孔隙度

圖5顯示了不同材料透水混凝土的孔隙率測(cè)試結(jié)果，以及膠乳的加入對(duì)孔隙率的影響?？梢钥闯?，大多數(shù)混合物的孔隙率在20%～30%之間。

圖5 不同材料透水混凝土的孔隙率

從圖5也可以看出，乳膠和沙子的加入導(dǎo)致孔隙率略有下降。然而，纖維的加入并沒有明顯的作用。用膠乳、沙子和纖維制成的混合料能達(dá)到預(yù)期的孔隙率和達(dá)標(biāo)的滲透率。

3.2 滲透性

滲透性結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，滲透率值都在10～20mm/s之間，滿足路面結(jié)構(gòu)排水層的排水需求。骨料級(jí)配對(duì)滲透性的影響不大。由三種不同粒徑的骨料制成的混合料具有相似的滲透率值。

根據(jù)圖6，雖然添加沙子和乳膠會(huì)導(dǎo)致滲透性降低，但與實(shí)際排水需求相比，滲透率的數(shù)值在可接受的范圍內(nèi)。

3.3 抗壓強(qiáng)度

正如預(yù)期的那樣，粗骨料尺寸越小，抗壓強(qiáng)度越高。顯然，沙子或膠乳的加入都能提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。膠乳的加入還可以增加相鄰骨料顆粒之間的接觸面積。乳膠和水泥水化產(chǎn)物混合在一起，形成兩種相互滲透的基質(zhì)，共同作用，從而提高強(qiáng)度。從圖7(a)還可以觀察到，膠乳和沙子的聯(lián)合作用導(dǎo)致了抗壓強(qiáng)度的進(jìn)一步提高。

圖7 抗壓強(qiáng)度結(jié)果的比較

圖7(b)表示纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度只有很小的影響。在無(wú)膠乳、無(wú)砂的對(duì)照混合料中摻入纖維，可顯著提高抗壓強(qiáng)度。然而，在砂和乳液也被摻入混合物后，添加纖維不能進(jìn)一步提高強(qiáng)度。效果降低的原因是纖維不能在混合物中充分分散和均勻分布。

3.4 劈裂抗拉強(qiáng)度

與抗壓強(qiáng)度類似，含有膠乳的混凝土具有更高的劈裂抗拉強(qiáng)度。從圖8可以看出，用沙子制成的混合物有時(shí)甚至比對(duì)照組的劈裂抗拉強(qiáng)度更低。然而，膠乳對(duì)提高透水混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的作用仍然很大。這歸因于膠乳和水泥水化產(chǎn)物在混合和相互滲透過(guò)程中形成的膠乳網(wǎng)絡(luò)。與脆性水泥砂漿不同，膠乳網(wǎng)絡(luò)的抗拉強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)，這對(duì)透水混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度有很大貢獻(xiàn)。

圖8 抗拉強(qiáng)度結(jié)果的比較

從圖8(b)可以看出，纖維對(duì)劈拉強(qiáng)度的影響與對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響相似。纖維的加入似乎顯著提高了混合物的劈裂拉伸強(qiáng)度，然而，添加沙子和乳膠會(huì)降低纖維的有效性。

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)研究了聚合物改性透水混凝土的滲透性和強(qiáng)度特性。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，評(píng)價(jià)了膠乳、天然砂和纖維的作用效果，可以得出以下結(jié)論：采用膠乳、天然砂和纖維的組合可以生產(chǎn)出既滿足排水要求又有足夠強(qiáng)度的透水混凝土。乳膠和沙子均能降低透水混凝土的孔隙率和滲透率，提高透水混凝土的抗壓強(qiáng)度。但只有膠乳的摻入才能提高透水混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。纖維對(duì)透水混凝土的強(qiáng)度性能沒有顯著影響。這是由于纖維在透水混凝土中沒有充分分散和均勻分布所致。為使纖維在混合物中分散，推薦使用短纖維，這能讓纖維在混合物中均勻分布。

對(duì)聚合物改性對(duì)透水混凝土性能的影響進(jìn)行了初步的室內(nèi)試驗(yàn)研究，重點(diǎn)研究了透水混凝土的滲透性和強(qiáng)度性能。聚合物改性透水混凝土的耐久性應(yīng)納入今后的研究，以評(píng)價(jià)其耐磨性。