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無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料對(duì)透水混凝土強(qiáng)度和滲透性的影響

2024-10-16 00:00:00國(guó)越皓宋思成孫建偉
人民黃河 2024年10期

關(guān)鍵詞:無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料;透水混凝土;抗壓強(qiáng)度;孔隙率;滲透系數(shù)

0引言

透水混凝土也稱透水地坪,是一種主要應(yīng)用于路面工程的多孔鋪裝材料。與普通混凝土相比,透水混凝土的骨料一般具有間斷級(jí)配或者單一級(jí)配,所以其內(nèi)部有大量多孔蜂窩狀結(jié)構(gòu),具有透氣、透水和輕質(zhì)的特點(diǎn)。透水混凝土的應(yīng)用有利于緩解城市的“熱島效應(yīng)”,有效地節(jié)約城市水資源并補(bǔ)充地下水,是維護(hù)生態(tài)平衡、建設(shè)“海綿城市”的重要途徑。以日本為例,政府大力推行“雨水滲透計(jì)劃”,將透水材料廣泛應(yīng)用于城市停車(chē)場(chǎng)、人行道等輕載道路,使得東京對(duì)雨水資源的有效保持量由48.2%增長(zhǎng)到94.6%。

然而,透水混凝土的特殊結(jié)構(gòu)形式造成其力學(xué)性能較差,這是透水混凝土至今尚未被廣泛應(yīng)用于普通道路的主要原因。許多研究通過(guò)改變透水混凝土的設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)改善混凝土的力學(xué)性能,如降低水膠比和骨膠比、減小骨料粒徑、摻加增強(qiáng)材料等。其中,摻加無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料是研究的熱點(diǎn)之一。Ramadhansyah等和Yusak等嘗試將不同細(xì)度的納米Si02摻人透水混凝土中來(lái)改善透水混凝土路面物理和化學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)具有特定細(xì)度的納米Si02(粒徑為65.84nm)配置出的透水混凝土性能最佳。徐方等和蔣勇等認(rèn)為在混合料中加入硅灰等礦物摻和料,能夠有效地提高透水混凝土的抗壓強(qiáng)度。Chen等和Lian等認(rèn)為硅灰只有和高效減水劑配合使用,才能顯示出其“微集料效應(yīng)”。綜上所述,硅灰等無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料對(duì)于透水混凝土的抗壓強(qiáng)度具有一定的增強(qiáng)作用,但是其摻量還有待更系統(tǒng)地研究。因此,筆者以惰性石英粉、常用細(xì)砂骨料和普通硅灰為無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料,以抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù)及有效孔隙率為關(guān)鍵指標(biāo),分析了無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料的摻量對(duì)透水混凝土的影響規(guī)律及其與透水性參數(shù)的關(guān)系,旨在配制出抗壓強(qiáng)度高且透水性能好的透水混凝土。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1原材料

碎石采用粒徑為5~10mm的單級(jí)配碎石,表觀密度為2700kg/m3。凝膠材料選用金桂蘭水泥廠生產(chǎn)的P.C 42.5R復(fù)合硅酸鹽水泥。硅灰采用甘肅三遠(yuǎn)硅材料有限公司生產(chǎn)的S90級(jí)硅灰。石英粉的比表面積為420m2/kg,細(xì)砂的細(xì)度模數(shù)為1.8,拌和用水為自來(lái)水。選用Fe203系顏料調(diào)節(jié)混凝土的顏色。采用固含量為40%的聚羧酸系高效減水劑調(diào)整漿體的工作性能。原材料各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

1.2配合比及試件制作

本試驗(yàn)設(shè)置純水泥混凝土作為空白對(duì)照組,對(duì)3種無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料即硅灰、石英粉和細(xì)砂分別進(jìn)行研究和分析,每組設(shè)置不同的摻量:石英粉2%、4%、6%、8%、10%(占粗骨料用量),細(xì)砂2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%(占粗骨料用量),硅灰2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%(占膠凝材料用量)。為保證透水混凝土的實(shí)用性,以C25強(qiáng)度等級(jí)為目標(biāo),最低有效孔隙率不低于10%?;炷了z比均為0.3,顏料摻量為膠凝材料總量的8%。

采用水泥裹石法進(jìn)行攪拌,流程如圖1所示。首先,將所有骨料加入潤(rùn)濕后的攪拌鍋;其次,加入約30%的水(骨料30min內(nèi)吸水量).?dāng)嚢?0s,保證骨料表面被潤(rùn)濕;然后,將混合均勻的所有粉料加入攪拌鍋,攪拌60s,使粉料和骨料充分混合;最后,加入含有減水劑的剩余水,攪拌180s,使骨料周?chē)纬珊穸染鶆虻乃鄬?。新拌透水混凝土的最佳工作狀態(tài)為能用手將其攥成團(tuán)而不分散,此時(shí)水泥漿體能均勻包裹骨料,且骨料之間黏結(jié)性較好。本試驗(yàn)所用試模的尺寸為100mmx100mmx100mm,采用低頻振動(dòng)的方式將漿料分兩次裝入試模,保證所有試件具有相同的振動(dòng)時(shí)間和松鋪比。覆膜養(yǎng)護(hù)24h后脫模,將試件放人恒溫恒濕環(huán)境下(溫度為20℃,相對(duì)濕度為95%)養(yǎng)護(hù)至測(cè)試齡期。

1.3試驗(yàn)方法

滲透系數(shù)是衡量透水混凝土的一個(gè)重要指標(biāo),指單位水力梯度下通過(guò)單位面積的滲流量。采用透水系數(shù)測(cè)試儀對(duì)養(yǎng)護(hù)28d的試件進(jìn)行滲透系數(shù)測(cè)定:用防水膠帶將試件4個(gè)側(cè)面封閉,封閉面要緊密光滑以減小水從側(cè)壁間隙滲漏造成的測(cè)試誤差,之后塞人與其尺寸相配的儀器夾具中,使水流從上下表面通過(guò)。透水混凝土的總孔隙由連通孔隙、半連通孔隙及封閉孔隙組成。其中:連通孔隙和半連通孔隙可以使水通過(guò)、排出或者儲(chǔ)存,稱為有效孔隙,對(duì)應(yīng)的孔隙率稱為有效孔隙率;封閉孔隙由于完全閉塞,水不能進(jìn)入其中,因此稱為無(wú)效孔隙。本試驗(yàn)中孔隙率指混凝土中的有效孔隙率,通過(guò)飽水法測(cè)試。首先,將測(cè)試完滲透系數(shù)的試件底部密封,稱量此時(shí)試件的質(zhì)量,然后將試件浸滿水稱量,計(jì)算質(zhì)量差占標(biāo)準(zhǔn)模具滿水質(zhì)量的比例。本試驗(yàn)同時(shí)對(duì)透水混凝土試件的3、7d和28d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1石英粉對(duì)透水混凝土性能的影響

摻加石英粉作為無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料后,透水混凝土在不同齡期的抗壓強(qiáng)度如圖2所示。從圖2來(lái)看,摻加石英粉后,透水混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度隨石英粉摻量增大呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。當(dāng)石英粉摻量為2%和4%時(shí),透水混凝土抗壓強(qiáng)度與對(duì)照差別不大.3d抗壓強(qiáng)度都為16MPa左右,28d抗壓強(qiáng)度都不足25MPa。然而,當(dāng)石英粉摻量為6%時(shí),透水混凝土早期(3d和7d)抗壓強(qiáng)度都增大10MPa左右,3d強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到25MPa。隨著石英粉摻量的增大,透水混凝土的抗壓強(qiáng)度持續(xù)增大,當(dāng)摻量為10%時(shí),28d抗壓強(qiáng)度超過(guò)30MPa。由此可見(jiàn),當(dāng)石英粉摻量超過(guò)4%后,其對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)作用是非常明顯的。一方面,石英粉的細(xì)度與水泥相當(dāng),石英粉的摻加為水化產(chǎn)物的形成提供了更多的成核位點(diǎn),加速了水化反應(yīng);另一方面,石英粉發(fā)揮了“微集料效應(yīng)”,在水泥顆粒之間及水泥與粗骨料之間起到有效的物理填充作用。更為重要的是,石英粉是以占比粗骨料的形式摻加,并不改變整個(gè)體系中水泥的總量,但減小了水膠比。因此,石英粉摻量越大,對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)作用越明顯。

石英粉摻量對(duì)透水混凝土滲透性的影響如圖3所示。由圖3可知,摻石英粉的透水混凝土孔隙率與滲透系數(shù)的變化規(guī)律一致,整體來(lái)看,透水混凝土的孔隙率維持在10%~14%,滲透系數(shù)維持在4~9mm/s。當(dāng)石英粉摻量較小時(shí),透水混凝土的孔隙率和滲透系數(shù)與對(duì)照相比變化不大。當(dāng)石英粉摻量達(dá)到6%時(shí),透水混凝土的孔隙率與滲透系數(shù)明顯減小。隨著石英粉摻量繼續(xù)增加,孔隙率與滲透系數(shù)變化不大,孔隙率維持在10%左右,滲透系數(shù)保持在4.5mm/s左右。結(jié)合抗壓強(qiáng)度來(lái)看,石英粉作為透水混凝土的無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料時(shí),應(yīng)至少占粗骨料總量的6%,才能使透水混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C25(孔隙率為10%左右,滲透系數(shù)約為4.0mm/s)。

2.2細(xì)砂對(duì)透水混凝土性能的影響

摻加細(xì)砂作為無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料的透水混凝土在不同齡期的抗壓強(qiáng)度如圖4所示。由圖4可知,摻加細(xì)砂后,透水混凝土的抗壓強(qiáng)度波動(dòng)較大,在其摻量為10%時(shí)透水混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。具體來(lái)說(shuō),當(dāng)細(xì)砂摻量為6%時(shí),透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度已經(jīng)超過(guò)25MPa;當(dāng)細(xì)砂摻量為10%時(shí),透水混凝土3d抗壓強(qiáng)度達(dá)到22MPa,28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到28MPa;當(dāng)細(xì)砂摻量超過(guò)10%后,透水混凝土抗壓強(qiáng)度明顯減小。究其原因,摻加少量細(xì)砂相當(dāng)于加入少量細(xì)骨料,會(huì)降低基體內(nèi)部大孔的孔隙率,從而增大抗壓強(qiáng)度。但是當(dāng)細(xì)砂摻量繼續(xù)增大時(shí),會(huì)減少粗骨料表面水泥漿體的包裹厚度,且采用低頻振動(dòng)方式振搗時(shí),砂漿比較容易沉積在混凝土下部,使得透水混凝土的均質(zhì)性變差,從而對(duì)抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。

細(xì)砂摻量對(duì)透水混凝土滲透性的影響如圖5所示。由圖5可知,不同細(xì)砂摻量透水混凝土的孔隙率與滲透系數(shù)的變化規(guī)律一致,整體來(lái)看,透水混凝土的孔隙率維持在9%~14%,滲透系數(shù)維持在3.5~9.0mm/s。細(xì)砂摻量小于10%時(shí),透水混凝土孔隙率與滲透系數(shù)隨細(xì)砂摻量增大基本呈現(xiàn)減小趨勢(shì):細(xì)砂摻量為10%時(shí),透水混凝土孔隙率最低、滲透系數(shù)最小,孔隙率低于目標(biāo)孔隙率10%,此時(shí)滲透系數(shù)為3.5mm/s;細(xì)砂摻量超過(guò)10%時(shí),孔隙率與滲透系數(shù)又隨細(xì)砂摻量增大而逐漸增大。結(jié)合抗壓強(qiáng)度來(lái)看,本研究中細(xì)砂用量應(yīng)占粗骨料用量的6%~8%才能使透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C25,孔隙率在10%以上。

2.3硅灰對(duì)透水混凝土性能的影響

摻加硅灰作為無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料的透水混凝土在不同齡期的抗壓強(qiáng)度如圖6所示。由圖6可知,隨著硅灰摻量增大,透水混凝土的抗壓強(qiáng)度先增大后減小,在硅粉摻量為10%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。具體來(lái)說(shuō),與純水泥透水混凝土相比,硅灰摻量即使只有2%,透水混凝土抗壓強(qiáng)度也明顯增大。當(dāng)硅灰摻量為6%時(shí),透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到25MPa。硅灰摻量繼續(xù)增大到10%時(shí),透水混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值,此時(shí)其3d抗壓強(qiáng)度約20MPa,28d抗壓強(qiáng)度接近30MPa。究其原因:一方面硅灰的“微集料效應(yīng)”使得較細(xì)的硅灰顆粒填充于水泥顆粒之間,改善了膠凝材料的級(jí)配,將原本束縛在其中的水分置換出來(lái),置換出的水能和水泥顆粒繼續(xù)反應(yīng),最終提高了混凝土的力學(xué)性能;另一方面來(lái)源于硅灰的“火山灰效應(yīng)”,硅灰中活性Si02與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成了更多的C-S-H凝膠。研究表明,摻加硅灰使得C-S-H凝膠的鈣硅比明顯降低,更多的Si-0鍵使C-S-H凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更致密,對(duì)基體的強(qiáng)度產(chǎn)生有利影響。然而,當(dāng)硅灰摻量超過(guò)10%時(shí),透水混凝土抗壓強(qiáng)度急劇減小,硅灰摻量為12%和14%的透水混凝土與純水泥透水混凝土的強(qiáng)度相差不大。原因是隨著硅灰摻量的大幅度增加,大量比表面積很大的硅灰顆粒吸附了過(guò)多的水分,使得水泥基體中自由水減少,無(wú)法有效繼續(xù)進(jìn)行水化反應(yīng),同時(shí)也使?jié){體的工作性能變差,最終導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度急劇減小。

硅灰摻量對(duì)透水混凝土滲透性的影響如圖7所示。由圖7可知,摻加硅灰作為無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料時(shí),透水混凝土的孔隙率與滲透系數(shù)的變化規(guī)律一致,整體來(lái)看,透水混凝土的孔隙率維持在10%~14%,滲透系數(shù)維持在5~9mm/s。在硅灰摻量小于10%時(shí),透水混凝土的孔隙率和滲透系數(shù)與對(duì)照相比變化都不大,這說(shuō)明雖然少量硅灰對(duì)抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較大,但是加入少量硅灰對(duì)材料的透水性能不產(chǎn)生明顯的影響。當(dāng)硅灰摻量為10%時(shí),透水混凝土孔隙率最低,滲透系數(shù)最小。

綜上所述,硅灰摻量須控制在6%~10%,才能使透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C25、孔隙率在10%以上、滲透系數(shù)在5mm/s以上。

2.4滲透系數(shù)與孔隙率之間的關(guān)系

與相同水膠比的普通混凝土相比,透水混凝土的強(qiáng)度之所以低很多是因?yàn)橥杆炷林写嬖诖罅康目紫叮旧鲜侨庋劭梢?jiàn)的宏觀孔,而這些孔中有效孔直接影響了透水混凝土的滲透系數(shù)。為了探索透水混凝土滲透系數(shù)K與孔隙率P之間的函數(shù)關(guān)系,對(duì)本試驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別進(jìn)行了線性回歸、二次函數(shù)回歸和冪函數(shù)回歸,結(jié)果如圖8所示,擬合的方程式分別為

線性回歸、二次函數(shù)和冪函數(shù)回歸確定系數(shù)R2分別為0.86008、0.92704和0.90524,可見(jiàn)二次函數(shù)擬合效果較好。因此,在水膠比和總的膠凝材料用量確定的情況下,不同增強(qiáng)材料對(duì)應(yīng)透水混凝土的滲透系數(shù)都隨著有效孔隙率的增大而增大,原因可能是孔隙率增大,混凝土內(nèi)部供水通過(guò)的連通孔道增多,實(shí)際過(guò)水面積增大,以及水受到的阻力減小,導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)水通過(guò)的量增加,因而滲透系數(shù)增大。

此二次函數(shù)非常適用于工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,可通過(guò)直接測(cè)量孔隙率間接得到其滲透系數(shù),從而大大提高現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的可操作性。需要指出的是,圖中的滲透系數(shù)和孔隙率的結(jié)果是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)較為理想的成型條件下測(cè)得的,而在路面實(shí)際施工過(guò)程中,諸多影響因素使得孔隙率往往大于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,相應(yīng)的滲透系數(shù)亦應(yīng)有所增大。

3結(jié)論

1)摻加一定量的石英粉、細(xì)砂和硅灰作為無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料后,透水混凝土的抗壓強(qiáng)度均有所增大。

2)為了使透水混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到C25強(qiáng)度等級(jí)且具有良好的滲透性,石英粉用量應(yīng)至少占粗骨料總量的6%.細(xì)砂用量應(yīng)占粗骨料總量的6%~8%.硅灰用量應(yīng)占膠凝材料總量的6%~10%。

3)在只考慮有效孔隙率對(duì)滲透系數(shù)的影響時(shí),可用二次函數(shù)很好地表達(dá)透水混凝土滲透系數(shù)與有效孔隙率之間的關(guān)系。

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