高性能透水混凝土的性能與制備要點(diǎn)

 

 

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市生態(tài)問(wèn)題日益突出，伴隨不透水路面帶來(lái)的諸如雨水不能滲入地下導(dǎo)致地表植物缺水難以存活，“熱島效應(yīng)”，暴雨后城市內(nèi)澇等負(fù)面影響，透水混凝土的應(yīng)用呼聲越來(lái)越高。國(guó)外已經(jīng)對(duì)透水混凝土有了較為全面和深入的研究，早在150 年前，歐洲就開(kāi)始使用多孔水泥混凝土[1]，日本和美國(guó)也對(duì)透水混凝土的性能做過(guò)許多研究[2,3]。雖然在國(guó)內(nèi)，透水混凝土還沒(méi)能大面積推廣使用，但目前國(guó)內(nèi)透水混凝土的應(yīng)用正一步步邁入正軌，在奧林匹克森林公園，“鳥(niǎo)巢”體育館的湖邊西路等都有了大面積透水混凝土的成功應(yīng)用。而隨著“海綿城市”概念的提出，透水混凝土這種生態(tài)環(huán)保型地面材料將會(huì)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

 

透水混凝土是由特定級(jí)配的水泥、水、骨料、外加劑、摻合料和無(wú)機(jī)顏料等按特定配合比經(jīng)特殊工藝制備而成的具有連續(xù)空隙的生態(tài)環(huán)保型混凝土。其表觀(guān)密度一般為1600～2100kg/m3，28d 抗壓強(qiáng)度 10～30MPa，28d 抗折強(qiáng)度 2～6MPa，透水系數(shù) 0.5～20mm/s。與普通混凝土相比，透水混凝土具有透水、透氣、凈化水體、吸聲降噪、保護(hù)地下水資源、減緩城市熱島效應(yīng)和改善土壤生態(tài)環(huán)境等眾多優(yōu)良的使用性能。然而，透水混凝土在目前的研究進(jìn)展與應(yīng)用現(xiàn)狀中仍存在許多不足。鑒于此，本文從機(jī)理和影響因素角度出發(fā)，總結(jié)分析了透水混凝土的透水性能、抗壓強(qiáng)度、抗凍性能和抗疲勞性能，并結(jié)合試驗(yàn)，為綜合解決透水混凝土存在的問(wèn)題提出幾條建議，旨在為我國(guó)透水混凝土的理論研究和工程應(yīng)用提供參考。

 

 

 

透水混凝土是骨架空隙結(jié)構(gòu)，孔隙分為開(kāi)口孔隙、半開(kāi)口孔隙和閉口孔隙三種，從排水角度看，前兩種孔隙構(gòu)成透水混凝土的有效孔隙[4]。水流經(jīng)過(guò)透水混凝土表層時(shí)，主要依靠孔隙，還有一小部分通過(guò)滲流作用流走。這是透水混凝土作為路面材料的重要特性。當(dāng)雨水落到透水面表層時(shí)，可以進(jìn)入透水混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，并通過(guò)內(nèi)部聯(lián)通孔隙流走，而不會(huì)在路面表面形成有害水膜和徑流，從而降低了動(dòng)水壓力。因此，車(chē)輛在透水混凝土路面上行駛時(shí)，輪胎會(huì)與路面保持良好的接觸，可以避免車(chē)輛在雨中高速行駛時(shí)產(chǎn)生的水漂現(xiàn)象，從而提高行車(chē)安全性。遇到大暴雨時(shí)，透水混凝土可以迅速將積水匯集于地下排水系統(tǒng)進(jìn)入河湖，從而降低發(fā)生洪澇的風(fēng)險(xiǎn)。

 

[5] 的研究表明，隨著水膠比增大，透水混凝土的有效孔隙率降低，透水系數(shù)減小。靜壓成型不會(huì)因振動(dòng)使混凝土組織結(jié)構(gòu)不均勻，甚至漿體封底，施加適當(dāng)壓力將骨料壓實(shí)，減小了顆粒間空隙，但有效孔隙率較大，可提高透水性。孟剛等人[6]對(duì) C30 透水路面混凝土的研究表明，振動(dòng)成型試件的透水系數(shù)明顯低于靜壓成型試件的透水系數(shù)，但振動(dòng)成型法測(cè)得的透水系數(shù)＞1mm/s，滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范要求。對(duì)比一次加料和水泥裹石法兩種攪拌方法，發(fā)現(xiàn)采用水泥裹石法后，透水混凝土的實(shí)測(cè)孔隙率及透水系數(shù)均有一定程度的增加，可見(jiàn)采用水泥裹石法有利于改善透水混凝土的透水性。此外，不同種類(lèi)的硅酸鹽水泥、外加劑和骨料粒徑等都對(duì)透水混凝土的透水性有影響。

[4]在使用過(guò)程中，粉塵和泥沙堆積會(huì)使透水混凝土的孔隙出現(xiàn)堵塞，影響水在混凝土結(jié)構(gòu)中傳輸，進(jìn)而嚴(yán)重影響透水混凝土的透水性。為此，日本采用高壓清洗和真空吸附相結(jié)合的方法解決這一問(wèn)題，采用4～7MPa 的小型高壓清洗機(jī)清洗路面，可以使透水混凝土的透水功能恢復(fù)到初期的 80%[7]。Balades 等指出，透水混凝土的堵塞通常發(fā)生在路面的表層幾厘米內(nèi)，對(duì)比潤(rùn)濕后清掃、清掃后吸塵、僅吸塵以及高壓水沖洗和吸塵四種處理方式后認(rèn)為，透水混凝土路面在第四種方式的作用下可以基本恢復(fù)透水路面的初始滲透率。

 

透水混凝土可以看做是由膠凝材料漿體把粗骨料顆粒粘結(jié)成的多孔堆聚結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能主要取決于骨料的性質(zhì)、膠結(jié)材料性質(zhì)以及骨料和膠結(jié)材料界面間的粘結(jié)力。其中，骨料與膠結(jié)材料的結(jié)合區(qū)域是透水混凝土最薄弱的部位，這也是透水混凝土強(qiáng)度較低的關(guān)鍵原因。為了改善透水混凝土的力學(xué)性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在透水混凝土的性能影響因素方面做了大量研究。

混合料配制方法通常有普通攪拌法、預(yù)濕骨料法和預(yù)拌漿料法三種，蔣佑松[5] 研究表明，預(yù)濕骨料法和預(yù)拌漿料法都可以提高混凝土抗壓強(qiáng)度，且在水泥用量相同情況下，預(yù)拌漿料可使透水混凝土強(qiáng)度提高約45%～60%。這是由于預(yù)拌漿料法使?jié){體均勻分布在骨料表面，降低結(jié)構(gòu)離散性，提高透水混凝土強(qiáng)度，也將少了水泥用量。骨料種類(lèi)和粒徑級(jí)配也會(huì)影響透水混凝土強(qiáng)度。同濟(jì)大學(xué)蔣正武等人[8]就指出，骨料粒徑與級(jí)配、集灰比是影響透水混凝土孔隙率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，隨著小粒徑骨料比例的增加，骨料壓碎值的增大，透水混凝土的抗壓抗折強(qiáng)度都會(huì)增大，但小粒徑骨料又不能太多，否則會(huì)影響透水混凝土的排水性能。蔣佑松[5]研究表明，水泥用量相同條件下，骨料堆積密度越大，粒徑越小，骨料堆積的孔隙率越小，硬化混凝土的結(jié)構(gòu)密實(shí)度越大，抗壓強(qiáng)度也越高。而且，小粒徑骨料的比表面積更大，會(huì)增大骨料與膠結(jié)材料的粘結(jié)面積，改善界面結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高透水混凝土的抗壓強(qiáng)度。透水混凝土的成型方式一般有靜壓成型、普通振動(dòng)成型和人工振搗成型，也會(huì)影響透水混凝土抗壓強(qiáng)度。蔣佑松[5]的研究表明，振動(dòng)成型有利于提高透水混凝土密實(shí)性，但過(guò)振又會(huì)使?jié){料從骨料表面淌下，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不密實(shí)，又會(huì)降低抗壓強(qiáng)度；人工振搗難以保證混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)均勻，從而使強(qiáng)度降低；相比之下，靜壓成型可以將材料壓實(shí)，也有利于骨料粘結(jié)，制備的透水混凝土強(qiáng)度較高。而對(duì)于特定骨料和水泥品種及其用量，水膠比是影響透水混凝土強(qiáng)度的最主要因素。蔣正武和蔣佑松的研究都表明，在配制透水混凝土?xí)r，要根據(jù)材料組成和性能要求確定透水混凝土的最佳水膠比。這是因?yàn)樗z比較小時(shí)，漿體難以均勻包裹在骨料周?chē)?，不僅流動(dòng)性差，難于密實(shí)成型，也會(huì)使硬化組織結(jié)構(gòu)中孔隙更大，雖透水性好，卻不利于強(qiáng)度提高；水膠比較大時(shí)，漿體總量多，流動(dòng)性大，但粘結(jié)能力明顯下降，不僅難于均勻包裹在骨料表面，反而更容易從其表面流下，造成封底現(xiàn)象，導(dǎo)致透水混凝土結(jié)構(gòu)嚴(yán)重不均，抗壓強(qiáng)度下降；最佳水膠比狀態(tài)下，拌合過(guò)程中應(yīng)能觀(guān)察到漿體能均勻分布在骨料表面而不會(huì)流淌，且顆粒表面發(fā)亮。蔣佑松采用粒徑為4.75～9.5mm 粗骨料、0.30 左右的水灰比，通過(guò)靜壓成型工藝，配制出表觀(guān)密度 1900kg/m3、透水系數(shù)大于 1.5mm/s的 C30 透水混凝土。東南大學(xué)的霍亮[9] 在試驗(yàn)中采用 0.25 的水灰比，配制出的透水混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度高達(dá) 35MPa。此外，外加劑和摻合料在提高透水混凝土強(qiáng)度方面發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。李子成等人[10,11]分別研究了超細(xì)粉煤灰（比表面積735m2/kg）、硅灰以及有機(jī)聚合物（蘇州建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的 SJ-601 型有機(jī)高分子聚合物水泥改性劑）對(duì)透水混凝土的界面的增強(qiáng)增韌效應(yīng)，從微觀(guān)角度分析摻合料改善透水混凝土力學(xué)性能的機(jī)理。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，較適宜的粉煤灰摻量為16%、硅灰摻量為 6% 左右，以適宜摻量的礦物摻合料為基準(zhǔn)配合比，摻入聚合物能使透水混凝土強(qiáng)度進(jìn)一步提高，28d 抗折強(qiáng)度達(dá)到 8.5MPa，抗壓強(qiáng)度達(dá)到34.7MPa，為了滿(mǎn)足透水性，聚合物摻量為 8%～12%。

透水性和抗壓強(qiáng)度是透水混凝土最重要的性質(zhì)，二者相互矛盾。用有效孔隙率表征透水性，長(zhǎng)安大學(xué)鄭木蓮等人[12] 通過(guò)試驗(yàn)研究抗壓強(qiáng)度與有效孔隙率的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R=0.8631：

fc,7＝-0.3806ne＋17.058

式中，fc,7——7d 抗壓強(qiáng)度，MPa；

          ne——有效孔隙率，%。

由此可見(jiàn)，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度與孔隙率存在著良好的線(xiàn)性關(guān)系。這對(duì)透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化和理論計(jì)算具有重要意義。

 

抗凍融性是衡量透水混凝土耐久性的重要指標(biāo)。透水混凝土結(jié)構(gòu)主要通過(guò)骨料間的交接點(diǎn)傳遞受力，但由于骨料界面間膠結(jié)面較小，膠結(jié)層較薄，在凍融環(huán)境下，界面區(qū)域成為透水混凝土力學(xué)性能劣化最快的區(qū)域[13]，也導(dǎo)致透水混凝土的抗凍性較普通混凝土更差。許多實(shí)例發(fā)現(xiàn)，透水混凝土在不飽和及部分飽和的狀態(tài)下也很容易遭受凍融破壞。透水混凝土的破壞原因主要有以下兩種：一是漿體微空隙中的水經(jīng)歷凍融循環(huán)后，會(huì)造成混凝土自表及里的剝蝕破壞；二是對(duì)于飽水受凍的透水混凝土，初始外部結(jié)冰會(huì)向內(nèi)擠壓未凍部位，當(dāng)由此產(chǎn)生的膨脹壓大于透水混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，硬化水泥漿體部位就會(huì)產(chǎn)生裂紋，繼續(xù)凍融就會(huì)導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展直至破壞[14]。在透水混凝土凍融試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，透水混凝土鹽凍破壞呈現(xiàn)兩種方式：一種是試件試驗(yàn)面水泥不斷剝落導(dǎo)致質(zhì)量損失，繼而骨料顆粒開(kāi)始剝落，最終骨料大量脫落，試件破壞；另一種是凍融初期，試件質(zhì)量損失不明顯，隨著凍融次數(shù)的增加，質(zhì)量損失會(huì)在一次凍融循環(huán)中突然增加，之后表現(xiàn)為突然碎裂[15]。

為了解決透水混凝土抗凍性較差的問(wèn)題，許多學(xué)者對(duì)此展開(kāi)研究。湖南科技大學(xué)李偉[16] 研究透水混凝土抗凍性與目標(biāo)空隙率和水灰比的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)水灰比一致條件下，孔隙率越大，抗凍性越差。哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉星雨[15]研究發(fā)現(xiàn)，透水混凝土的抗凍性隨著水灰比的增大而降低，隨著骨料粒徑的減小和漿骨比的增大而提高。大連理工大學(xué)胡立國(guó)[17] 的研究發(fā)現(xiàn)，摻入粉煤灰和硅灰可以明顯提高透水混凝土的抗凍性能，凍融150次后抗壓強(qiáng)度的損失值也在 25% 以?xún)?nèi)。Kevern 等人[18] 的研究表明，增加粗骨料數(shù)量會(huì)降低透水混凝土的抗凍性，而加入長(zhǎng)纖維則會(huì)提高其抗凍性，但會(huì)對(duì)透水混凝土的透水性不利。江蘇建科院姜騫[19]研究表明，增加膠材用量有助于提高透水混凝土的抗凍融性能。當(dāng)膠材用量相同時(shí)，摻入由江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的 SBT®-PRC(I) 增強(qiáng)劑，可以延緩?fù)杆炷量箖鲂?，但延緩作用有限，至多增?5 次凍融循環(huán)次數(shù)。

透水混凝土通常作為路面基層會(huì)和面層一起受到車(chē)輛荷載和溫度的反復(fù)作用，由于其結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙多連通，界面復(fù)雜且強(qiáng)度較低，在反復(fù)荷載的作用下，極易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，一旦內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，該損傷就會(huì)迅速擴(kuò)展直到結(jié)構(gòu)破壞。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮透水混凝土的抗疲勞性能。

 

長(zhǎng)安大學(xué)鄭木蓮[20] 的研究發(fā)現(xiàn)，透水混凝土的疲勞壽命和等效疲勞壽命都服從雙參數(shù)威布爾分布，并建立了不同應(yīng)力水平和等效應(yīng)力水平下的疲勞方程。針對(duì)加載頻率和加載強(qiáng)度等因素會(huì)影響疲勞壽命變異性的問(wèn)題，還提出減小變異性的具體措施。L.T.Mo等人[21] 采用有限元模型，以應(yīng)力強(qiáng)度比和疲勞壽命為指標(biāo)對(duì)透水瀝青混凝土抗疲勞性能進(jìn)行數(shù)值分析，指出透水混凝土特定區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象是導(dǎo)致其早期脫落的重要原因。解放軍理工大學(xué)的卓義金等人[22]在室內(nèi)小梁疲勞試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)的概率分布，證實(shí)了摻加改性劑后的透水混凝土疲勞壽命服從雙參數(shù)威布爾分布。通過(guò)對(duì)比疲勞方程，發(fā)現(xiàn)摻加改性劑的多孔混凝土疲勞性能優(yōu)于其他穩(wěn)定材料的疲勞性能，也明顯優(yōu)于未摻加改性劑的多孔混凝土的疲勞性能。這是因?yàn)楦男詣┡c水泥混合而成的膠凝材料明顯改善了膠結(jié)料—骨料間的界面狀態(tài)，從而具有較好的疲勞韌性，加強(qiáng)界面延性，提高材料在荷載作用下界面產(chǎn)生裂隙的初始荷載水平。改性劑自身凝聚后可以形成強(qiáng)度較高的密實(shí)性粘結(jié)層，改性劑為聚合物，聚合物鏈柔性大于水泥石，彈性模量比水泥石低，因此脆性系數(shù)減小，壓折比減小。改性劑在漿體內(nèi)形成聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以起到增加強(qiáng)度和改善抗變形性能的效果。

 

 

 

與普通混凝土不同，透水混凝土是一種骨架—空隙結(jié)構(gòu)，當(dāng)以單粒級(jí)粗集料作為骨架時(shí)，透水混凝土內(nèi)部孔隙較大，骨料之間依靠膠結(jié)料以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式進(jìn)行連接，界面區(qū)薄弱，由此導(dǎo)致透水混凝土出現(xiàn)強(qiáng)度低、易堵塞、抗凍性和抗疲勞性差的問(wèn)題。許多研究者通過(guò)減小骨料粒徑，摻入適量的硅粉和高效減水劑，或者加入有機(jī)增強(qiáng)劑等方法提高透水混凝土的強(qiáng)度，但并不能綜合解決透水混凝土面臨的問(wèn)題。為此，本文就如何提高透水混凝土各項(xiàng)性能提出幾點(diǎn)建議：（1）保證目標(biāo)孔隙率不變，用部分細(xì)骨料等質(zhì)量替代粗骨料，調(diào)整骨料級(jí)配以填充透水混凝土內(nèi)部較大空隙，同時(shí)也增加了混凝土整體骨料的比表面積。（2）盡量選擇細(xì)度較大，水化熱較低的膠凝材料，以P·I52.5 水泥為基礎(chǔ)，可大量摻入粉煤灰和礦渣粉等礦物摻合料。（3）摻入超細(xì)粉增強(qiáng)劑，武漢武新新型建材股份有限公司生產(chǎn)的超細(xì)礦粉的比表面積達(dá) 1000m2/kg，早期強(qiáng)度高、后期發(fā)展好、體積穩(wěn)定性佳，既可以改善硅灰對(duì)后期強(qiáng)度貢獻(xiàn)小的問(wèn)題，又能降低成本。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)觀(guān)察調(diào)節(jié)加水量，控制透水混凝土拌合物性態(tài)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以此配制的透水混凝土外觀(guān)結(jié)構(gòu)致密，抗壓強(qiáng)度能達(dá)到30MPa以上，雖然肉眼可見(jiàn)孔隙很小，但是整體孔隙率下降不多，仍然保持在 15% 左右，透水率可達(dá) 15mm/s。此種方法有效解決了透水混凝土抗壓強(qiáng)度與透水性相互矛盾的問(wèn)題，致密的外觀(guān)結(jié)構(gòu)使透水混凝土不易堵塞。同時(shí)，骨料比表面積增大也使它與膠結(jié)料的界面面積增大，在荷載的作用下，大大降低了應(yīng)力集中現(xiàn)象，可以顯著提高混凝土的耐久性。