高強(qiáng)透水性混凝土材料試驗(yàn)研究

[摘　要] 　透水性混凝土材料具有綠色、環(huán)保等特點(diǎn)，可應(yīng)用于人行道、停車場(chǎng)、透水性路面、土工結(jié)構(gòu)排水系統(tǒng)反濾層等，有很好的發(fā)展前景，但因強(qiáng)度低影響了其應(yīng)用范圍。本文對(duì)透水性混凝土材料進(jìn)行了試驗(yàn)研究，討論了影響透水性混凝土材料強(qiáng)度和滲透性的因素，提出了增強(qiáng)透水性混凝土材料強(qiáng)度的措施。研究認(rèn)為，水灰比、粗骨料的種類和級(jí)配、礦物摻合料以及其它增強(qiáng)材料是影響透水性混凝土材料強(qiáng)度的主要原因，并對(duì)這些因素對(duì)強(qiáng)度的影響進(jìn)行了定量分析。試驗(yàn)還對(duì)透水性混凝土材料的滲透性進(jìn)行了測(cè)試。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果推薦的原材料、配比和試驗(yàn)方法，可以得到強(qiáng)度達(dá)到30MPa ，滲透性在1mm/ s 以上的透水性混凝土，滿足一般工程需要。研究成果已經(jīng)應(yīng)用于鐵道部某項(xiàng)目并取得成功。

[關(guān)鍵詞] 　透水性混凝土：　高強(qiáng)：　滲透性

1 　引言

透水性混凝土是由粗骨料、水泥和水拌制而成的一種多孔性混凝土材料，有時(shí)也摻入少量細(xì)骨料。由于透水性混凝土透水，透氣和重量輕等特點(diǎn)，在綠色生態(tài)混凝土[1 ] 、透水性路面材料[2 ] ，水工建筑和排水系統(tǒng)反濾層[3 ]等方面有重要用途。隨著環(huán)境問題日益得到人們重視，透水性混凝土材料的特殊功能越來越引起人們的興趣，然而采用通常方法制作透水性混凝土，在保證一定透水性情況下其強(qiáng)度通常不超過20MPa[4 ，5 ] ，這嚴(yán)重影響了透水性混凝土的應(yīng)用范圍。本文通過試驗(yàn)，研究了水灰比、粗骨料的種類和級(jí)配、膠骨比、礦物摻合料以及其它增強(qiáng)材料對(duì)透水性混凝土材料強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)還測(cè)定了透水性混凝土的透水性。

2 　透水性混凝土的結(jié)構(gòu)模型和破壞特征

透水性混凝土可以看作由三部分組成，即粗骨料形成的骨架、水泥漿體形成的膠結(jié)層及它們之間的孔隙。按照密實(shí)程度的不同，透水性混凝土可以用以下五種模型來表示[6 ] 。如表1 所示，當(dāng)透水性混凝土處于第二類小孔狀態(tài)時(shí)是比較理想的，此時(shí)水泥凈漿或加入少量細(xì)骨料的砂漿薄層包裹在粗骨料表面，作為骨料之間的膠結(jié)層，形成骨架———孔隙結(jié)構(gòu)。作為骨架的粗骨料和作為膠結(jié)薄層的水泥漿緊密相連，它們之間的孔隙也是連通的，此時(shí)的透水性混凝土具有較好的透水性，也可以得到相對(duì)較高的強(qiáng)度。當(dāng)處于密實(shí)或毛細(xì)孔狀態(tài)時(shí)，接近于普通混凝土，具有較高強(qiáng)度，但是沒有形成可以透水的孔隙：當(dāng)處于第一類小孔狀態(tài)時(shí)，雖然形成了孔隙，但是由于孔隙不連通，也不能有很好的透水性：而當(dāng)處于大孔狀態(tài)時(shí)，由于膠結(jié)材料太少且不連續(xù)而不能有較好的強(qiáng)度。

當(dāng)透水性混凝土受到力作用時(shí)，主要通過粗骨料之間的膠結(jié)點(diǎn)傳力，由于水泥膠結(jié)層很薄，水泥凝膠體和粗骨料界面之間的膠結(jié)面積很小，因此破壞時(shí)主要是骨料顆粒之間的連接點(diǎn)破壞，從而使混凝土散裂，失去強(qiáng)度。

3 　試驗(yàn)方案

3.1 　試件成型

試驗(yàn)采用原材料為: 河北唐山“盾石”牌P ·O 42.5R 水泥：卵石連續(xù)粒級(jí)及單粒級(jí)，碎石連續(xù)粒級(jí)及單粒級(jí)：河砂，中砂，細(xì)度模數(shù)2.5 ：自來水：高效減水劑。試驗(yàn)時(shí)先把除水之外的其他材料干拌約30s ，混合均勻，然后加入水及高效減水劑，攪拌約90s。觀察發(fā)現(xiàn)水泥漿在骨料顆粒表面包裹均勻后停止攪拌。成型后適當(dāng)振搗，不過不欠，確保混凝土組成均勻，性能穩(wěn)定。

3.2 　配合比設(shè)計(jì)

目前透水性混凝土的配合比設(shè)計(jì)還沒有成熟的計(jì)算方法，根據(jù)透水性混凝土理想模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以認(rèn)為透水性混凝土的外觀體積由骨料堆積而成，混凝土所需的水泥漿以能夠包裹粗骨料表面，形成一定厚度的膠結(jié)層和在骨料之間形成連通的孔隙為宜。通常透水性混凝土的水灰比介于0.25～0.40 之間，水泥用量在250kg/ m3～350kg/ m3 范圍內(nèi)。

3.3 　抗壓強(qiáng)度

試件尺寸為100mm ×100mm ×100mm ，按普通混凝土試驗(yàn)規(guī)程，成型后24 小時(shí)拆模，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至28 天齡期進(jìn)行試驗(yàn)。

3.4 　透水系數(shù)

依據(jù)陳志山[7 ]引自日本混凝土協(xié)會(huì)的測(cè)試方法進(jìn)行改進(jìn)，如圖1 所示。試驗(yàn)時(shí)，將養(yǎng)護(hù)至齡期的混凝土試塊置于透水套筒中，采用一定膠結(jié)材料保證試塊和套筒四周緊密接觸不透水。此時(shí)從透水套筒上部注水，水通過透水性混凝土然后進(jìn)入定位水桶，然后從出水管排出。當(dāng)注入的水量和從出水管排出的水量達(dá)到平衡狀態(tài)后，啟動(dòng)秒表，同時(shí)計(jì)量從水管排出的水量，并測(cè)量當(dāng)時(shí)的水溫，通過公式(1) 可計(jì)算得透水性混凝土的透水系數(shù)。

3 邊長(zhǎng)100mm大孔混凝土：4 底座，上置定位水桶：5 量筒：6 溢水管

KT = QD /AH(t2 - t1) (1)

式中　KT ———水溫T 攝氏度時(shí)的透水系數(shù)，cm/ s；

Q ———從時(shí)間t1 到t2 透過混凝土的水量，cm3 ；

D ———透水性混凝土試件的厚度，cm ；

A ———混凝土透水面的面積，cm2；

(t2 - t1) ———測(cè)定時(shí)間，s。

4 　試驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 　水灰比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了7 種不同的水灰比，如表2 所示。當(dāng)水灰比較小時(shí)加入適量高效減水劑，保證拌合物有較好的流動(dòng)性。從表中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)水灰比較小時(shí)，強(qiáng)度也較小，這是因?yàn)榇藭r(shí)由于水泥漿太少而不能完全包裹骨料的表面，骨料之間的膠結(jié)層較薄而且不連續(xù)，因此強(qiáng)度較低。當(dāng)水灰比達(dá)到0.31 時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大值，此時(shí)形成的透水性混凝土拌合物粗骨料表面包裹了一層膠結(jié)層，骨料之間通過膠結(jié)層連接，形成了上述第二類小孔狀態(tài)時(shí)的結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)水灰比再增大時(shí)，混凝土強(qiáng)度又開始降低，這是因?yàn)樗冶忍髸r(shí)水泥漿開始下滴，形成的試件下部較密實(shí)、沒有孔隙，而上部則只是粗骨料堆積在一起，缺少膠結(jié)，因此整體強(qiáng)度也較低。

4.2 　粗骨料種類和級(jí)配對(duì)強(qiáng)度的影響

如圖2 為采用4 種不同的骨料類型，相同水灰比時(shí)透水性混凝土的強(qiáng)度。從圖中可以看出，采用卵石時(shí)強(qiáng)度要稍小于采用碎石時(shí)強(qiáng)度，采用單粒級(jí)骨料強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于采用連續(xù)粒級(jí)骨料強(qiáng)度，這和以往的研究是相同的[8 ] 。其原因是因?yàn)楣橇显酱植?，骨料粒徑連續(xù)、大小不同，可以有效地提高骨料之間的接觸點(diǎn)數(shù)量從而提高其強(qiáng)度，但透水性會(huì)相應(yīng)降低。

4.3 　摻合料對(duì)透水性混凝土強(qiáng)度的影響

如圖3 為摻加不同種類及摻量的礦物摻合料對(duì)透水性混凝土強(qiáng)度的影響。從中可以看出，摻加摻合料A 可以提高透水性混凝土的強(qiáng)度，當(dāng)內(nèi)摻10 %時(shí)效果最好，當(dāng)摻量繼續(xù)增大時(shí)效果并不明顯。這是因?yàn)閾胶狭螦粒徑細(xì)微，在水泥凝膠體中具有微填充作用，使骨料與水泥漿體的界面強(qiáng)度得到改善，宏觀上則表現(xiàn)出整體強(qiáng)度的增加。摻合料B 對(duì)透水性混凝土強(qiáng)度也表現(xiàn)出有利影響，而且摻加摻合料B 的透水性混凝土拌合物更容易攪拌，工作性能好，是一種比較理想的摻合料。摻合料C 對(duì)透水性混凝土強(qiáng)度沒有明顯作用，而D 則降低了透水性混凝土的強(qiáng)度，這兩種摻合料都不宜用于透水性混凝土材料。

4.4 　透水系數(shù)

試驗(yàn)測(cè)定了部分透水性混凝土的透水性，如表3 所示。從中可以看出，試驗(yàn)制備的透水性混凝土都具有一定透水性。在適宜的水灰比范圍內(nèi)，混凝土的透水性隨水灰比增大而減小：對(duì)于水灰比一定的混凝土，采用連續(xù)粒徑骨料的混凝土透水性要小于單粒級(jí)骨料的透水性：通常，如果透水性混凝土強(qiáng)度提高，其透水性會(huì)有一定程度的降低。實(shí)際工程中要根據(jù)需要調(diào)整配比，制備具有適宜強(qiáng)度和透水性的混凝土。

5 　結(jié)論

1 水灰比是影響透水性混凝土強(qiáng)度的主要因素之一，當(dāng)水灰比在0131 左右時(shí)可以形成較理想的透水性混凝土結(jié)構(gòu)，具有較高的強(qiáng)度和一定的透水性。

2 碎石骨料比卵石骨料具有更高的強(qiáng)度，連續(xù)粒級(jí)骨料比單一粒級(jí)骨料具有更高的強(qiáng)度。

3 通過摻加摻合料A 和B 可以改善骨料與水泥漿體的界面強(qiáng)度，從而提高透水性混凝土的強(qiáng)度：摻合料C 和D 則達(dá)不到這種效果。

4 在適宜的水灰比范圍內(nèi)，透水性混凝土的透水性隨水灰比增大而減小，采用單一粒徑骨料可以改善混凝土透水性。

5 通常透水性混凝土強(qiáng)度和透水性成反比，實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)需要選用合適的配比，滿足工程要求。

[參考文獻(xiàn)]

[1 ]陳志山. 用于水污染治理的生態(tài)混凝土技術(shù)[ J ] . 建筑材料學(xué)報(bào)， 2001 ， (3) :60 - 64.

[ 2 ]王武祥，謝堯生，夏桂清. 透水性混凝土的性能與應(yīng)用[J ] . 中國(guó)建材科技，1994 ， (3) :1 - 5.

[ 3 ]徐立新. 無砂混凝土在道橋工程中的應(yīng)用[J ] . 公路，2000 ， (6) :28 - 310.

[ 4 ]Sung2Bum Park ，Mang Tia. An experimental study on the water2purification properties of porous concrete [ J ] . Cement and Concrete Research ，2004 ， (34) :177 - 184.

[5 ]孟宏睿，徐建國(guó)，陳麗紅，尚建麗. 無砂透水混凝土的試驗(yàn)研究[J ] . 混凝土與水泥制品，2004 ， (2) :43 - 44.

[6 ]H. Fujiwara ，R. Tomita ， T. Okamoto ，et . Properties of high - strength porous concrete. Recent Advances in Concrete Technology ，F(xiàn)ifth CANMET/ ACI International Conference on Recent Advances in Concrete Technology[J ] . J uly2August ，2001 ，Singapore :173 - 187.

[7 ]陳志山. 大孔混凝土的透水性及其測(cè)定方法[J ] . 混凝土與水泥制品，2001 ， (1) :19 - 20.

[ 8 ]王武祥. 透水性混凝土強(qiáng)度的研究[J ] . 中國(guó)建材科技，1997 ， (3) :25 - 28.

[作者簡(jiǎn)介] 　劉葉鋒，1979 年生，男，碩士研究生，結(jié)構(gòu)工程專業(yè)：朋改非，1966 年生，男，教授，博士，建筑材料專業(yè)。

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