漿體新拌性能與透水混凝土硬化性能的相關性

姜 騫， 劉建忠， 周華新， 崔 鞏， 蔡景順(1.江蘇蘇博特新材料股份有限公司， 江蘇 南京 211103；2.高性能土木工程材料國家重點實驗室， 江蘇 南京 210008)

隨著國家、地方自上而下對建設“海綿城市”的大力推進，透水混凝土將廣泛地用于城市道路、廣場，以及小區道路、停車場建設中.國內傳統透水混凝土制備施工中的現拌模式既不能滿足其大規模應用的需求，也無法保障工程施工質量，因此混凝土預拌將成為未來國內透水混凝土的主要制備方式.

然而，透水混凝土因具有坍落度小、漿體用量少和內部孔隙多等特點，導致混凝土極易因失水造成漿體失去膠凝性，施工時間較短；如采用預拌方式生產，混凝土的裝卸料與澆筑施工均要求其具有一定的流動度[1]，而運輸過程中不可避免的顛簸、振動等影響，易導致漿體下沉、骨料離析等現象[2]，造成混凝土強度或透水性不能滿足設計指標.由此可見，預拌透水混凝土的工作狀態將在很大程度上影響其可生產施工性和硬化服役性能.然而，國內外關于透水混凝土的研究熱點仍集中于其配合比設計、硬化性能表征和提升措施等方面[3-5]，對于其工作性能——尤其是工作性能對硬化性能的影響較少涉及；另外，目前透水混凝土工作性能的定量評價尚缺乏統一標準，大多數學者與技術人員仍采用目測方法[2,6-7]，通過漿體表面有無光澤和是否黏聚成團作為其工作性能優劣的判據，這也限制了透水混凝土新拌性能研究工作的開展.

透水混凝土屬于干硬性混凝土，其內部骨料接近緊密堆積狀態[8]，一般難以具備流動性，所以透水混凝土的新拌狀態主要體現在其漿體.因此，深入探討新拌漿體的工作狀態和流變行為及其與透水混凝土硬化性能的相關性，對促進透水混凝土預拌生產、指導工程應用等具有實踐意義.

1 試驗

1.1 原材料與配合比

水泥采用江南小野田P·Ⅱ 52.5硅酸鹽水泥；粗骨料采用江蘇鎮江5～10mm玄武巖碎石；拌和水采用自來水；高性能減水劑和黏度改性劑分別采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的聚羧酸高性能減水劑(PCA)和增稠劑(VMA).

根據CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術規程》設計并制備C20強度等級透水混凝土，其配合比為：水泥用量360kg/m3；碎石用量1520kg/m3；水用量100kg/m3.

1.2 試驗方法

透水混凝土制備后，采用4.75mm圓孔篩在振動臺上將透水混凝土中的漿體篩出，參照GB/T 8077—2012《混凝士外加劑勻質性試驗方法》中“水泥凈漿流動度”的相關規定測試透水混凝土中漿體的流動度.在制備時通過改變減水劑摻量(質量分數，文中涉及的摻量等除特別說明外均為質量分數)獲得具有不同漿體流動度的透水混凝土.當研究漿體黏聚性對透水混凝土性能的影響時，先通過改變減水劑摻量來調節透水混凝土漿體流動度水平(160，180，200，220，240mm)，然后改變增稠劑摻量(0%，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%)，獲得具有不同黏聚性的透水混凝土.

采用美國Brookfield公司R/SP-SST軟固體流變儀測試漿體的流變性能.具體做法為：漿體攪拌均勻(歷時255s)，然后在105s內裝填好樣品，靜置60s后啟動流變儀轉子，在90s內使剪切速率從0s-1增加到100s-1，再在90s內使剪切速率從100s-1降至0s-1，得到剪切速率-剪切應力的上升和下行曲線.根據赫-巴(Hershel-Bulkey，H-B)流變模型擬合得到漿體的屈服應力、塑性黏度等流變參數.

借鑒ASTM C1610/C1610Ma—2006標準[9]中測定自密實混凝土離析的試驗裝置和標準方法，開發了一種適用于評價新拌透水混凝土漿體抗分層能力的試驗方法，測試裝置如圖1所示.測試時，將新拌透水混凝土漿體裝入該測試裝置中，搗實并抹平上表面，開啟振動臺2min后關閉；將PVC管內上層和下層的混凝土分別取出并稱重，結果記作mtop和mbot，按下式計算漿體分層指數Iseg：

(1)

圖1 新拌透水混凝土漿體抗分層性測試裝置Fig.1 Column segregation apparatus for fresh pervious concrete(size:mm)

透水混凝土成型與養護參照DB11T 775—2010《透水混凝土路面技術規程》附錄A執行.透水混凝土28d抗壓強度參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試.透水混凝土連通孔隙率采用排水體積法進行測定，采用150mm×150mm×150mm立方體試件.透水混凝土透水系數參照CJJ/T 135—2009規程測試計算.采用德國YXLON公司的Y.CT Precision S系列高精度計算機斷層掃描系統測試透水混凝土鉆芯試件(尺寸φ50×100mm)內部孔隙結構分布.

2 結果與討論

2.1 流動性

2.1.1漿體流動度對抗壓強度、連通空隙率的影響

試驗中發現，隨著減水劑摻量的提高，漿體的流動度也逐漸增大，當漿體流動度小于160mm時，骨料表面漿體無光澤，難以黏結成型；當漿體流動度為160～200mm時，透水混凝土能夠黏聚成團，且隨著流動度的提高，漿體光澤度逐漸明顯；當漿體流動度大于200mm時，漿體不再緊緊包裹在骨料表面，而是向下流動并富集在混凝土底層，易導致混凝土底部孔隙堵塞造成其透水效果不佳.

圖2統計了透水混凝土漿體流動度(僅通過減水劑調節)與硬化透水混凝土28d抗壓強度、連通孔隙率的相關性.從圖2中可以明顯發現，隨著漿體流動度的增加，透水混凝土的28d抗壓強度提高，連通孔隙率則降低，且漿體流動度與透水混凝土28d抗壓強度、連通孔隙率幾乎呈線性關系.由此可見，當原材料與配合比確定時，透水混凝土的力學性能和透水性能在很大程度上是由其工作狀態決定的.

圖2 漿體流動度與硬化透水混凝土28d抗壓強度、 連通孔隙率的相關性Fig.2 Correlation between paste fluidity and 28d compressive strength, connected porosity of hardened pervious concrete

2.1.2抗壓強度、透水系數與表觀密度的關系

圖3是根據大量試驗(漿體流動度為(180±10) mm)統計出的透水混凝土28d抗壓強度、透水系數與表觀密度的關系.從圖3中可以發現，透水混凝土透水系數與表觀密度存在近似指數函數的關系，而抗壓強度與表觀密度則存在近似線性函數的關系.根據透水混凝土配合比與結構特征可知，透水混凝土可以看作骨料緊密堆積后漿體對剩余孔隙的填充[8]，因此透水混凝土硬化性能受漿體流動度影響的直接原因是透水混凝土局部表觀密度發生變化(漿體含量差異).

圖3 透水混凝土透水系數、抗壓強度與表觀密度的關系Fig.3 Relationship between hydrological permeability, 28d compressive strength and apparent density of pervious concrete

2.2 黏聚性

為了滿足透水混凝土預拌生產和提高骨料間相互黏結等要求，透水混凝土的流動性宜適當提高，然而根據上述試驗結果可知，漿體流動性的提高易導致透水混凝土上下孔隙結構不均勻，造成其力學性能和透水性能下降.為改善這一矛盾，根據國內外文獻調研結果[1,10-11]，通過在透水混凝土中加入增稠劑來改善漿體黏聚性，從而提高透水混凝土在外力作用下漿體包裹骨料的均勻穩定.

2.2.1分層指數

圖4反映了增稠劑對透水混凝土漿體分層指數的影響.從圖4中可以發現，當增稠劑摻量wVMA固定時，透水混凝土漿體分層指數隨著漿體流動度的增加而提高，近似線性關系；當漿體流動度一定時，透水混凝土漿體分層指數隨著增稠劑摻量的提高而降低.由此可見，增稠劑的加入能夠有效改善透水混凝土因漿體流動度過大而導致漿體從骨料表面剝離的現象，其作用在于提高漿體的黏聚性，從而使透水混凝土在漿體流動度較大的情況下仍保持均勻穩定.

2.2.2孔結構分布

控制新拌透水混凝土漿體在高流動度狀態(220mm)下，采用X射線計算機斷層成像技術(X-CT)研究增稠劑對硬化透水混凝土孔隙率(φ)沿豎直方向變化規律的影響，結果見圖5.從圖5中可以直觀地發現：當不摻加增稠劑時，透水混凝土成型后，骨料表面漿體易受振動等外力作用而出現沉降，導致透水混凝土試件上部孔隙較多、下部孔隙較少；當摻加增稠劑后，透水混凝土試件上下部分孔隙結構相對均勻.圖6統計了沿透水混凝土試件豎直方向自下而上每隔1cm截取的水平二維圖像中的孔隙率.由圖6可見，不摻加增稠劑的試件孔隙率沿豎直方向自上而下呈梯度遞減的分布特征，其中增稠劑摻量為0.8%的試件孔隙率僅小幅波動.

圖4 增稠劑對透水混凝土漿體分層指數的影響Fig.4 Effect of VMA on segregation index of pervious concrete

圖5 硬化透水混凝土X-CT圖片Fig.5 X-CT images of hardened pervious concretes

圖6 增稠劑對硬化透水混凝土試塊水平二維斷層 孔隙率的影響(自下而上)Fig.6 Effect of VMA on porosity of 2D computed tomograph image of hardened pervious concrete(bottom-up)

2.3 流變分析

為了深入分析透水混凝土漿體工作性能與其流變行為的關系，研究了水泥-減水劑-增稠劑復合漿體流動度與屈服應力、塑性黏度的相關性，結果見圖7，其相應擬合公式見表1.圖7(a)給出了漿體屈服應力與流動度之間的關系.由圖7(a)可見，不管是否加入增稠劑，漿體的屈服應力與流動度間均存在近似冪函數的關系.已有研究也表明[12-14]，屈服應力與水泥漿體流動度或混凝土坍落度(擴展度)具有良好的對應關系.圖7(b)給出了漿體塑性黏度與流動度之間的關系.由圖7(b)和表1可見，當增稠劑摻量一定時，漿體的塑性黏度與流動度近似呈指數函數關系；在相同流動度下，增稠劑摻量越大，漿體的塑性黏度越高.由此可見，增稠劑能在不改變流動度的條件下提高漿體的塑性黏度(即黏聚性)，即使漿體流動度高達240mm，加入適量的增稠劑依然能夠使漿體具有較高的塑性黏度，提高了透水混凝土的抗分層能力.

圖7 屈服應力、塑性黏度與漿體流動度的相關性Fig.7 Correlation between yield stress, plastic viscosity and fluidity

表1 塑性黏度與漿體流動度的擬合公式Table 1 Regression equations between plastic viscosity and fluidity

根據水泥基材料流變學理論，屈服應力主要由漿體內各顆粒之間的附著力和摩擦力產生，是阻止漿體產生塑性變形的最大應力，屈服應力越小，漿體越易發生流動，其穩定性越差；塑性黏度則是水泥漿體內部結構阻礙流動的性能，反映了漿體體系變形的速度，塑性黏度越小，相同外力作用下漿體的流速越大[15-16].單純使用減水劑時，漿體下沉以及由此導致的抗壓強度升高和連通孔隙率降低的根本原因是漿體的黏聚性隨流動度同步減小.因此，制備透水混凝土時必須嚴格控制漿體的流動度，然而在透水混凝土生產、運輸和施工過程中，其工作狀態對用水量、減水劑用量的敏感性以及流動度損失等因素將造成透水混凝土難以滿足實際工程需要.同時使用減水劑和增稠劑，可以在較低的屈服應力下獲得較高的塑性黏度，進而提高透水混凝土漿體流動過程中的阻力，降低流速，使漿體既能夠良好地與骨料粘結，又不至于沉底、堵孔.

3 結論

(1)通過測試透水混凝土中漿體流動度和分層指數，定量表征了透水混凝土的新拌性能——流動性和黏聚性.

(2)當原材料和配合比確定時，透水混凝土的力學性能和透水性能在很大程度上由其工作狀態決定；減水劑可以提高新拌透水混凝土中漿體的流動度，但在一定漿體流動度范圍內，隨著漿體流動性的提高，硬化透水混凝土28d抗壓強度增大，透水系數降低.

(3)透水混凝土硬化性能受漿體流動度影響的直接原因是透水混凝土在豎直方向上的表觀密度發生了變化(漿體含量差異)，根本原因在于隨著漿體流動度的提高，其黏聚性(塑性黏度)與屈服應力同步減小.

(4)增稠劑可以在不改變屈服應力的條件下明顯提高漿體黏聚性(塑性黏度)，減少大流動性透水混凝土的漿體沉底現象，從而在一定程度上改善透水混凝土流動性與硬化性能之間的矛盾.

[1] VANCURA M,KHAZANOVICH L,MACDONALD K.Performance evaluation of in-service pervious concrete pavements in cold weather[R].University of Minnesota,US:Freeze Thaw Durability,2010:126-140.

[2] CHINDAPRASIRT P,HATANAKA S,CHAREERAT T,et al.Cement paste characteristics and porous concrete properties[J].Construction and Building Materials,2008,22(5):894-901.

[3] JOSHAGHANI A,RAMEZANIANPOUR A A,ATAEI O,et al.Optimizing pervious concrete pavement mixture design by using the taguchi method[J].Construction and Building Materials,2015,101:317-325.

[4] AKAND L,YANG M,GAO Z.Characterization of pervious concrete through image based micromechanical modeling[J].Construction and Building Materials,2016,114:547-555.

[5] HESAMI S,AHMADI S,NEMATZADEH M.Effects of rice husk ash and fiber on mechanical properties of pervious concrete pavement[J].Construction and Building Materials,2014,53:680-691.

[6] ACI 522R-10 Pervious concrete[S].

[7] TENNIS P D,LEMING M L,AKERS D J.Pervious concrete pavements[R].Illinois,US:Detention Basins,2004:8-9.

[8] 蔣正武,孫振平,王培銘.若干因素對多孔透水混凝土性能的影響[J].建筑材料學報,2005,8(5)：513-519.

JIANG Zhengwu,SUN Zhenping,WANG Peiming.Effects of some factors on properties of porous pervious concrete[J].Journal of Building Materials,2005,8(5):513-519.(in Chinese)

[9] ASTM C1610/C1610Ma—2006 Standard test method for static segregation of self-consolidating concrete using column technique[S].

[10] 宋修廣,周健,侯越,等.抗分散透水性混凝土性能研究[J].山東大學學報(工學版),2016,46(4)：60-67.

SONG Xiuguang,ZHOU Jian,HOU Yue,et al.Properties of anti-dispersing pervious concrete[J].Journal of Shandong University(Engineering Science),2016,46(4):60-67.(in Chinese)

[11] 陳錢寶,尤業字,陳雷,等.聚合物/無機粘度增效劑的制備及其對自密實混凝土流變特性的影響[J].膠體與聚合物,2015,33(2)：51-54.

CHEN Qianbao,YOU Yezi,CHEN Lei,et al.Preparation of polymer/inorganic viscosity synergist agent and its influence on the rheological properties of the self-compacting concrete[J].Chinese Journal of Colloid & Polymer,2015,33(2):51-54.(in Chinese)

[12] BOURAS R,KACI A,CHAOUCHE M.Influence of viscosity modifying admixtures on the rheological behavior of cement and mortar pastes[J].Korea-Australia Rheology Journal,2012,24(1):35-44.

[13] ISIK I E,OZKUL M H.Utilization of polysaccharides as viscosity modifying agent in self-compacting concrete[J].Construction and Building Materials,2014,72:239-247.

[14] 唐修生,蔡躍波,溫金保,等.磨細礦渣復合漿體流變參數與流動度的相關性[J].硅酸鹽學報,2014,42(5)：648-652.

TANG Xiusheng,CAI Yuebo,WEN Jinbao,et al.Correlation between slump flow and rheological parameters of compound pastes with high volume of ground slag[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2014,42(5):648-652.(in Chinese)

[15] ROUSSEL N,STEFANI C,LEROY R.From mini-cone test to Abrams cone test:Measurement of cement-based materials yield stress using slump tests[J].Cement and Concrete Research,2005,35(5):817-822.

[16] TREGGER N,FERRARA L,SHAH S P.Identifying viscosity of cement paste from mini-slump-flow test[J].ACI Materials Journal,2008,105(6):558-566.