復雜侵蝕環境下透水混凝土耐久性能試驗研究

(上海市建筑科學研究院(集團)有限公司;上海市工程結構安全重點實驗室,上海 200032)

透水混凝土由水、水泥、粗骨料組成，采用單粒級骨料作為骨架，水泥漿薄層或加入少量細骨料的砂漿薄層包裹在粗骨料表面形成膠結層，骨料通過硬化膠結層膠結而成多孔堆積結構。透水混凝土屬于生態型混凝土，主要用于城市既有住區道路、人行道、城市廣場、體育場、戶外停車場、園林景觀道路等[1]。2014年10月住房和城鄉建設部組織編制了《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建(試行)》，其中，將透水鋪裝技術列為海綿城市建設的首項推廣應用技術[2]。2015年4月，遷安等首批16個海綿城市建設試點名單正式公布。2015年10月《國務院辦公廳關于推進海綿城市建設的指導意見》發布，要求進一步大力推進海綿城市建設。因此，透水混凝土在中國的應用前景非常廣闊。

在透水混凝土組成材料、配合比設計、基本性能等方面已取得許多成果[3-8]。但在耐久性研究方面，關于抗凍性的文獻較多，在抗侵蝕性研究方面可查文獻較少，個別文獻只是考慮了單因素侵蝕環境影響，而單因素侵蝕與實際差別較大。實際上，由大氣污染導致的酸雨、地面污染物和污水中含有大量侵蝕離子，如硫酸根離子、氯離子、碳酸根離子、鎂離子、鈉離子等，形成了復雜多因素侵蝕環境。由于透水混凝土是多孔連通結構，這些侵蝕離子可以直驅混凝土內部，然后與骨料間薄膠結層中的水化產物發生化學反應使其喪失粘性，骨料則因膠結層失效而變得松散，最終導致混凝土失去強度。因此，透水混凝土以多孔連通、薄膠結層為表征的內部結構，使得其抗侵蝕性能成為一個薄弱環節。

國外已有不少透水混凝土路面受酸、鹽侵蝕的案例，在侵蝕介質積聚的地方，大片路面變得疏松，由于有大量侵蝕性產物生成，路面幾乎無法修復，只能鏟除重新鋪設，工程代價很大[9]。筆者曾對上海透水混凝土鋪設面積較大的一些場地進行過實地考察，發現多處路面不同程度地存在粗骨料松散現象，從中取出部分膠結層，通過微觀觀測發現有大量鈣礬石、石膏、硫酸鎂等侵蝕性產物存在，應用酚酞試劑檢測發現混凝土中性化也很嚴重，證實了多因素侵蝕環境的存在。

基于以上背景和文獻調研，課題組擬在透水混凝土中摻加活性礦物摻合料或改性聚丙烯纖維來提高透水混凝土的耐久性。活性礦物摻合料選擇低品質硅灰和低品質粉煤灰，可與水泥組成復合膠凝材料，有效改善膠結層的化學組成，提高抵抗侵蝕離子的能力。已有不少關于復合膠凝材料透水混凝土的研究[3,10]，但所摻入的膠凝材料一般屬于質量相對較好且滿足標準要求的活性礦物摻合料，低品質活性礦物摻合料的摻加，對于有效利用固廢材料、節約資源、保護環境將發揮重要作用。改性聚丙烯纖維選擇聚丙烯仿鋼纖維(PPTF)，能夠提高膠結層的抗裂能力和界面粘結性能，有效抵抗膨脹性侵蝕產物對膠結層的破壞。PPTF具有耐腐蝕、易分散、易施工、斷裂強度高、握裹力強等優點。與鋼纖維相比，不會生銹；與普通聚丙烯纖維相比，在透水混凝土中不會結團、易于分散均勻。

前期已完成低品質活性礦物摻合料透水混凝土和聚丙烯仿鋼纖維(PPTF)透水混凝土的基本性能(試件成型后在自然狀態下覆蓋并灑水養護28 d后的性能)研究，詳見文獻[11-12]，在此基礎上，繼續研究其耐久性能(養護后試件在復雜多因素侵蝕環境下被侵蝕一定時間后的性能)，綜合考慮基本性能和耐久性能，提出適應海綿城市建設需求的高耐久性透水混凝土的相對較優配合比。

1 試驗設計

1.1 原材料

試驗用膠凝材料包括42.5普通硅酸鹽水泥、低品質硅灰、低品質粉煤灰；粗骨料采用粒徑為5～10 mm的碎石；纖維采用鋸齒形PPTF；拌合水采用自來水；減水劑采用聚羧酸高效減水劑。各種原材料的基本性能指標見文獻[11-12]。

1.2 配合比設計與制備工藝

各系列透水混凝土的配合比設計見表1，制備工藝見文獻[11-12]。試件成型后在自然狀態下覆蓋并灑水養護28 d，然后在侵蝕溶液中進行浸泡。耐久性能試驗包括100 mm×100 mm×100 mm立方體試件和100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試件，前者用于抗壓強度測試，后者用于抗折強度測試。

表1 配合比設計Table 1 Mix proportion design

1.3 侵蝕溶液選擇

表2 侵蝕溶液選擇Table 2 Attack solution

1.4 侵蝕方式

試驗采用侵蝕溶液全浸泡方式進行侵蝕，浸泡試驗在塑料容器中進行，浸泡過程中為保持侵蝕溶液濃度不變，用塑料薄膜對侵蝕溶液進行密封以防止揮發，并且定期更換溶液。浸泡試驗現場實景見圖1。

圖1 浸泡試驗

1.5 侵蝕時間

侵蝕溶液浸泡試驗共持續300 d，抗壓強度和抗折強度的測試時間如表3所示。

表3 測試時間Table 3 Testing time

注：測試時間是指從養護28 d后開始的時間。

1.6 測試內容

試驗測試包括宏觀測試和微觀測試。宏觀測試主要包括：表觀現象、抗壓強度、抗折強度，其中，抗壓強度和抗折強度測試采用《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)中規定的方法。微觀測試主要包括：用掃描電鏡(SEM)觀測透水混凝土受侵蝕膠結層和表面結晶體的微觀結構特征、用能譜儀(EDS)和X射線衍射儀(XRD)觀測透水混凝土受侵蝕膠結層和表面結晶體的化學組成。

2 試驗結果與分析

2.1 表觀現象

試驗分別觀測了侵蝕時間為60、150、240、300 d時透水混凝土表觀劣化情況，各配合比透水混凝土表面均出現了不同程度的水泥漿體流失現象。隨著侵蝕時間增加，水泥漿體流失程度不斷加重；但由于透水混凝土屬多孔結構，膨脹性侵蝕產物導致的應力很容易分散，故其表面并未出現剝落現象。同一侵蝕時間下，A1表面水泥漿體流失最為嚴重，特別是侵蝕到300 d時，表層骨料間明顯出現無水泥漿體填充現象。摻入低品質活性礦物摻合料后，所形成的復合膠凝材料有效改善了膠結層的化學組成，提高了抵抗侵蝕離子的能力，表層復合膠凝材料漿體的流失明顯減輕，其中,尤以B3改善提升效果最佳。摻入鋸齒形PPTF后，當纖維摻量較少時(如1 kg/m3)，纖維對透水混凝土表面的增強作用并不明顯，表面水泥漿體流失仍較為嚴重；隨著纖維摻量的增加(如3 kg/m3)，表面顯露出越來越多的纖維，呈三維不定向混雜分布狀態，相互之間形成了有一定拉結力的網絡結構，盡管表面仍有一定程度的水泥漿體流失，但纖維所形成的網絡結構在一定程度上對透水混凝土表層形成了有利的約束作用。侵蝕300 d后試件表觀情況如圖2所示。

當各配合比透水混凝土試件從侵蝕溶液中取出并在空氣中靜置一段時間后，相當于從濕狀態進入干狀態，表面均出現了不同程度的結晶體，呈白色片狀，比較容易破碎，且結晶體在表面分布并不均勻。關于結晶體的化學組成將根據后面的微觀測試進行分析。

圖2 侵蝕時間為300 d時試件表觀劣化情況Fig.2 Visual degradation observation at 300

2.2 強度劣化規律

1) 抗壓強度 低品質活性礦物摻合料透水混凝土系列的抗壓強度劣化程度對比如圖3(a)所示，聚丙烯仿鋼纖維(PPTF)透水混凝土系列的抗壓強度劣化程度對比如圖3(b)所示。由圖3(a)、(b)可見，除B1外，各系列透水混凝土基本上都經歷了0～60 d內抗壓強度不斷增長、之后抗壓強度不斷下降的變化規律，這主要是因為，侵蝕初期，膠凝材料的繼續水化和膨脹性侵蝕產物對界面孔隙的填充作用對強度增長起到有利作用，侵蝕超過60 d以后，膠凝材料的水化作用減弱，隨著膨脹性侵蝕產物的累積，逐漸在界面孔隙壁上產生拉應力，從而導致界面裂紋不斷出現，宏觀上則表現為強度不斷降低。

圖3 抗壓強度劣化程度對比Fig.3 Comparison of deterioration degree of

由圖3(b)可見，侵蝕到60 d時，C1、C2、C3透水混凝土抗壓強度與A1的比值分別為1.7、1.6、1.4；侵蝕到150 d時,比值分別為1.6、1.5、1.3；侵蝕到240 d時,比值分別為1.5、1.8、1.6；侵蝕到300 d時,比值分別為1.9、2.0、1.4。綜合判斷，對于聚丙烯仿鋼纖維(PPTF)透水混凝土系列，在普通水泥透水混凝土中摻入3 kg/m3鋸齒形PPTF對抗壓強度的增強效果較好，表明合理數量的鋸齒形PPTF摻入后，纖維呈三維不定向混雜分布狀態，形成了有一定拉結力的網絡結構，對透水混凝土起到了一定的約束作用。但隨著纖維摻量的增加(如5 kg/m3)，部分纖維不能被水泥漿體完全包裹或者根本沒有被水泥漿體包裹，分散于骨料間，影響了膠結層和骨料間的粘結力，也無法形成有拉結力的網絡，增強效果反而會有所下降。圖4展示了侵蝕到300 d時聚丙烯仿鋼纖維(PPTF)透水混凝土系列的受壓破壞形態，C1、C2、C3透水混凝土均展示出壞而不散的狀態，進一步表明摻入一定量的鋸齒形PPTF，盡管增強效果不同，但對透水混凝土均起到一定的約束作用。

圖4 聚丙烯仿鋼纖維(PPTF)透水混凝土系列的受壓破壞形態Fig.4 Compressive failure mode of PPTF pervious

2) 抗折強度 低品質活性礦物摻合料透水混凝土系列的抗折強度劣化程度對比見圖5(a)所示，聚丙烯仿鋼纖維(PPTF)透水混凝土系列的抗折強度劣化程度對比見圖5(b)所示。由圖5(a)、(b)可見，各系列透水混凝土基本上都經歷了0～60 d內抗折強度不斷增長、之后抗折強度不斷下降的變化規律，抗折強度變化規律及其原因機理與抗壓強度類似。

圖5 抗折強度劣化程度對比Fig.5 Comparison of deterioration degree of flexural

由圖5(a)可見，侵蝕到60 d時，B1、B2、B3透水混凝土抗折強度與A1的比值分別為1.4、1.7、1.5；侵蝕到150 d時,比值分別為1.3、1.6、1.3；侵蝕到240 d時,比值分別為1.4、1.5、1.5；侵蝕到300 d時,比值分別為1.4、1.3、1.5。根據強度發展變化趨勢綜合判斷，特別是結合侵蝕到240、300 d情況，對于低品質活性礦物摻合料透水混凝土系列，復摻低品質硅灰和低品質粉煤灰對抗折強度增強效果較好。

由圖5(b)可見，侵蝕到60 d時，C1、C2、C3透水混凝土抗折強度與A1的比值分別為1.8、1.4、1.5；侵蝕到150 d時,比值分別為1.7、1.4、1.3；侵蝕到240 d時,比值分別為1.6、1.5、1.4；侵蝕到300 d時,比值分別為1.6、1.4、1.3。摻入鋸齒形PPTF后，纖維呈三維不定向混雜分布狀態，當由膨脹性侵蝕產物導致的微裂紋不斷擴展時，會碰到多條不同向的纖維，由于纖維的抗拉強度遠大于基體的強度，以及纖維與基體間存在一定的粘結力，使得裂紋擴展受到限制，從而增強了彎折抗拉強度。僅從圖5(b)看，摻1 kg/m3鋸齒形PPTF對抗折強度的增強效果要大于摻3 kg/m3鋸齒形PPTF情況，但實際上，在侵蝕時間60～240 d之間，摻1 kg/m3鋸齒形PPTF的抗折強度的下降程度明顯大于摻3 kg/m3鋸齒形PPTF情況，侵蝕時間為240 d時，C1和C2的抗折強度已十分接近，但在侵蝕時間240 d～300 d之間，摻1 kg/m3鋸齒形PPTF的抗折強度卻保持不變，這與實際情況不太相符，可能存在測試異常。結合前面抗壓強度發展變化趨勢，這里仍選擇推薦C2配合比。

2.3 微觀分析

侵蝕時間為150 d時,各配合比透水混凝土膠結層的微觀結構特征和化學組成如圖6所示。

圖6 透水混凝土膠結層SEM和EDS觀測Fig.6 SEM and EDS observations of cemented layer of

由圖6可見，侵蝕產物中不同程度存在鈣礬石、石膏、氫氧化鎂、M-S-H等，其中，以鈣礬石侵蝕為主。A1膠結層中發現了大量侵蝕產物，B1和B2膠結層中也發現不少侵蝕產物，但在B3膠結層中只發現較少量的侵蝕產物存在。在B3中復摻低品質活性礦物摻合料后，膠凝材料中的CaO含量大大降低[11]，導致膠凝材料水化產物中Ca(OH)2含量大大降低。根據Na2SO4和MgSO4侵蝕機理[13-15]，Ca(OH)2含量降低將有效抵抗硫酸鹽的侵蝕，因此B3膠結層侵蝕產物較少。比較C1、C2、C3膠結層微觀結構特征，當纖維摻量比較大時(如5 kg/m3)，部分纖維不能被水泥漿體完全包裹或者根本沒有被水泥漿體包裹，膠結層變得不密實，導致更多侵蝕離子傳輸到膠結層內部，生成更多的侵蝕產物。侵蝕時間為300 d時，不同配合比透水混凝土膠結層的微觀結構變化規律與侵蝕時間為150 d時基本類似，只是發現各配合比透水混凝土膠結層的裂隙普遍增多，表明受侵蝕程度明顯加重。總的來看，透水混凝土微觀結構變化規律與其宏觀力學性能變化規律基本相符。

圖7展示了侵蝕時間為150 d時透水混凝土由濕狀態轉為干狀態時在表面形成的結晶體(各組均存在，這里是隨機選取的)，圖8展示了表面結晶體的微觀分析。

圖7 透水混凝土表面結晶體Fig.7 Surface crystallization of pervious concrete

綜合SEM、EDS、XRD測試結果，透水混凝土表面結晶體的主要成分為CaCO3，主要由透水混凝土的析出物Ca(OH)2在空氣中碳化而成。這表明,在干狀態下，由于透水混凝土的孔隙率比較大，隨著孔隙溶液蒸發，孔隙溶液中的Ca(OH)2比較容易析出。透水混凝土中的這種劣化方式也應引起充分重視，這在通常的透水性鋪裝路面上是比較容易出現的，尤其在雨過天晴之后。侵蝕時間為300 d時，透水混凝土表面結晶體的主要成分亦為CaCO3(如圖9所示)，與侵蝕時間為150 d時觀測到的結晶體一樣。

圖8 150 d時透水混凝土表面結晶體微觀分析Fig.8 Micro-analysis of surface crystallization of pervious concrete at 150 d

圖9 300 d時透水混凝土表面結晶體微觀分析Fig.9 Micro-analysis of surface crystallization of pervious concrete at 300

綜合考慮各系列透水混凝土的基本性能(主要通過試件成型養護28 d后的抗壓強度、抗折強度、孔隙率、透水系數來表征，詳見文獻[11-12])和耐久性能(主要通過復雜侵蝕環境下抗壓強度、抗折強度隨侵蝕時間的劣化規律來表征，詳見本文)，并考慮低品質固廢材料的有效利用和改性聚丙烯纖維摻入的經濟性，推薦B3和C2兩個配合比，即復摻低品質硅灰和低品質粉煤灰透水混凝土和摻3 kg/m3鋸齒形PPTF透水混凝土。B3和C2兩個配合比基本性能均滿足城市既有住區道路、人行道、城市廣場、體育場、戶外停車場、園林景觀道路等輕交通路面的使用要求，同時,又具有良好的耐久性能。

3 結論

1)隨著侵蝕時間增加，透水混凝土表面水泥漿體流失程度不斷加重，摻入適量低品質活性礦物摻合料或聚丙烯仿鋼纖維后，可有效減輕水泥漿體的流失。

2)隨著侵蝕時間增加，透水混凝土強度(抗壓強度和抗折強度)初期有所增長，之后逐漸下降；摻入適量低品質活性礦物摻合料或聚丙烯仿鋼纖維后，各侵蝕時間下透水混凝土強度較未摻加情況有明顯提高。

3)根據SEM、EDS等微觀測試結果，復雜侵蝕環境下透水混凝土微觀結構變化規律與其宏觀力學性能變化規律基本一致。

4)綜合考慮透水混凝土的基本性能和耐久性能，并考慮低品質固廢材料的有效利用和改性聚丙烯纖維摻入的經濟性，推薦配合比B3和C2，即復摻低品質硅灰和低品質粉煤灰透水混凝土和摻3 kg/m3鋸齒形PPTF透水混凝土。這兩種配比的透水混凝土基本性能滿足使用要求，同時具有良好的耐久性能。

5)研究了低品質活性礦物摻合料透水混凝土和聚丙烯仿鋼纖維透水混凝土兩個獨立系列的耐久性能，同時摻加低品質活性礦物摻合料和聚丙烯仿鋼纖維的透水混凝土的耐久性能值得進一步研究。

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