基于孔結(jié)構(gòu)特征的再生骨料透水混凝土抗凍耐久性試驗(yàn)

尹志剛，張 愷，趙 越

(1.長春工程學(xué)院,水利與環(huán)境工程學(xué)院，長春 130012;2.大連理工大學(xué),海岸與近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,大連 116024; 3.大連理工大學(xué)，建設(shè)工程學(xué)部水利工程學(xué)院，工程抗震研究所,大連 116024)

0 引 言

透水混凝土是一種具有高透水性能的多孔混凝土，不含或僅含少量細(xì)骨料，其內(nèi)部曲折連通孔隙能有效貯存、滲透和凈化水質(zhì)，具有改善和緩解地表生態(tài)環(huán)境，減小城市暴雨內(nèi)澇等功用，是建設(shè)“海綿城市”的重要組成部分[1]。但也是由于其多孔透水的特性，致使其凍融破壞與普通混凝土有明顯不同，故開展透水混凝土在凍融環(huán)境下的力學(xué)性能和耐久性能試驗(yàn)是目前亟待解決的關(guān)鍵問題。

面對建筑垃圾粗放性填埋堆放和自然資源日益緊缺的情況，研究利用廢舊建筑垃圾替換部分天然骨料來制備生產(chǎn)混凝土對可持續(xù)發(fā)展具有重要社會(huì)意義。國內(nèi)外學(xué)者已開展大量有關(guān)再生骨料混凝土力學(xué)性能的研究，如孫家瑛等[2]研究了再生集料粒徑、集灰比等對再生集料透水混凝土的物理力學(xué)性能和耐久性的影響，指出隨著集料粒徑增大或集灰比的提高，透水混凝土強(qiáng)度逐步降低，透水率增加。Zaetang等[3]研究了不同再生混凝土集料摻量和類型對透水混凝土強(qiáng)度、透水性和表面耐磨性的影響，結(jié)果表明，隨著替代料的增加，再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度先增加后降低，且耐磨性也在一定程度上得到提升。郭磊等[4]對不同聚丙烯纖維和碳纖維改性對再生骨料透水混凝土力學(xué)性能、透水性及耐磨性進(jìn)行了研究；王雅思等[5]研究了骨料種類、目標(biāo)孔隙率、不同成型方式對再生骨料透水混凝土力學(xué)性能和物理性能的影響程度。張浩博等[6]探討了水灰比、骨料粒徑、砂率等因素對再生骨料透水混凝土抗壓強(qiáng)度和透水性能的影響，結(jié)果表明水灰比對強(qiáng)度的影響最為顯著，隨著骨料粒徑的增大，抗壓強(qiáng)度逐漸下降。薛冬杰等[7]基于圖像處理的方式探索了透水生態(tài)混凝土試件在凍融條件下的孔隙率和孔徑的變化規(guī)律，結(jié)果表明在受凍時(shí)孔隙不斷變大，0～5 mm的孔隙增幅達(dá)37%。蔣昌波等[8]探討了孔隙率、水灰比和骨料粒徑對多孔混凝土內(nèi)部孔徑大小分布和平面連通孔隙率的影響，并基于數(shù)字圖像處理技術(shù)獲取了不同配合比下多孔混凝土試件內(nèi)部孔隙特征。

綜上，目前對再生骨料透水混凝土力學(xué)性能的研究主要集中在配合比改性方面，而在其經(jīng)受凍融破壞后孔結(jié)構(gòu)與其力學(xué)性能和滲透性能方面的研究還有待進(jìn)一步完善。本文以30%再生粗骨料摻量制備透水混凝土，開展快速凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究再生骨料透水混凝土的滲透性能和抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，并通過CT掃描和圖像處理進(jìn)一步分析再生骨料透水混凝土凍融后孔結(jié)構(gòu)與其滲透性能和力學(xué)性能之間的關(guān)系，為再生骨料透水混凝土工作性能和耐久性能的研究提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料性能及配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；礦物摻合料選用SiO2含量為94.33%的微硅粉；砂摻量為粗骨料的8%，細(xì)度模數(shù)為2.66；再生粗骨料來源于廢棄C30鋼筋混凝土梁破碎加工制成，其中再生骨料摻量為30%；選用南京某公司生產(chǎn)的透水混凝土增強(qiáng)劑(Reinforcing Agent)，其主要成分見表1；聚丙烯纖維的物理性能見表2；選用沈陽某公司生產(chǎn)的FDN萘系高效減水劑，具體物理性能見表3。試驗(yàn)用水為自來水。試驗(yàn)采用規(guī)范[9]中體積法進(jìn)行設(shè)計(jì)，目標(biāo)孔隙率為15%，具體配合比見表4。

表1 透水混凝土增強(qiáng)劑主要物理性能Table 1 Main physical properties of reinforcing agent

表2 聚丙烯纖維物理性能Table 2 Physical properties of polypropylene fiber

表3 FDN型高效減水劑物理性能Table 3 Physical properties of FDN superplasticizer

表4 再生骨料透水混凝土配合比Table 4 Mix proportion of recycled aggregate pervious concrete /(kg·m-3)

1.2 方 法

(1)試驗(yàn)測試主要方法

試驗(yàn)依據(jù)規(guī)范[9]要求和文獻(xiàn)[10]中所采用再生骨料透水混凝土試塊制備流程，以二次投料法的順序澆筑制備立方體試塊，采用人工插搗和振動(dòng)成型，將拌合料分三次裝入試模內(nèi)，沿四邊插搗，最后一次裝填拌合料高出試模約20 mm，然后置于振動(dòng)臺(tái)上，振壓約20 s，用抹刀壓實(shí)抹平表面。為防止水分蒸發(fā)用保鮮膜覆蓋在試件成型上表面，靜置24 h后拆模，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。試塊主要用于測量不同凍融循環(huán)次數(shù)后的透水系數(shù)，連續(xù)孔隙率和抗壓強(qiáng)度。其中透水系數(shù)試驗(yàn)參考文獻(xiàn)[11]提出的定水頭測試方法，按式(1)計(jì)算:

(1)

式中：K為滲透系數(shù)，cm/s；Q為t時(shí)間內(nèi)流過試件的水量，cm3；L為透水混凝土試件高度，cm；A為透水混凝土試件橫截面積，cm2；H為透水儀器水頭差，cm；Δt為測試時(shí)間，s。

連續(xù)孔隙率Cvoid按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：Cvoid為連續(xù)孔隙率(精確至0.1%)，%；m1為透水混凝土試件在水中的重量，g；m2為試件在60 ℃烘箱中烘24 h后的重量，g；ρ為常溫下水的密度，g/cm3；V為實(shí)測試件體積，cm3。

再生骨料透水混凝土凍融試驗(yàn)制度參考GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中快凍法要求進(jìn)行，一次凍融循環(huán)4 h，其中凍結(jié)時(shí)長2.5 h，融化時(shí)長1.5 h。抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，采用WAW-2000kN壓力試驗(yàn)機(jī)測試。

(2)孔結(jié)構(gòu)測試方法

為研究凍融過程中再生骨料透水混凝土基體內(nèi)部孔隙率的劣化演變情況，利用醫(yī)用128層高檔螺旋CT機(jī)對經(jīng)歷不同凍融次數(shù)后的透水混凝土試件(100 mm×100 mm×100 mm)進(jìn)行掃描，掃描間距設(shè)定為2.5 mm，然后將CT掃描圖像導(dǎo)入MIMICS軟件，經(jīng)調(diào)整閾值范圍，可直觀看到試件內(nèi)部真實(shí)的骨料與孔隙分布，具體CT掃描試驗(yàn)過程見圖1。此外，利用圖像處理軟件Image-Pro Plus 6.0對二值化處理后的CT圖像進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析，獲得不同凍融次數(shù)下透水混凝土試件內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)特征。

圖1 再生骨料透水混凝土試件CT掃描試驗(yàn)
Fig.1 CT scanning test of recycled aggregate pervious concrete specimens

2 結(jié)果與討論

2.1 連通孔隙率、透水系數(shù)和抗壓強(qiáng)度與凍融次數(shù)的關(guān)系

圖2所示為連續(xù)孔隙率和透水系數(shù)隨凍融次數(shù)變化的曲線。從圖中可以看出，隨著凍融次數(shù)的增多，再生骨料透水混凝土的連續(xù)孔隙率和透水系數(shù)呈增大的趨勢，表明在凍融循環(huán)過程中，試件內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)劣化程度逐漸變大。這是由于透水混凝土試件本身為多孔骨架的特性，在周期性的靜水壓力和凍脹力共同作用下，骨料與周圍水泥漿體粘結(jié)面會(huì)發(fā)生開裂，再生粗骨料在經(jīng)過機(jī)械破碎后，且含有很多微裂紋，其形狀和棱角多為非均勻的，且表面黏附薄層舊水泥砂漿，導(dǎo)致其吸水量增大，在持續(xù)的凍融循環(huán)作用下，骨料之間接觸面較弱的部位和初始包含的微裂紋的薄弱層處易發(fā)生開裂、錯(cuò)動(dòng)，造成試件內(nèi)部的連通孔隙逐漸萌生、擴(kuò)展甚至貫通為宏觀裂縫，進(jìn)而引起連通孔隙率和透水系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而不斷增大。

圖2 連續(xù)孔隙率和透水系數(shù)隨凍融次數(shù)變化曲線
Fig.2 Relationship between continuous void rate and permeability coefficient with freeze-thaw cycles

圖3 抗壓強(qiáng)度隨凍融次數(shù)變化曲線
Fig.3 Relationship of compressive strength with freeze-thaw cycles

圖3為抗壓強(qiáng)度與凍融次數(shù)之間的關(guān)系曲線。分析可知，凍融后再生骨料透水混凝土的力學(xué)性能與連續(xù)孔隙率和透水系數(shù)的規(guī)律明顯相反，這是由于透水混凝土試塊主要依靠骨料與膠凝材料漿體之間的粘結(jié)咬合能力來承受和傳遞荷載，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍融作用使得骨料與漿體粘結(jié)面處發(fā)生開裂、錯(cuò)動(dòng)等現(xiàn)象，內(nèi)部連通孔隙變大，造成試件的整體密實(shí)度降低，進(jìn)而宏觀上表現(xiàn)為力學(xué)性能的下降。采用二次多項(xiàng)式擬合抗壓強(qiáng)度與凍融次數(shù)兩者之間的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.98以上。

2.2 CT掃描斷面平均孔隙率

透水混凝土因其孔隙結(jié)構(gòu)較大，使得其凍融破壞現(xiàn)象較普通混凝土更加復(fù)雜，因此研究透水混凝土受凍狀態(tài)下的孔隙結(jié)構(gòu)演變規(guī)律十分必要。圖4(a)中分別給出了經(jīng)受20～100次凍融循環(huán)后的透水混凝土試件CT掃描斷面圖像，從圖中可以更為直觀地看到骨料、膠凝材料及孔隙結(jié)構(gòu)的分布情況。基于Otsu閾值分割法利用MATLAB軟件對CT掃描得到的圖像進(jìn)行處理，得到CT掃描斷面的黑白二值化圖像，如圖4(b)所示。圖中白色區(qū)域表示再生骨料透水混凝土的骨料與水泥漿體膠凝材料，黑色區(qū)域表示骨料之間的孔洞，通過統(tǒng)計(jì)分析黑色孔洞所占的面積，即可獲得該CT掃描斷面處的孔隙率。

圖4 CT掃描斷面圖像與二值化圖像隨凍融次數(shù)變化規(guī)律
Fig.4 Relationship between CT scanning images and binary images with freeze-thaw cycles

進(jìn)一步分析圖4中的CT掃描圖像和二值化處理圖可知，隨著凍融次數(shù)的增多，黑色孔隙所占的面積越來越大，表明試件內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)劣化愈加嚴(yán)重，骨料之間也出現(xiàn)宏觀貫穿性裂縫。在凍融循環(huán)作用過程中，周期性的靜水壓力和膨脹壓力使得試塊的邊緣愈加不規(guī)整，原有孔隙不斷擴(kuò)大，且伴有新裂紋的產(chǎn)生。不同凍融循環(huán)次數(shù)下透水混凝土試件的CT掃描截面處的孔隙率變化趨勢如圖5所示。經(jīng)過100次凍融循環(huán)后，CT掃描斷面平均孔隙率為29.26%，較20次、40次、60次、80次凍融后的孔隙率分別增大了1.895倍、1.583倍、1.427倍、1.234倍。圖6為不同凍融循環(huán)次數(shù)下CT掃描斷面平均孔隙率與實(shí)測連續(xù)孔隙率的對比關(guān)系圖。可以看出，兩者整體變化趨勢相同，均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大。

圖5 CT掃描孔隙率分布與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系
Fig.5 Relationship porosity of CT scanning with freeze-thaw cycles

圖6 CT掃描孔隙率與實(shí)測連續(xù)孔隙率的關(guān)系
Fig.6 Relationship between porosity of CT scanning and continuous void rate with freeze-thaw cycles

圖7 試塊內(nèi)部孔徑分布與平均孔徑隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線
Fig.7 Relationship between pore size distribution and average pore size with freeze-thaw cycles

2.3 不同凍融次數(shù)下試件內(nèi)部平均孔徑及其分布

利用Image-Pro Plus 6.0軟件對二值化處理后的透水混凝土CT掃描圖像進(jìn)一步分析，并利用其統(tǒng)計(jì)功能可獲得不同凍融循環(huán)次數(shù)后混凝土試件的孔隙結(jié)構(gòu)演變規(guī)律。圖7(a)～(e)分別描述了不同凍融循環(huán)次數(shù)后的孔徑頻數(shù)柱狀圖及擬合的正態(tài)分布曲線圖。從圖中可以看出，再生骨料透水混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的平均孔徑隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大，峰值逐漸向右移動(dòng)，相應(yīng)的正態(tài)分布曲線逐漸變得“矮胖”，大孔徑所占的比值逐漸增多，即凍融循環(huán)過程中，部分小孔徑的孔隙逐漸劣化為大孔，致使連通孔數(shù)量增多；從圖7(f)中還可以看出，經(jīng)歷60次凍融循環(huán)后，孔徑的劣化速率加快，宏觀上表現(xiàn)為透水系數(shù)和連續(xù)孔隙率增大，力學(xué)性能降低。

2.4 平均孔徑與其他結(jié)果之間的關(guān)系

圖8為經(jīng)受不同凍融循環(huán)次數(shù)后試件內(nèi)部孔隙平均孔徑與抗壓強(qiáng)度及CT掃描斷面平均孔隙率之間的關(guān)系曲線。可見，隨著平均孔徑的增大，再生骨料透水混凝土試件的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，兩者之間呈負(fù)相關(guān)；CT掃描斷面平均孔隙率隨著平均孔徑呈拋物線型增大。這是由于透水混凝土凍融破壞的實(shí)質(zhì)是骨料粘結(jié)面處與內(nèi)部孔隙之間的微裂紋萌生、擴(kuò)展直至貫通的過程，平均孔徑越大，表明孔隙劣化連通現(xiàn)象越嚴(yán)重，進(jìn)而造成抗壓強(qiáng)度降低。

圖8 平均孔徑與抗壓強(qiáng)度和CT掃描平均孔隙率的關(guān)系曲線
Fig.8 Relationship between compressive strength and CT porosity with average pore size

圖9 平均孔徑與連續(xù)孔隙率和透水系數(shù)之間的關(guān)系曲線
Fig.9 Relationship between continuous void rate and permeability coefficient with average pore size

圖9為經(jīng)受不同凍融循環(huán)次數(shù)后試件內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)平均孔徑與連續(xù)孔隙率和透水系數(shù)之間的關(guān)系曲線，連續(xù)孔隙率與透水系數(shù)隨平均孔徑增大呈拋物線型增大。分析可知，隨著凍融損傷劣化程度的加深，連續(xù)孔隙率與透水系數(shù)隨著平均孔徑的增大均有不同程度的漲幅，透水系數(shù)隨著平均孔徑的增大呈拋物線上升的趨勢；連續(xù)孔隙率隨著平均孔徑的增大，呈現(xiàn)出先快速上升，之后變得緩慢上升的趨勢。

3 結(jié) 論

(1)再生骨料透水混凝土的連續(xù)孔隙率和透水系數(shù)均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，抗壓強(qiáng)度隨凍融次數(shù)的增加而逐漸降低；在凍融循環(huán)過程中，最外側(cè)粗骨料逐漸剝落，脫離基體，且在骨料與水泥漿體粘結(jié)薄弱位置處有明顯的貫通裂縫出現(xiàn)，試件內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)劣化程度逐漸變大，相應(yīng)的試塊宏觀力學(xué)性能表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢。

(2)通過圖像處理后的CT掃描斷面圖可用于表征凍融環(huán)境下再生骨料透水混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的連通、擴(kuò)展特性以及凍融損傷的演變過程，通過進(jìn)一步分析各掃描斷面孔徑頻數(shù)柱狀圖的分布情況，采用正態(tài)分布函數(shù)擬合孔徑分布，可以看到正態(tài)分布曲線逐漸變得“矮胖”，曲線峰值逐漸向右移動(dòng)，大孔徑所占的比值逐漸增多。

(3)混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的平均孔徑隨著凍融次數(shù)的增加逐漸增大，CT掃描斷面平均孔隙率、透水系數(shù)與連通孔隙率均隨著平均孔徑的增大而增大，再生骨料透水混凝土的抗壓強(qiáng)度隨平均孔徑的增大逐漸降低。