路用高性能聚合物透水混凝土試驗研究

侯利軍，沈逢春，劉后虎，王運強，王 翔，施維麗，張燕坤

(1.中電建路橋集團有限公司，北京 100048；2.北方工業大學土木工程學院，北京 100144)

0 引 言

由于傳統混凝土路面存在透水性差的問題，導致近年來城市內澇現象時有發生，因此人們積極尋找解決路面不透水問題的有效措施。配制適合于道路使用的透水混凝土，不但可以緩解城市排水設施的壓力，同時還可以解決部分環保問題[1]。透水性混凝土是由一定比例的粗集料、水泥、外加劑和水，經特殊的施工及成型工藝制備而成，不含或含極少量的細集料，使得其內部含有大量的孔隙，能夠增加透水、透氣面積, 可以有效地解決水質污染、水生物棲息地喪失等多種水生態問題[2]。

盡管透水混凝土從出現至今已有一百多年的歷史，但由于透水混凝土的強度偏低、透水性能不穩定等問題制約了其進一步的推廣應用。

聚合物透水混凝土是在普通透水混凝土的基礎上，在混凝土攪拌階段摻入聚合物，澆筑后經養護、成型的一種含聚合物的透水混凝土。相對于普通透水混凝土，聚合物可以在水泥漿與骨料間形成具有較高粘結力的膜，提高了水泥漿體與骨料的粘結性并提高了混凝土抗壓和抗折強度以及混凝土的變形能力[3]，從而改善了普通透水混凝土的性能，目前已受到各國學者和工程界的重視[4-6]。近年來，不少學者對其性能進行了研究。霍亮[7]研究了聚合物透水混凝土的力學性能，配制出抗壓強度為32.9 MPa、抗折強度為4.5 MPa的透水混凝土。張金花等[8]的研究結果表明，聚合物的加入，有利于改善透水混凝土新拌性能及拌合物的粘聚性，且混凝土抗壓強度隨聚合物摻量的增加有增加的趨勢，建議其最佳摻量在15%～20%之間。吳紅斌[9]研究了不同水灰比和聚合物摻量對透水性混凝土力學性能的影響，認為聚合物透水混凝土存在一個最佳水灰比，聚合物的加入對混凝土的透水系數影響不明顯，并且當聚合物摻量過大時，透水系數反而下降。蘇有文等[10]研究分析了5種不同聚合物對透水混凝土性能的影響，研究表明羥丙基甲基纖維素可明顯提升混凝土的透水性能，再分散乳膠粉可明顯提高透水混凝土的抗壓強度。韓裕山[11]研究了聚合物透水混凝土的彎曲韌性、吸聲降噪、抗凍性、耐磨性等性能。李睿[12]對聚合物透水混凝土的力學性能和路用性能進行了試驗研究，分析了影響混凝土強度的因素。目前總體來說，聚合物透水混凝土的研究還不夠系統、深入，所研究配制的混凝土強度偏低，基本在C30以下，并且對于其耐久性研究的較少。本文基于正交設計法，對聚合物透水混凝土的抗壓、抗折強度、抗凍性能、透水性能以及孔隙率等進行了試驗研究，分析了各因素的影響，配制出具有較高強度和抗凍性能的高性能路用透水混凝土，給出了聚合物透水混凝土抗壓強度和抗折強度、抗壓強度和透水系數以及透水系數與孔隙率之間的回歸公式。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥采用北京產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，密度為3.1 g/cm3。骨料采用石灰巖碎石，粒徑4.75～9.5 mm，堆積密度為1.56 g/cm3。聚合物采用山東產的聚合物膠結粉(主要成份為再分散性乳膠粉及納米級二氧化硅粉)。拌合用水采用自來水。

1.2 試驗方法

圖1 透水試驗裝置Fig.1 Permeable test equipment

試塊采用人工插搗法成型，成型后采用標準養護，抗壓、抗折強度依據文獻[13]進行。透水系數的測試依據文獻[14]進行，透水裝置如圖1所示。孔隙率的測試依據文獻[15]進行。抗凍性能的測試采用文獻[16]中的快凍法進行。

2 結果與討論

2.1 試驗結果

試驗考慮了三種影響因素：水灰比、水泥用量與聚合物摻量。參考現有的透水混凝土配合比設計，水灰比取0.24、0.27、0.30和0.33，水泥用量取370 kg/m3、400 kg/m3、430 kg/m3、和460 kg/m3，聚合物摻量在廠家推薦值的基礎上，取為10 kg/m3、12 kg/m3、15 kg/m3和17 kg/m3，采用正交試驗，共16組。試驗結果及極差分析結果如表1和表2所示。

2.2 拌合料的工作性能

聚合物對于水泥漿體的粘性有一定的影響。不摻聚合物，水灰比較高時，出現漿體析出的現象，試件中的漿體由于重力作用沉積在試件底部，只有極少部分的漿體包裹粗骨料并形成骨料之間的粘結，導致試件上下之間的空隙不連續，如圖2、圖3所示。摻入聚合物后，隨著聚合物摻量的增加，漿體粘性增大，能夠將骨料表面均勻包裹。混凝土成型后，表面較為平整，試件內部有均勻的連通孔隙。產生這一現象的主要原因在于，隨著聚合物的加入，水泥漿體的粘性隨之增加，水泥與聚合物形成的漿體在骨料與骨料之間形成較高粘結力的膜，能改善骨料之間接觸點的粘結力；另外，聚合物的摻入能夠起到一定的引氣和減水作用，可以提高拌合物的流動性。

表1 試驗結果Table 1 Test results

表2 試驗結果極差分析Table 2 Range analysis of the test results

注：K1、K2、K3、K4分別為各因素水平下指標總和，R為同一因素不同水平下指標的極差。

圖2 離析現象
Fig.2 Segregation

圖3 分層現象
Fig.3 Lamination of specimen

圖4 抗壓試塊的破壞形態Fig.4 Failure of pressure test block

2.3 聚合物透水混凝土的破壞形態

對于抗壓破壞，當水灰比一定時，水泥用量較少，水泥漿體體積較小，從而混凝土內部的填充率較低，孔隙較多，破壞時一般是骨料間的粘結破壞；隨著水泥用量的提高，內部的填充率提高，骨料間的連接從點接觸逐漸向面接觸過渡，破壞面從發生于骨料之間轉為貫穿骨料本身。當水泥用量一定時，水灰比的變化對破壞的形態影響較小。與普通混凝土破壞不同的是，透水混凝土試塊破壞時的破碎程度比較嚴重，如圖4所示。聚合物摻量對抗壓破壞形態沒有明顯影響。

對于抗折破壞，當水灰比一定，水泥用量較少時，斷裂面處主要為粗骨料間的粘結破壞；當水泥用量較高時，試塊的斷裂面與普通混凝土類似，斷面貫穿骨料，剝落物較少。水泥用量一定時，水灰比的變化對破壞形態影響較小。聚合物對抗折破壞形態也沒有明顯影響。破壞形態如圖5所示。

圖5 抗折試塊的破壞形態
Fig.5 Failure of anti-bending test block

2.4 抗壓強度分析

由表2可以看出，對于抗壓強度，R水灰比>R聚合物摻量>R水泥用量，即影響聚合物透水混凝土抗壓強度的主次順序為水灰比>聚合物摻量>水泥用量，即水灰比是影響抗壓強度的主要因素，聚合物摻量是次要因素，結果與文獻[12]中研究成果一致。

圖6 各因素對抗壓強度的影響Fig.6 Influence of various factors on compressive strength

圖6為各因素對抗壓強度的影響曲線，通過曲線可以看出，聚合物透水混凝土的抗壓強度隨水灰比的增大有明顯上升趨勢，這點與普通混凝土有所不同。水灰比由0.27增至0.30時，抗壓強度增長最為明顯，抗壓強度增長60%左右。但增大到一定程度后，抗壓強度開始略有下降，即透水混凝土存在最佳水灰比。主要原因是水灰比的大小影響了水泥漿體的流動性能，影響了骨料之間的粘結面積。當水灰比較大時，水泥漿體流動性略大一些，對骨料的包裹性也好一些，骨料之間粘結也會好一些；但水灰比過大，同樣不能很好的包裹骨料。從表1可以看出，水灰比0.30時，混凝土抗壓強度可達到37.6～45.2 MPa，且透水系數均大于文獻[14]規定的0.5 mm/s。因此，水灰比0.3為建議值。

水泥用量、聚合物摻量對抗壓強度有一定影響，但影響較小。這是因為水泥漿體能夠滿足包裹骨料的情況下，水灰比成為決定水泥漿體流動性及對骨料包裹程度的重要指標，從而掩蓋了水泥用量和聚合物摻量對抗壓強度的影響。

2.5 抗折強度分析

由表2可以看出，對于抗折強度，R水灰比>R聚合物摻量>R水泥用量，即影響聚合物透水混凝土抗折強度的主次順序與抗壓強度一致，為水灰比>聚合物摻量>水泥用量。

圖7為抗折強度K值與各因素水平之間的影響曲線，可以看出，聚合物透水混凝土的抗折強度隨水灰比的增大有明顯上升趨勢，這點與普通混凝土有所不同，其主要原因是對于聚合物透水混凝土，抗折破壞更多的是出現在骨料界面處，取決于水泥漿體的粘結力，水灰比較大時，對骨料的包裹作用好一些，粘結作用要強一些。水泥用量和聚合物摻量對抗折強度有一定影響，但影響較小。

圖7 各因素對抗折強度的影響
Fig.7 Influence of various factors on the flexural strength

圖8 各因素對透水系數的影響
Fig.8 Influence of various factors on permeability coefficient

2.6 透水性能分析

由表2可知，對于透水性能，R水灰比>R水泥用量>R聚合物摻量，水灰比是影響透水性能的主要因素。圖8為各因素對透水系數的影響曲線，可以看出，隨著水灰比的增加，透水系數呈下降趨勢，當水灰比由0.27增至0.30時，透水系數下降較快，下降57.8%。其原因在于水灰比決定了水泥漿體的流動性，當水灰比較大時，水泥漿體流動性好，漿體對混凝土內部孔隙的填充作用較好，因此透水系數較小。

2.7 抗凍性能分析

目前對于透水混凝土的抗凍性能，國內有部分學者進行了研究。但對于聚合物透水混凝土的研究較少。文獻[17]通過試驗發現，小粒徑骨料(4.75～9.5 mm)的透水混凝土的抗凍性能較好，所配制的C30透水混凝土的凍融循環次數可以達到125次。本次試驗分別就三種不同水灰比的抗凍性能進行了試驗，三種配合比的凍融循環次數均達到了150次，如表1所示。

2.8 抗壓強度和抗折強度的關系

由本次試驗得出的抗壓強度等級為C15～C45的聚合物透水混凝土立方體抗壓強度與抗折強度的關系式如下：

(1)

式中,fcu為立方體抗壓強度，ff為抗折強度。

目前關于透水混凝土抗壓強度與抗折強度的關系研究較少，因此本文與類似強度的普通混凝土的試驗結果進行了對比。文獻[18]通過試驗，得到C25～C60普通混凝土立方體抗壓強度與抗折強度之間的關系式為：

ff=0.42+0.11fcuR2=0.826

(2)

圖9 抗壓強度與抗折強度關系圖Fig.9 Relationship between compressive strength and flexural strength

圖9為式(1)、式(2)與試驗值的關系曲線，從中可以看出，在混凝土強度等級相同時，聚合物透水混凝土具有相對較高的抗折強度，可以表明，聚合物的摻入對于混凝土抗折性能有較為明顯的改善。

2.9 抗壓強度和透水系數的關系

根據本文的試驗結果進行曲線擬合，可得到透水系數與立方體抗壓強度的關系式為：

fcu=42.82-4.66K+0.17K2R2=0.728

(3)

式中,fcu為立方體抗壓強度(MPa)，K為透水系數(mm/s)。

文獻[19]也對此進行了研究，關系式如下所示。

fcu=34.64-3.98K+0.26K2-0.01K3R2=0.891

(4)

抗壓強度與透水系數的關系如圖10所示。由圖可知，本文與文獻[19]的研究均表明，隨著強度的增加，透水系數呈下降趨勢，在同等透水系數下，聚合物透水混凝土的強度值比普通透水混凝土的強度值高20%～80%。因此，可知聚合物的摻入在保證滲透性能的同時，對于混凝土強度也有較大的改善。

圖10 抗壓強度與透水系數的關系
Fig.10 Relationship between compressive strength and permeability coefficient

圖11 實測孔隙率和透水系數關系圖
Fig.11 Relationship between porosity and permeability coefficient

2.10 透水系數和實測孔隙率的關系

根據本文中透水系數和實測孔隙率的試驗結果進行曲線回歸，可得到透水系數與孔隙率的關系式為：

K=0.43e-4.47R2=0.803

(5)

式中,K為透水系數，e為實測孔隙率。

通過對實測孔隙率和透水系數的擬合回歸曲線，如圖11所示，可以得到實測孔隙率與透水系數是正相關的關系，即孔隙率增大，透水系數隨之增大。由此可知通過實測孔隙率判斷混凝土透水性能是可行的。

3 結 論

(1)通過試驗及結果分析可知，影響聚合物透水混凝土抗壓、抗折強度的主次順序為水灰比>聚合物摻量>水泥用量，影響聚合物透水混凝土透水系數的主次順序為水灰比>水泥用量>聚合物摻量。水灰比是影響聚合物透水混凝土性能的重要因素。與普通混凝土不同的是，隨水灰比的增加，無論抗壓還是抗折強度均有上升趨勢。對于聚合物透水混凝土，存在一個最優的水灰比，建議值為0.3。

(2)抗壓強度和透水系數兩者呈負相關，隨著抗壓強度增大，透水系數數值總體呈下降趨勢。孔隙率與透水系數為正相關的關系，即孔隙率增大，透水系數隨之增大。

(3)通過試驗及回歸分析，給出了聚合物透水混凝土立方體抗壓強度與抗折強度、立方體抗壓強度與透水系數，孔隙率與透水系數之間的回歸公式，并與國內其他學者提出的相關公式進行了分析比較。

(4)通過本文的研究，所制備的聚合物透水混凝土試件的最大抗壓強度可達45.2 MPa，其凍融循環次數達到150次，透水系數滿足透水水泥混凝土路面應用技術規程要求。