超細輔助膠凝材料對透水混凝土性能的影響

何松松,焦楚杰,李 松

(廣州大學土木工程學院,廣州 510006)

城鎮(zhèn)化使城市中不透水面積大量增加,破壞了原有地質形貌和水文特征,導致出現(xiàn)城市內澇、熱島效應、地下水位下降等“城市病”[1-2]。美國、日本、澳大利亞針對該問題提出建設“低影響開發(fā)城市”“綠色基礎設施建設”“水敏感城市”的解決方案[3-5]。中國在2013年提出建設“海綿城市”的概念。透水混凝土作為主要的“海綿體”之一,具有透水、隔熱、吸聲、過濾等功能,受到了科研人員和工程師的廣泛關注[6]。透水混凝土是一種特殊的混凝土,由膠結料、骨料、水和外加劑組成。少量的黏結基體和間斷的骨料級配分布提供了高孔隙率,連通的孔隙結構允許水通過材料滲透,透水混凝土孔隙率通常在10%～35%,但孔隙的存在使其強度相比普通混凝土較低,抗壓強度一般小于20 MPa,孔隙率和強度兩者之間出現(xiàn)此消彼長的關系,這限制了透水混凝土的使用范圍[7]。

近年來,研究人員對提高透水混凝土強度進行了一些嘗試。認為骨料粒徑、水灰比、膠骨比、水泥摻量是影響力學性能和透水性能的主要因素,隨著骨料粒徑和水灰比的減小,透水混凝土強度增大[8-9]。Grube?a等[10]認為從提高水力角度看,透水混凝土制備的最佳集料類型是輝綠巖型,因為它具有鋒利的顆粒邊緣,使水能夠順利通過孔隙系統(tǒng),較粗的骨料粒徑將導致透水混凝土具有更好的透水性能。Bonicelli等[11]認為添加細砂有助于提高透水混凝土抗拉強度,但因增加了集料周圍的水泥膏體覆蓋厚度降低了透水率。Meng等[12]通過埋設土工格柵的方法提高了透水混凝土抗壓強度和彎拉強度,但降低了孔隙率。Zaetang等[13]研究了再生混凝土塊骨料(RBA)和再生混凝土骨料(RCA)兩種再生骨料組成透水混凝土的性能,結果表明雖然再生骨料強度不如天然骨料,但由于再生骨料表面孔隙率和粗糙度增加,再生骨料與水泥漿體之間結合更好,從而提高了強度和耐磨性。Elango等[14]用粉煤灰基地聚合物(GP)、粉煤灰石灰石膏(FaL-G)作為黏結劑制備透水混凝土,發(fā)現(xiàn)GP混合料中的堿性溶液形成致密的微觀結構,增加了透水混凝土的密度和強度。趙劍鋒等[15]對聚丙烯纖維(PPF)、聚乙烯醇纖維(PVAF)和玻璃纖維(GF)改性透水混凝土性能進行了研究,發(fā)現(xiàn)纖維可以提高彎拉強度,但降低了抗壓強度和透水性。

以往的研究主要集中在透水混凝土的強度提升和透水功能特性上。透水混凝土強度受基質接觸面積、接觸點數量、強度等影響[16-17],黏結基質膜厚度一般在0.52～1.5 mm,其提高水泥漿體的質量是提高透水混凝土強度的關鍵。在普通混凝土中降低水灰比,增加水泥用量,可以獲得較好的力學性能。然而,在透水混凝土中增加水泥用量會降低甚至完全阻止其透水的能力。Bhutta等[18]認為在混凝土中加入高量程減水劑和增稠劑,可以提高混凝土的強度和和易性。輔助膠凝材料可以在占很小的比例的條件下改善混凝土的性能,特別是對提高強度有顯著影響,這在普通混凝土研究中已被證實[19],但在透水混凝土中加入超細輔助膠凝材料的研究還很少。透水混凝土的強度和透水性是兩個重要的設計因素,孔隙率也會影響透水混凝土的透水性能,孔隙率與強度、透水性能有顯著的相關性,而對于透水混凝土三者之間的定量關系研究還很有限。

選用硅粉、礦粉、粉煤灰和乳膠粉4種超細輔助膠凝材料(ultrafine supplementary cementitious materials,USCMs),制備17種含有不同USCMs種類和不同摻量的透水混凝土,并進行水力參數測試,揭示USCMs對透水混凝土力學性能和透水性能的影響規(guī)律。探討透水混凝土的孔隙率、透水率與強度之間的定量關系。以期更合理地理解透水混凝土的配合比設計,在不影響透水混凝土透水性的前提下,使透水混凝土的力學性能最大化,擴大透水混凝土應用范圍。

1 試驗方案及方法

1.1 試驗材料

研究制備透水混凝土混合物由水泥、骨料、水、減水劑和超細輔助膠凝材料組成。使用廣州產P·O42.5型普通硅酸鹽水泥,其物理性能如表1所示。骨料選用廣東產爪米石,表觀密度為2 700 kg/m3,在混合之前所有的骨料都要清洗以去除黏土和雜質,干燥并過篩以獲得單一尺寸。細骨料容易破壞孔隙結構連通性,本研究未添加。4種超細輔助膠凝材料如圖1所示,分別為挪威產硅粉、上海產乳膠粉、廣東產礦粉和粉煤灰,其物理性能及化學成分如表2、表3所示。攪拌水為實驗室自來水,塑化劑為南京產聚羧酸鹽基高效減水劑,減水率為30%。

圖1 超細輔助膠凝材料外觀Fig.1 Appearance of ultrafine supplementary cementitious materials

表1 硅酸鹽水泥的物理性能Table 1 Physical properties of portland cement

表2 膠凝材料的化學成分Table 2 Chemical composition of cementitious materials

表3 乳膠粉的基本性能Table 3 Basic properties of latex powder

1.2 配合比與制備方法

共制備17種不同配合比透水混凝土進行試驗,如表4所示。配合比設計考慮了4種超細輔助膠凝材料,分別是硅粉(GP)、礦粉(KF)、乳膠粉(RP)、粉煤灰(FA)；超細輔助膠凝材料按照5%、7%、9%、11%4個水平等質量的替代硅酸鹽水泥摻入透水混凝土中。根據Kevern等[20]建議,水膠比保持為0.30。骨料粒徑為4.75～9 mm。為調節(jié)新拌透水混凝土的和易性,添加相對膠凝材料質量1%的高效減水劑。為便于對比參考,每一個混凝土配合比分配一個PC-X-Y代碼,其中PC表示透水混凝土,X表示USCMs的種類,Y表示USCMs的摻量,如表4第1列所示。

表4 透水混凝土配合比Table 4 Mix proportion of pervious concrete

為保證混合料的均勻性,防止USCMs聚合成團,先將水泥與超細輔助膠凝材料攪拌均勻,再與骨料混合攪拌60 s,再加入減水劑和水繼續(xù)攪拌90 s后結束。透水混凝土試件從邊緣到中心分3層澆筑,每層用棍棒均勻插搗25次,澆筑完成后用塑料布覆蓋以防止水分流失,試件24 h后脫模置于標準養(yǎng)護室中繼續(xù)保持到試驗齡期,養(yǎng)護條件符合國家標準《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081—2016)要求。

制備3種尺寸透水混凝土試件。每種配合比系列制備6個150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件用于測定透水混凝土7、28 d抗壓強度；每種配合比系列制備6個150 mm×150 mm×550 mm的梁試件用于測定透水混凝土彎拉強度；每種配合比系列制備3個100 mm×100 mm×100 mm的試件測定透水混凝土透水率和有效孔隙率。

1.3 試驗方法

力學性能測試按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2016)中試驗方法進行,采用伺服控制的Instron試驗機,加載速度為0.5 MPa/s,分別測試了養(yǎng)護7 d和28 d時透水混凝土的抗壓強度fc和彎拉強度ff,試驗中取3個試件的平均強度值作為試驗結果。

孔隙率采用ASTM C1754規(guī)定的硬化透水混凝土孔隙率測試法,試驗在試件養(yǎng)護28 d時進行。孔隙率是通過測試試件排開水的體積來確定的,首先將試件在110 ℃下烘干,然后在水中浸泡24 h,通過測量浸泡前后的質量差,可以確定試件被水排斥的質量Wsub,從干燥質量Wair中減去Wsub得到孔隙的質量。孔隙率P按式(1)計算,試驗結果取3個試件的平均值。

(1)

式(1)中:P為透水混凝土的孔隙率,%；Wsub為試件在水中的質量,g；Wair為試件干燥質量,g；ρwater為水的密度,g/cm3；Vt為試件體積,cm3。

透水率采用《透水水泥混凝土路面技術規(guī)程》(CJJ/T 135—2009)中恒定水頭試驗法,試驗在試件養(yǎng)護28 d時進行。使用恒定水頭式滲透儀,為防止水通過試件與管道壁縫隙流出,試驗前在混凝土立方體四周用橡皮泥填滿縫隙。通過關閉排水閥,在試件管道注水直到初始水頭,打開排水閥后,記錄從起始水頭到最終水頭的流量時間Δt和通過試樣底部的流量Q。透水率KT按式(2)計算,試驗結果取3個試件的平均值。

(2)

式(2)中:KT為透水混凝土的透水率,mm/s；Q為t時間內透水量,mm3；D為試件厚度,mm；A為試件向上面的表面積,mm2；H為水位差,mm；Δt為流量時間。

2 試驗結果分析

2.1 USCMs對抗壓強度的影響

USCMs對透水混凝土抗壓強度的影響如圖2所示,與基準透水混凝土(PC-J)相比,添加USCMs可提高透水混凝土的抗壓強度。透水混凝土抗壓強度隨著礦粉、乳膠粉和粉煤灰摻量的增加,呈現(xiàn)出逐漸提高的趨勢,隨著硅粉摻量的增加,呈現(xiàn)出先提高后下降的變化趨勢。透水混凝土28 d抗壓強度對照基準組,PC-G-09增加了56.2%,PC-K-09增加了20.4%,PC-R-09增加了35.4%,PC-F-09增加了27.4%,分析原因是礦粉、粉煤灰、硅粉可與水泥發(fā)生“二次水化效應”消耗了膠結基質中的Ca(OH)2生成C-S-H凝膠提高了基質強度,礦粉還具有“微集料效應”與水泥形成級配實現(xiàn)了增強作用。硅粉的細度是水泥的80～90倍,超細顆粒填充了黏結基質的微孔隙結構。乳膠粉在水泥表面形成“彈性模結構”增強了與骨料之間的黏結力。當硅粉摻量為9%時,透水混凝土28 d抗壓強度超過35 MPa,乳膠粉摻量為9%、粉煤灰摻量為11%時,28 d抗壓強度超過30 MPa。摻配USCMs的透水混凝土28 d比7 d抗壓強度PC-G-09增長了8%,PC-K-09增長了10%,PC-R-09增長了20%,PC-F-09增長了27%,與普通混凝土7 d強度約為28 d的60%～70%不同,透水混凝土7 d抗壓強度約為28 d的80%～90%,這是因為膠凝材料用量少,黏結基質膜較薄導致后期強度無明顯提高。

圖2 USCMs對透水混凝土抗壓強度的影響Fig.2 Effect of USCMs on compressive strength of pervious concrete

2.2 USCMs對彎拉強度的影響

USCMs對透水混凝土彎拉強度的影響如圖3所示,與基準透水混凝土(PC-J)相比添加USCMs可提高透水混凝土的彎拉強度。透水混凝土7、28 d彎拉強度有相同的變化趨勢,隨著礦粉、乳膠粉、粉煤灰摻量的增加,呈現(xiàn)逐漸提高的變化趨勢；隨著硅粉摻量的增加,呈現(xiàn)先提高后下降的變化趨勢。透水混凝土28 d彎拉強度對照基準組,PC-G-09增加了51.3%,PC-K-11增加了29.9%,PC-R-11增加了44.9%,PC-F-11增加了30.3%。當硅粉摻量為9%時,透水混凝土28 d彎拉強度超過4 MPa。從圖3可以看出,USCMs在相同摻配水平下,PC-G的彎拉強度明顯高于其他系列,在相同摻量下4種USCMs對透水混凝土彎拉強度增強效果依次為PC-G>PC-R>PC-K>PC-F。同齡期和同摻量時,礦粉與粉煤灰對透水混凝土彎拉強度提升效果優(yōu)于抗壓強度,原因是礦粉與粉煤灰礦物摻合料水化產物增強了基質與骨料之間的界面過渡區(qū)黏結力和透水混凝土基體微觀結構,使混凝土脆性降低,抗彎損傷性能優(yōu)異。

圖3 USCMs對透水混凝土彎拉強度的影響Fig.3 Effect of USCMs on flexural strength of pervious concrete

2.3 USCMs對透水性能的影響

透水混凝土主要特征之一是連通的孔隙結構。USCMs對透水混凝土孔隙率的影響如圖4所示,與基準透水混凝土孔隙率相比,添加4種USCMs降低了孔隙率,隨著摻量的增加呈現(xiàn)顯著下降趨勢。當USCMs摻量增加到9%時,與基準透水混凝土(PC-J)24%孔隙率相比,PC-G-09降低了44.5%,PC-K-09降低了21.2%,PC-R-09降低了36.2%,PC-F-09降低了29.2%。USCMs對透水混凝土透水率的影響如圖5所示,隨著USCMs摻量的增加透水率呈現(xiàn)下降趨勢,這與Amini等[21]研究結果變化趨勢一致,當USCMs摻量增加到9%時,與基準透水混凝土(PC-J)4.17 mm/s透水率相比,PC-G-09降低了50.3%,PC-K-09降低了27.8%,PC-R-09降低了38.6%,PC-F-09降低了36.4%。結果表明:添加任何一種USCMs都可能導致孔隙率降低,透水混凝土中USCMs摻量從0增加到9%時,孔隙率和透水率大大降低,但仍能滿足《透水水泥混凝土路面技術規(guī)范》(CJJ/T 135—2009)中最小孔隙率10%,最小透水率0.5 mm/s要求,透水混凝土中摻入USCMs可實現(xiàn)在保證孔隙率和透水率滿足規(guī)范要求的同時,顯著提高了力學性能。

圖4 USCMs對透水混凝土孔隙率影響Fig.4 Effect of USCMs on porosity of pervious concrete

圖5 USCMs對透水混凝土透水率影響Fig.5 Effect of USCMs on permeability of pervious concrete

2.4 力學性能與透水性能的關系

孔隙率是重要和最容易獲得的孔隙結構特征參數之一,建立透水性能、力學性能與孔隙率的關系,有利于通過測試孔隙率評價透水混凝土的宏觀性能。透水混凝土孔隙率與透水率、抗壓強度的關系如圖6所示,孔隙率與抗壓強度負相關,抗壓強度隨孔隙率的增大而減小,這是因為孔隙率的增加,減少了膠結基質的接觸面積,導致強度降低[16]。透水混凝土孔隙率與透水率正相關,透水率隨著孔隙率的增加而增加。透水混凝土配合比設計的挑戰(zhàn)是在可接受的透水率和抗壓強度之間實現(xiàn)平衡,試驗結果表明:透水混凝土最佳孔隙率為18%～19%,在此范圍內抗壓強度在27～29 MPa,透水率在2.5～3.0 mm/s。由圖6可見,孔隙率與抗壓強度呈指數減小,擬合了抗壓強度與孔隙率的非線性關系方程如式(3)所示,兩者之間呈現(xiàn)高度相關(R2=0.92)?？紫堵逝c透水率呈指數增加,擬合了透水率與孔隙率的非線性關系方程如式(4)所示,兩者之間呈現(xiàn)高度相關(R2=0.95)。透水混凝土孔隙率與彎拉強度的關系如圖7所示,孔隙率與彎拉強度兩者之間呈現(xiàn)指數負相關關系(R2=0.91),彎拉強度隨孔隙率的增大而減小,擬合了孔隙率與彎拉強度的非線性關系方程如式(5)所示。

圖6 透水混凝土孔隙率與抗壓強度和透水率的關系Fig.6 Relationship between porosity,compressive strength and permeability of pervious concrete

圖7 透水混凝土孔隙率與彎拉強度的關系Fig.7 Relationship between porosity and flexural strength of pervious concrete

fc=53.834e-0.035P

(3)

KT=1.078 1e0.053 6P

(4)

ff=5.870 7e-0.031P

(5)

式中:fc為透水混凝土28 d抗壓強度,MPa；ff為透水混凝土28 d彎拉強度,MPa；P為透水混凝土孔隙率,%；KT為透水混凝土透水率,mm/s。

2.5 抗壓強度與彎拉強度的關系

彎拉強度是路面結構設計的重要指標,混凝土彎拉強度預測模型的研究取得了一定進展,但很少有模型是專門針對透水混凝土提出的。透水混凝土抗壓強度與彎拉強度的關系如圖8所示,兩者顯著正相關,以非線性指數模型擬合了抗壓強度與彎拉強度的關系方程如式(6)所示,該模型適用于預測抗壓強度為35 MPa以下透水混凝土的彎拉強度,該方程具有良好的擬合優(yōu)度(R2=0.95)。為了驗證基于抗壓強度預測彎拉強度方程的準確性,對本研究中每種透水混凝土彎拉強度進行了預測,并與實測數據進行了比較,同時為了驗證方程的普適性也對文獻中其他作者的數據進行了預測[22-24]。實測彎拉強度與預測彎拉強度之間的關系如圖9所示,預測值與實測結果吻合度良好,所有結果的標準差在5%范圍內,證明所提出的預測方程可以作為預測透水混凝土彎拉強度的可靠方法。因此,建立了透水混凝土抗壓強度與彎拉強度的非線性預測模型[式(7)]。

圖8 透水混凝土抗壓強度和彎拉強度關系Fig.8 Relationship between compressive strength and flexural strength of pervious concrete

圖9 透水混凝土抗壓強度測試值與預測值關系Fig.9 Relationship between measured and predicted compressive strength of pervious concrete

ff=0.188 1fc0.860 5

(6)

ff=AfcB

(7)

式中:A、B為擬合系數，可根據試驗數據擬合獲得。

3 結論

對4種USCMs在4個摻量下的透水混凝土物理、透水和力學性能開展了試驗研究,根據試驗結果,可以得出以下結論。

(1)透水混凝土摻USCMs可提高其抗壓強度和彎拉強度,隨著摻量的增加強度逐漸增加,當硅粉摻量為7%、乳膠粉摻量為9%、粉煤灰摻量為11%時,透水混凝土28 d抗壓強度與彎拉強度超過30、3.2 MPa。4種USCMs對透水混凝土強度提高效果依次為硅粉>乳膠粉>礦粉>粉煤灰。

(2)隨著透水混凝土養(yǎng)護齡期的增加,抗壓強度后期增加緩慢,7 d抗壓強度約為28 d抗壓強度的80%～90%。

(3)添加USCMs材料降低了透水混凝土孔隙率和透水率,隨著摻量的增加透水率逐漸下降,當摻量在11%時仍能滿足規(guī)范最低透水率0.5 mm/s要求。透水混凝土透水率隨孔隙率的增加而提高,并遵循指數正相關。透水混凝土抗壓強度和彎拉強度隨孔隙率的增加而減小,并遵循指數負相關?？紫堵士刂圃?8%～19%范圍內可實現(xiàn)透水混凝土透水率和抗壓強度之的最佳平衡。

(4)分別建立了基于孔隙率的透水混凝土孔隙率與透水率、抗壓強度、彎拉強度之間的非線性關系方程,可作為一種無損檢測方法評估透水混凝土的宏觀性能。

(5)建立了透水混凝土抗壓強度與彎拉強度的非線性關系方程,可作為一種預測透水混凝土彎拉強度的可靠簡便方法。