聚合物改性透水混凝土滲透性和強度的試驗研究

劉嘉欣

(廣東粵路勘察設計有限公司 河源市 510635)

0 引言

硅酸鹽水泥透水混凝土(PCPC)，又稱多孔混凝土或透水混凝土，是由硅酸鹽水泥、均勻粗骨料、少量或無細骨料和水混合而成[1]。使用適量的水和膠凝材料創(chuàng)造一種糊狀物質(zhì)，這種糊狀物質(zhì)在聚集體顆粒周圍會形成一層薄薄的涂層，并會在它們之間留下空間[2]。因此，該材料具有良好的透水性[3]。由于PCPC具有良好的環(huán)境效益，同時還具有降低城市熱島效應的能力，并且可以用來降低道路上的噪音[4]，因此該材料在一些國家已經(jīng)得到了廣泛應用。

PCPC很少應用細骨料，通過水泥漿體把骨料顆粒包裹并粘合在一起，形成一個具有高孔隙率和相互連接的系統(tǒng)，可以達到快速排水的效果[5]。PCPC的孔隙率一般在15%～25%之間，透水性一般在2～6mm/s左右。然而，由于PCPC具有高孔隙率，其強度相對常規(guī)混凝土較低。這不僅影響了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性，還限制了其在公路上的應用，通過選擇合適的骨料和有機增強劑，并通過調(diào)整混凝土配合比，PCPC的強度和耐磨性可以得到極大的提高。通過加入乳膠、天然砂和纖維，研究了改良后的聚合物改性透水混凝土滲透性與強度之間的關系，以期獲得一種性能更優(yōu)的材料。

1 研究目標和范圍

本研究的目的是研究加入乳膠、天然砂和纖維對PCPC物理性能和力學性能的影響，平衡聚合物改性透水混凝土(PMPC)的滲透性和強度，使其既具有足夠的強度來承受交通荷載，又具有滲透性滿足排水需求。

本研究使用三種單一尺寸的骨料(12.5mm、9.5mm和4.75mm)，應用聚合物(SBR膠乳)配制透水混凝土，并通過氣孔試驗、滲透試驗、抗壓強度試驗和劈裂抗拉強度試驗對透水混凝土的性能進行了評價。

2 實驗室試驗

2.1 材料

試驗選用普通Ⅰ型硅酸鹽水泥。用篩子將粗骨料分為4.75mm、9.5mm和12.5mm三個級配。粗骨料的性能參數(shù)列在表1中。本研究中所用沙子的粒度分布如圖1所示。

表1 粗骨料的性質(zhì)

圖1 沙子的粒度分布

將膠乳聚合物丁苯橡膠(SBR)摻入混合料中，以提高透水混凝土的強度。丁苯膠乳(SBR)是一種由丁二烯、苯乙烯、水等組成的高分子分散乳液，其作為溶劑和化學性能與天然橡膠相似，與天然橡膠一樣可以與多種材料成功粘接，它與乙烯基吡啶膠乳具有良好的相容性。在工程應用中，可以補充或取代水泥作為粘結(jié)劑，提高混凝土的抗拉、抗折、抗壓強度。本研究中使用的丁苯橡膠是使用有機鋰引發(fā)劑通過陰離子溶液聚合生產(chǎn)的，它是一種中等苯乙烯和高乙烯基含量的物質(zhì)。外觀為白色稠狀液體，粘度好，含水率為52.7%。

2.2 配合比設計

為了改善PMPC的整體性能，在上述混合物中選擇性地添加了膠乳、纖維和沙子。配合比見表2。對照混合料的基本配合比(水泥∶粗骨料∶水=1∶4.5∶0.35(重量比))。當摻入膠乳和沙子時，用膠乳的實心部分代替10%的水泥，用天然砂代替7%的粗骨料，進而比較PMPC與常規(guī)透水混凝土的性能。

表2 PMPC的配合比(單位：kg/m3)

2.3 樣品制備

通過機械攪拌機攪拌透水混凝土，使用棒材壓實，制成直徑152mm、高305mm的圓柱形試件。將這些樣品放在濕氣養(yǎng)護室中養(yǎng)護。標本制備成三份。

2.4 測試方法

(1)氣隙試驗

為了測定空隙率，需要衡量出壓實混凝土的體積。由于透水混凝土具有高度連通的空隙率，不宜采用浸沒式稱重的方法來計算體積。采用一種常用的瀝青混合料比重測量真空封口裝置CoreLok，以獲得透水混凝土試件的空隙率值。

(2)滲透性試驗

滲透性是透水混凝土的一個重要參數(shù)，因為透水混凝土的設計目的就是在路面結(jié)構(gòu)中起到排水層的作用。由于混凝土的高孔隙率和相互連通的空隙通道，層流達西定律不再適用于透水混凝土，故本研究采用如圖2所示的滲透性試驗裝置進行滲透率的測量。

圖2 滲透性測試樣本和測試裝置

在試驗過程中，安裝在試件頂部和底部的兩個壓力傳感器可以準確讀出水頭差。自動數(shù)據(jù)采集裝置可以在下降水頭測試期間進行連續(xù)讀數(shù)，即使在非常高的流速下也可以進行測試。將標本放入鋁槽中，在電池和標本之間是一層防刮橡皮膜，它被緊緊夾在圓柱形電池的兩端。測試過程中，在薄膜上施加高達103.5kPa的圍壓，以防止從試件一側(cè)短路。頂部管的直徑為57mm，長度為914mm。圓柱形試件的直徑為152mm，高度為76mm。

本試驗采用落水法，從兩個壓力傳感器中獲得的水頭差-時間曲線可用式(1)計算：

h=a0+a1t+a2t2

(1)

式中，a0、a1和a2為回歸系數(shù)。然后，求微分方程，如式(2)所示：

(2)

其中，a1和a2為水頭時間微分方程的回歸系數(shù)。水流速度可表示為：

(3)

式中，A1、A2、r1、r2為上圓柱形管道和試件的截面積和半徑。

圖3和圖4分別給出了水壓頭與時間的關系、水力坡度與泄流速度的關系。可以得到滲透系數(shù)K0和形狀因子m。根據(jù)計算結(jié)果，水力坡度與流量的關系式為v=7.6208x0.3538，K0為7.621mm/s。

圖3 水壓頭與時間的關系曲線

圖4 水力坡度與泄流速度的關系曲線

(3)抗壓強度

在養(yǎng)護7d后進行了抗壓強度測試。抗壓強度試驗在加載架上進行，試件直徑152mm，高305mm。

(4)劈裂抗拉強度

對直徑152mm、厚度76mm的三個圓柱形試件進行劈裂拉伸試驗。連續(xù)記錄其垂直荷載，并通過試驗分別獲得試件的劈裂抗拉強度值。

3 結(jié)果與討論

3.1 孔隙度

圖5顯示了不同材料透水混凝土的孔隙率測試結(jié)果，以及膠乳的加入對孔隙率的影響。可以看出，大多數(shù)混合物的孔隙率在20%～30%之間。

圖5 不同材料透水混凝土的孔隙率

從圖5也可以看出，乳膠和沙子的加入導致孔隙率略有下降。然而，纖維的加入并沒有明顯的作用。用膠乳、沙子和纖維制成的混合料能達到預期的孔隙率和達標的滲透率。

3.2 滲透性

滲透性結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，滲透率值都在10～20mm/s之間，滿足路面結(jié)構(gòu)排水層的排水需求。骨料級配對滲透性的影響不大。由三種不同粒徑的骨料制成的混合料具有相似的滲透率值。

根據(jù)圖6，雖然添加沙子和乳膠會導致滲透性降低，但與實際排水需求相比，滲透率的數(shù)值在可接受的范圍內(nèi)。

3.3 抗壓強度

正如預期的那樣，粗骨料尺寸越小，抗壓強度越高。顯然，沙子或膠乳的加入都能提高混凝土的抗壓強度。膠乳的加入還可以增加相鄰骨料顆粒之間的接觸面積。乳膠和水泥水化產(chǎn)物混合在一起，形成兩種相互滲透的基質(zhì)，共同作用，從而提高強度。從圖7(a)還可以觀察到，膠乳和沙子的聯(lián)合作用導致了抗壓強度的進一步提高。

圖7 抗壓強度結(jié)果的比較

圖7(b)表示纖維對抗壓強度只有很小的影響。在無膠乳、無砂的對照混合料中摻入纖維，可顯著提高抗壓強度。然而，在砂和乳液也被摻入混合物后，添加纖維不能進一步提高強度。效果降低的原因是纖維不能在混合物中充分分散和均勻分布。

3.4 劈裂抗拉強度

與抗壓強度類似，含有膠乳的混凝土具有更高的劈裂抗拉強度。從圖8可以看出，用沙子制成的混合物有時甚至比對照組的劈裂抗拉強度更低。然而，膠乳對提高透水混凝土劈裂抗拉強度的作用仍然很大。這歸因于膠乳和水泥水化產(chǎn)物在混合和相互滲透過程中形成的膠乳網(wǎng)絡。與脆性水泥砂漿不同，膠乳網(wǎng)絡的抗拉強度相對較強，這對透水混凝土的劈裂抗拉強度有很大貢獻。

圖8 抗拉強度結(jié)果的比較

從圖8(b)可以看出，纖維對劈拉強度的影響與對抗壓強度的影響相似。纖維的加入似乎顯著提高了混合物的劈裂拉伸強度，然而，添加沙子和乳膠會降低纖維的有效性。

4 結(jié)論

通過試驗研究了聚合物改性透水混凝土的滲透性和強度特性。根據(jù)試驗結(jié)果，評價了膠乳、天然砂和纖維的作用效果，可以得出以下結(jié)論：采用膠乳、天然砂和纖維的組合可以生產(chǎn)出既滿足排水要求又有足夠強度的透水混凝土。乳膠和沙子均能降低透水混凝土的孔隙率和滲透率，提高透水混凝土的抗壓強度。但只有膠乳的摻入才能提高透水混凝土的劈裂抗拉強度。纖維對透水混凝土的強度性能沒有顯著影響。這是由于纖維在透水混凝土中沒有充分分散和均勻分布所致。為使纖維在混合物中分散，推薦使用短纖維，這能讓纖維在混合物中均勻分布。

對聚合物改性對透水混凝土性能的影響進行了初步的室內(nèi)試驗研究，重點研究了透水混凝土的滲透性和強度性能。聚合物改性透水混凝土的耐久性應納入今后的研究，以評價其耐磨性。