透水混凝土配合比優化設計試驗研究

王寶強,廖芳珍

(1.水利部珠江水利委員會技術咨詢(廣州)有限公司,廣東 廣州 510611;2.水利部珠江水利委員會珠江水利綜合技術中心,廣東 廣州 510611)

透水路面是指能夠促進雨水滲入并轉移到地下的一種新型環保、生態的道路材料[1]。透水路面具有地下臨時蓄水的結構,因此被稱為透水路面系統[2]。與傳統的不透水路面相比,這種新系統不需要安裝雨水蓄水池或滲水池,更加節約施工成本。同時,透水路面系統能夠減少沉積物和污染物,從而減少雨水中的污染物負荷,被認為是城市排水系統中的一種經濟、環保的建設方式。

由于透水路面對環境的友好性,在過去幾年中,透水路面的使用日趨增加。然而,人們仍對該材料的長期使用壽命存疑,并對這些技術的耐久性和適用性進行了大量的研究。以往的研究主要集中在透水路面的水質和污染控制方面,僅對透水路面系統和分段鋪裝中基層材料的性能進行了研究,透水路面表面材料的優化還存在一定的差距。

作為透水路面的主要組成部分,透水混凝土具有較強的多孔性,由于不含細骨料,大部分體積由粗骨料[3]填充,因此透水混凝土在結構中產生較多的空隙,與常規混凝土相比滲水率和空氣交換率較高,但結構強度降低。正如Brozovsky[4]所指出的,混凝土的強度確實是由砂漿、粗骨料和界面的性質決定的。由于透水混凝土中的水泥漿體非常薄,無法將粗骨料黏結在一起,透水混凝土容易在骨料之間的黏結界面處失效,導致抗壓強度低[5-6]。

本研究旨在提高透水混凝土的抗壓強度,同時不損失其滲透性,使其適用于更大的交通量。由于骨料的粒徑、級配和摻量都會影響多孔硅酸鹽水泥混凝土的抗壓強度和靜態彈性模量,因此首先考察各種骨料類型的影響,以建立最佳局部資源,然后進行各種外加劑的最佳配合比設計。

1 試驗概況

1.1 材料

本試驗總共分為2個階段:在第一階段,使用3種不同的粗骨料,不使用細骨料和其他外加劑,其配合比設計見表1;第二階段利用砂石和硅灰以增強透水混凝土的強度。

1.1.1水泥

每種混合料均采用普通硅酸鹽水泥P·O42.5,符合JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》[7]。

1.1.2粗骨料

以粗骨料為主要原料制備透水混凝土。根據Krezel等[8]的說法,粉碎的火成巖由于其強度較高,更適合作為混凝土的粗骨料。然而,由于自然界可利用的火成巖越來越少,本研究轉向了破碎的沉積巖和變質巖。從當地采石場獲得了3種粗骨料:石英巖、白云石和石灰石。白云石是1種沉積的碳酸鹽巖,由白云石礦物組成,還含有方解石、石英和長石等雜質。白云石形成的1組菱形晶體,表面呈彎曲的馬鞍狀。石灰石也是沉積巖。雖然有些石灰石幾乎是純方解石,但其中經常含有不同數量的黏土、淤泥和沙子。石英巖是1種致密堅硬的變質巖。從當地采石場獲得的石英巖由于含有大量的氧化鐵而呈紅色。為了探索制備透水混凝土的最佳骨料,在第一階段對這3種粗骨料進行了研究和比較。對骨料的地質和力學性能進行了測試,結果見表2。

表2 骨料的物理性質

此外,考慮到骨料粒徑越小,水泥與骨料的比表面積和結合面積越大,有利于混凝土的強度和耐久性,因此在第二階段采用細骨料。

1.1.3摻合料

已有研究結果[9]表明,礦物外加劑可以改善混凝土的力學強度和耐久性等性能,因為礦物復合材料減少了骨料與水泥基體之間的界面過渡區(ITZ)的厚度。例如,摻硅灰混凝土的ITZ厚度小于10 μm,而不摻硅灰混凝土的ITZ厚度為50 μm[10]。因此,在第二階段的測試中,對硅粉進行了試驗,以尋求符合規范要求的透水混凝土強度。

此外,本研究還加入了高效減水劑,其減水率為20%,又被稱為超塑化劑。

1.2 樣品制備

1.2.1篩分

所有來自采石場的10 mm粗骨料都經過篩分,并使用標準篩分到不同的組,然后獲得特定的級配。

1.2.2清洗

來自采石場的粗骨料通常含有大量的黏著黏土和其他雜質。在攪拌前,需要對骨料進行清洗,骨料表面涂層會干擾骨料與水泥漿體之間黏結的發展,影響透水混凝土的強度。因此,粗骨料用自來水清洗,并在烘箱中60℃烘烤12 h,以去除淤泥或破碎機灰塵。

1.2.3壓實

透水混凝土的壓實方法是影響試樣制備的主要因素之一。在已有的研究[11]中主要分為2種壓實方法,一種是使用壓實錘,另一種是使用振動臺。雖然錘擊壓實使骨料顆粒更加緊密地聚集在一起,但透水混凝土樣品的密度隨著滲透性的損失而增加。由于落錘的沖擊強度非常大,可以粉碎弱骨料并形成弱層,因此振動法似乎更適合于大多數骨料,如石灰石和白云石。但是,為了使骨料顆粒之間的黏聚力達到最大,本試驗嘗試了1種組合壓實方法,即在不僅采用標準的棒狀壓實方法的前提下,在其隨后的振動過程中加入了靜態壓實器。這種壓實工作允許大多數粗骨料在壓實下不變形,同時增加了骨料顆粒的接觸面和對齊,這被認為是增加透水混凝土強度的一個重要因素。

1.3 試驗過程

24 h后脫模,標記并稱重進行各種測試。然后按照CJ/T 544—2021《聚合物透水混凝土》[12]在(23±2)℃的石灰浴中進行固化。對于每一批,準備了2個試件進行滲透率測試,并各準備了3個試件分別在7、28 d進行了單軸壓縮測試,取其平均值。

1.3.1單軸抗壓強度和彎曲強度

根據AS1012.9—1999的要求,在實驗室進行了混凝土試件的無側限抗壓強度試驗。在加載前,在樣品的兩端放置蓋子。使用的蓋層類型取決于混凝土樣品的表面狀況。常規混凝土頂部和底部表面光滑時,通常采用橡膠頂蓋;對于透水混凝土等表面粗糙的樣品,采用硫蓋。

Ravish等[13]的研究表明,硫蓋層消除了邊骨料脫邊引起的傾斜和破壞問題。此外,通過使用硫蓋層,透水混凝土的抗壓強度會顯著提高,因為硫蓋層可以有效地抑制頂部的團聚體,見圖1、2。因此,本研究對所有樣品均采用硫蓋層。

混凝土試件抗彎強度試驗按GB/T 50080—2015《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》[14]在室內進行。樣品是在100 mm×100 mm×470 mm模具。測定了不同骨料配制的透水混凝土的斷裂模量。

1.3.2透水性

滲透率是水滲透透水混凝土的獨特能力,單位為mm/s。由于透水混凝土的滲透性通常比普通致密混凝土高得多,后者的滲透性測試方法不適用于透水混凝土的測試。

本試驗裝置使用圓柱形塑料管,通過內嵌鋼絲和可調鋼扎,使管道緊致,防止試件兩側滲水,見圖2。同時,在試件與管道底部的微小間隙處,用加工過的塑料密封,防止水從管道邊緣滲入,影響滲透系數的準確性。隨后,由式(1)計算透水混凝土的透水率。

圖2 測滲透率試驗

(1)

式中K——滲透系數,mm/s;a——圓柱形管的面積,mm2;A——試樣面積,mm2;L——試樣長度,mm;t——水從h1層通過管道到達h2層的時間,s。

1.3.3孔隙度

在28 d齡期時進行孔隙度試驗。開口孔隙率是指混凝土中可含水的孔隙體積或空隙空間的百分比。試樣首先在110℃的烘箱中干燥,然后冷卻以進行測量。在干燥條件下測量樣品的尺寸,并確定試樣的總體積,包括固體和孔隙組分。然后將試樣放入1個裝滿足夠覆蓋整個試樣的水的桶中,并標記水位。24 h后,將樣品從桶中移出,將水重新注滿至標記水平。使用水的1 g相當于1 cm3體積的概念,用天平讀取添加水的重量,該讀數的大小等于變化的體積(VC)。混凝土試樣的孔隙率由式(2)計算。

(2)

式中P——孔隙率,%;VT——試樣的總體積,mm3;“VT-VC”——孔隙空間體積,mm3。

2 試驗結果和分析

2.1 試驗結果

研究了粗骨料對透水混凝土抗壓強度和抗折強度的影響。采用石英巖、白云巖和石灰石3種骨料,并限制了骨料的粒度和級配,見表3。第7 d和28 d的抗壓和抗彎強度試驗結果見表4、5。

表3 骨料粒徑及質量合格率

表4 不同骨料不同齡期的抗壓強度

2.1.1骨料性能的影響

從表4可以看出,對于單粒徑骨料,白云巖B1在7、28 d的抗壓強度最高,石灰巖次之,石英巖強度最低。從表5還可以看出,用白云石制成的試件具有更好的抗彎強度。這表明,粗骨料的類型影響透水混凝土的強度,即使骨料的尺寸和級配相同。這可能是由于干燥強度、顆粒形狀的差異以及骨料本身的紋理。從干燥強度來看,3種類型中白云巖的抗壓強度最高。然而,干燥強度最低的石灰石并沒有產生最低的抗壓強度,這可能是2個因素造成的。首先,需要對骨料的片狀指數進行判斷,而不是單憑視覺。通過檢驗骨料的片狀指數來區分不同形狀的骨料。表2所示,石灰石比石英巖更圓角,石英巖片狀顆粒在壓實力作用下更傾向于在1個平面上定向工作,而不是強化在三維立體上的強度。因此,它是脆性的,抗壓強度較高。其次,表2所示,石英巖顆粒在混合料中吸收的水分比石灰石顆粒多,這使得石英巖顆粒周圍的水泥漿體黏性較低,從而形成與石灰石周圍一樣高的黏接強度。因此,石英巖抗壓強度最差,石灰巖最差。但與白云石相比,雖然白云石的片狀指數也高于石灰石,但這一缺點并不能抵消白云石干燥強度所帶來的優勢。此外,其吸水率也不如石英巖高。它仍然可以產生最大的抗壓強度的透水混凝土。因此,白云石被認為是制造透水混凝土的最佳骨料。

表5 不同骨料不同齡期的抗彎強度

2.1.2骨料粒度和級配的影響

首先對A1、B1、C1三種骨料均采用單一粒徑骨料作為參考,然后擴大骨料級配。從表4可以看出,石英巖混凝土和白云巖混凝土表現相似。以白云石為例,從單一粒度級配(B1)到9.50～ 4.75 mm級配(B2),孔隙混凝土抗壓強度在7 d時從15.0 MPa增加到16.0 MPa,在28 d時從15.8 MPa增加到19.0 MPa。較小粒徑骨料的摻入比例能提高透水混凝土的強度。但當摻加大粒徑骨料(對比B2、B3)時,雖然級配效果較好,但透水混凝土抗壓強度和抗折強度均有所降低。

固化28 d后進行滲透率測定。透水混凝土試件的滲透系數見表6。可以發現,除石灰石外,骨料粒徑越小,透水混凝土的滲透性越低。但3種骨料均表現出良好的滲透性,在此基礎上可選用一些填料進一步提高透水混凝土的強度。

表6 不同骨料配制的透水混凝土在28 d養護時的滲透率 單位:mm/s

2.2 配合比優化

本研究的第二階段涉及使用化學外加劑和細骨料來提高透水混凝土的強度。抗壓強度將作為主要評判標準。根據階段一的試驗結果,選擇了白云石作為粗骨料。

2.2.1摻合料

表7所示,使用了外加劑的試件(B4、B5、B6和B7)比不使用外加劑的試件(B2)具有更高的強度。硅灰對透水混凝土抗壓強度的影響與普通混凝土相同。從技術上講,當硅灰加入時,需要更多的水來潤濕混凝土混合物中硅灰顆粒的大比表面積,以保持其和易性。因此,如果將相同的水灰比應用于含硅灰和不含硅灰的透水混凝土試件,含硅灰的試件通常會產生問題。

表7 透水混凝土的性能

通過一系列的試驗,發現在含硅灰的混合物中加入少量的超塑化劑,試樣的抗壓強度得到了明顯的提高。透水混凝土坍落度的微小變化證明了這一點。由表7可知,B4(僅含10%硅灰)的抗壓強度略高于B2。然而,在添加0.8%的超塑化劑后,B6樣品在不損失滲透性的情況下其性能表現更為良好。

原因是硅灰的摻入會加劇水泥漿體的絮凝作用,從而產生更多的絮凝膠體,這些膠體是多孔的,不利于透水混凝土強度的提高。然而,由于高效減水劑通常具有高分子質量的長分子,這些長分子將自己包裹在水泥顆粒,導致水泥漿體的絮凝和硅灰的分散。此時,硅灰的細顆粒能夠均勻分布,并充填在水泥漿體的毛細孔或凝膠孔中,從而提高了透水混凝土的抗壓強度,如B5。

此外,在硅灰和高效減水劑的雙重作用下,可以利用細骨料獲得更高的強度。表6所示,B6和B7的抗壓強度均高于B5。同時,在28 d養護后,采用機制砂配制的B7性能優于采用2.36 ～ 4.75 mm細白云石顆粒配制的B6。機制砂能促進水泥水化產物的發育,在28 d養護過程中,水泥基質中的毛細孔隙減少,微觀結構致密,抗壓強度較高[15]。相比之下,粒徑較小的白云石顆粒無法橋接結晶水化水泥,形成更多的膏體,從而提高黏結強度。

因此,使用機制砂比使用細白云石顆粒更有效。見圖3,B7的強度有所提高,滲透率保持在可接受的范圍內,故采用這種組合。

圖3 水灰比與抗壓強度的曲線特征

2.2.2最佳水灰比

考慮到含水率對混凝土性能的顯著影響,通過對含水率進行適度調整,探索透水混凝土的最佳配合比設計。抗壓強度隨水灰比的變化情況見表8。水灰比為0.30 ～ 0.38,其他成分保持不變。

表8 不同水灰比的透水混凝土的抗壓強度

圖3所示,水灰比為0.34的B8混凝土在養護7、28 d后抗壓強度均最高,分別達到36.8、46.2 MPa。此外,水灰比與透水混凝土抗壓強度的關系并不是一條簡單的線性路徑。拐點在0.34 (B8)的出現將整個趨勢線分為2個不同的階段。當水灰比小于 0.34時,隨著水灰比的增加,抗壓強度略有提高;大于0.34時,抗壓強度急劇下降。水灰比為0.38的B11在7、28 d的抗壓強度最低,分別為20.3、23.3 MPa。

同時,圖4給出了不同水灰比下滲透率的變化。可以發現,透水混凝土的滲透性趨勢與抗壓強度趨勢成反比。

圖4 水灰比與滲透率的曲線特征

最小值也發生在水灰比為0.34 (B8)時,此時滲透率降至1.22 mm/s。取0.34作為閾值,一旦水量超過此閾值時,透水混凝土的滲透性直線上升,經B11后達到8.42 mm/s;而當滲透率低于該閾值時,滲透率沒有反彈。從圖4可以看出,B9的滲透性高于B8,而B10的滲透性低于B9,觀察B10可以發現,當含水率降低到0.30時,砂和硅灰顆粒很難與水泥均勻結合。振動后,新鮮混凝土混合物中的一些細小顆粒甚至分離到樣品表面,在樣品中容易形成不同的致密層。在樣品的中部可能產生了更多的孔隙,但表面已被這些顆粒封閉,對滲透系數產生了不利影響。因此,不建議水灰比小于0.30。

通過對透水混凝土抗壓強度變化的分析可知,水灰比在0.34～0.38范圍內具有較高的滲透性,但大量的水會加劇透水混凝土在養護齡期時的收縮,導致硬化混凝土中出現較大比例的孔洞,從而使透水混凝土的抗壓強度大大降低。相比之下,在0.30～0.34范圍內,水泥強度較高,但含水量過低,無法充分水化水泥。在該情況下,水泥砂漿不能包裹所有的骨料。但是,由于這些變化是在調整過程中逐漸發生的,因此可以收集到最佳水灰比。透水混凝土的滲透率一般為2.0～5.4 mm/s[16],圖3、4顯示,水灰比為0.32的B9表現最好,具有較高的抗壓強度和不錯的滲透性。

2.3 損傷分析

混凝土作為三相復合材料,在微觀尺度上包括砂漿基體、骨料和兩者之間的界面過渡區。界面過渡區雖然相對于砂漿基體和骨料的比例較小,但其特性對混凝土的力學性能影響較大,通常被認為是混凝土中最薄弱的區域。對于普通混凝土,Zaitsev[17]指出,由于水泥基體的收縮,分離裂縫首先發生在骨料與水泥漿體的界面上。而對于透水混凝土,界面區裂縫較多,說明在沒有砂石、化學摻合料等填充材料的情況下,透水混凝土中骨料與水泥的黏結強度不夠,成為決定混凝土抗壓強度的控制因素。

圖5所示,大部分破壞集中發生在水泥與骨料的界面或未摻外加劑的透水混凝土硬化水泥漿體。相比之下,硅灰和高效減水劑的應用確實為水泥包裹骨料提供了良好的黏結。從圖5b可以看出,更多的斷裂是直接穿過骨料顆粒,而不是穿過骨料外殼。與普通混凝土相比,破碎面更光滑、更平整,見圖6。這說明骨料或水泥漿體的破壞是從它們之間的界面區開始的,主導了壓縮裂縫的發展。

a)不使用外加劑

圖6 多孔透水混凝土斷口面

為了進一步揭示界面區的破壞機制,采用偏光顯微鏡對透水混凝土的微觀結構進行了研究。典型的顯微圖見圖7。黃色物質體為白云石骨料,黑色物質體為水泥漿體;空白或青色的空隙為孔隙。在使用了外加劑的圖7a中,與不添加外加劑的圖7b相比,每個黃色顆粒周圍的黑色帶更暗、更均勻、更連續。結果表明,與普通水泥漿體相比,摻加外加劑的砂漿包裹骨料顆粒的厚度和寬度增大,這意味著2個骨料顆粒之間的結合面積增大。Neville[18]研究了普通混凝土出現這種現象的機理。在不添加外加劑的情況下,界面過渡區(ITZ)通常會形成壁效應,抑制水泥顆粒接近骨料表面;但硅灰的加入會破壞壁效應,硅灰的微觀顆粒可能會接近骨料顆粒,從而降低了ITZ的孔隙率,增強了黏結力。

此外,在圖7b中可以看到,黃色顆粒周圍的一些顏色逐漸由青色變為黑色;一些青色的空間直接與黃色的表面相連。這可能是骨料與水泥之間的破壞發展無外加劑的膏體。結果表明:少量水泥漿體從骨料表面被抽離,并在骨料表面留下孔隙;少數沒有覆蓋整個骨料表面,甚至沒有直接黏在骨料表面。這就形成了透水混凝土最薄弱的區域。從圖7a可以看出,水泥漿體與骨料表面黏結緊密,黏結區整體一致;裂縫發生在黃色聚集體個體內部。這表明可能的破壞模式已經從ITZ轉移到骨料或水泥漿體內部。因此,透水混凝土的強度明顯增強。

3 結論

本文介紹了影響透水混凝土強度和滲透性因素的試驗研究,為此進行了一系列試驗,探討了最優配合比設計,可以得出以下結論。

a)通過試驗,研究并比較了3種最常見類型的骨料的影響。除了具有較高的抗壓強度外,白云石還使得透水混凝土具有較強的耐磨性,當透水混凝土預計用作道路施工的路面材料時應考慮這一特性。因此,白云石被認為是其中制作透水混凝土的最佳骨料。

b)摻加硅灰對提高透水混凝土的強度效果不明顯。由于混凝土混合物的高孔隙率,壓實后硅灰的細顆粒易于分離沉積。而在透水混凝土中,高效減水劑在輔助硅灰分散方面效果顯著。高效減水劑作為分散劑,是制備高強透水混凝土的必要條件。這些礦物和化學外加劑的使用提高了ITZ的黏結強度,從而使透水混凝土在壓縮下更加堅固。

c)采用機制砂提高了透水混凝土30%～50%的抗壓強度,建議優先采用2.36～9.50 mm的密實級配骨料。

d)含水率是影響抗壓強度的重要因素之一。水比例的控制對于生產具有良好和易性且不易堵塞孔隙的新鮮水泥漿體至關重要。添加細骨料和外加劑后,最佳水灰比為0.32,28 d抗壓強度為40 MPa,透水率大于2 mm/s。