漿體新拌性能與透水混凝土硬化性能的相關(guān)性

姜 騫， 劉建忠， 周華新， 崔 鞏， 蔡景順(1.江蘇蘇博特新材料股份有限公司， 江蘇 南京 211103；2.高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210008)

隨著國家、地方自上而下對(duì)建設(shè)“海綿城市”的大力推進(jìn)，透水混凝土將廣泛地用于城市道路、廣場，以及小區(qū)道路、停車場建設(shè)中.國內(nèi)傳統(tǒng)透水混凝土制備施工中的現(xiàn)拌模式既不能滿足其大規(guī)模應(yīng)用的需求，也無法保障工程施工質(zhì)量，因此混凝土預(yù)拌將成為未來國內(nèi)透水混凝土的主要制備方式.

然而，透水混凝土因具有坍落度小、漿體用量少和內(nèi)部孔隙多等特點(diǎn)，導(dǎo)致混凝土極易因失水造成漿體失去膠凝性，施工時(shí)間較短；如采用預(yù)拌方式生產(chǎn)，混凝土的裝卸料與澆筑施工均要求其具有一定的流動(dòng)度[1]，而運(yùn)輸過程中不可避免的顛簸、振動(dòng)等影響，易導(dǎo)致漿體下沉、骨料離析等現(xiàn)象[2]，造成混凝土強(qiáng)度或透水性不能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo).由此可見，預(yù)拌透水混凝土的工作狀態(tài)將在很大程度上影響其可生產(chǎn)施工性和硬化服役性能.然而，國內(nèi)外關(guān)于透水混凝土的研究熱點(diǎn)仍集中于其配合比設(shè)計(jì)、硬化性能表征和提升措施等方面[3-5]，對(duì)于其工作性能——尤其是工作性能對(duì)硬化性能的影響較少涉及；另外，目前透水混凝土工作性能的定量評(píng)價(jià)尚缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)學(xué)者與技術(shù)人員仍采用目測方法[2,6-7]，通過漿體表面有無光澤和是否黏聚成團(tuán)作為其工作性能優(yōu)劣的判據(jù)，這也限制了透水混凝土新拌性能研究工作的開展.

透水混凝土屬于干硬性混凝土，其內(nèi)部骨料接近緊密堆積狀態(tài)[8]，一般難以具備流動(dòng)性，所以透水混凝土的新拌狀態(tài)主要體現(xiàn)在其漿體.因此，深入探討新拌漿體的工作狀態(tài)和流變行為及其與透水混凝土硬化性能的相關(guān)性，對(duì)促進(jìn)透水混凝土預(yù)拌生產(chǎn)、指導(dǎo)工程應(yīng)用等具有實(shí)踐意義.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料與配合比

水泥采用江南小野田P·Ⅱ 52.5硅酸鹽水泥；粗骨料采用江蘇鎮(zhèn)江5～10mm玄武巖碎石；拌和水采用自來水；高性能減水劑和黏度改性劑分別采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑(PCA)和增稠劑(VMA).

根據(jù)CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》設(shè)計(jì)并制備C20強(qiáng)度等級(jí)透水混凝土，其配合比為：水泥用量360kg/m3；碎石用量1520kg/m3；水用量100kg/m3.

1.2 試驗(yàn)方法

透水混凝土制備后，采用4.75mm圓孔篩在振動(dòng)臺(tái)上將透水混凝土中的漿體篩出，參照GB/T 8077—2012《混凝士外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》中“水泥凈漿流動(dòng)度”的相關(guān)規(guī)定測試透水混凝土中漿體的流動(dòng)度.在制備時(shí)通過改變減水劑摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的摻量等除特別說明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))獲得具有不同漿體流動(dòng)度的透水混凝土.當(dāng)研究漿體黏聚性對(duì)透水混凝土性能的影響時(shí)，先通過改變減水劑摻量來調(diào)節(jié)透水混凝土漿體流動(dòng)度水平(160，180，200，220，240mm)，然后改變?cè)龀韯搅?0%，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%)，獲得具有不同黏聚性的透水混凝土.

采用美國Brookfield公司R/SP-SST軟固體流變儀測試漿體的流變性能.具體做法為：漿體攪拌均勻(歷時(shí)255s)，然后在105s內(nèi)裝填好樣品，靜置60s后啟動(dòng)流變儀轉(zhuǎn)子，在90s內(nèi)使剪切速率從0s-1增加到100s-1，再在90s內(nèi)使剪切速率從100s-1降至0s-1，得到剪切速率-剪切應(yīng)力的上升和下行曲線.根據(jù)赫-巴(Hershel-Bulkey，H-B)流變模型擬合得到漿體的屈服應(yīng)力、塑性黏度等流變參數(shù).

借鑒ASTM C1610/C1610Ma—2006標(biāo)準(zhǔn)[9]中測定自密實(shí)混凝土離析的試驗(yàn)裝置和標(biāo)準(zhǔn)方法，開發(fā)了一種適用于評(píng)價(jià)新拌透水混凝土漿體抗分層能力的試驗(yàn)方法，測試裝置如圖1所示.測試時(shí)，將新拌透水混凝土漿體裝入該測試裝置中，搗實(shí)并抹平上表面，開啟振動(dòng)臺(tái)2min后關(guān)閉；將PVC管內(nèi)上層和下層的混凝土分別取出并稱重，結(jié)果記作mtop和mbot，按下式計(jì)算漿體分層指數(shù)Iseg：

(1)

圖1 新拌透水混凝土漿體抗分層性測試裝置Fig.1 Column segregation apparatus for fresh pervious concrete(size:mm)

透水混凝土成型與養(yǎng)護(hù)參照DB11T 775—2010《透水混凝土路面技術(shù)規(guī)程》附錄A執(zhí)行.透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度參照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)行測試.透水混凝土連通孔隙率采用排水體積法進(jìn)行測定，采用150mm×150mm×150mm立方體試件.透水混凝土透水系數(shù)參照CJJ/T 135—2009規(guī)程測試計(jì)算.采用德國YXLON公司的Y.CT Precision S系列高精度計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)測試透水混凝土鉆芯試件(尺寸φ50×100mm)內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)分布.

2 結(jié)果與討論

2.1 流動(dòng)性

2.1.1漿體流動(dòng)度對(duì)抗壓強(qiáng)度、連通空隙率的影響

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著減水劑摻量的提高，漿體的流動(dòng)度也逐漸增大，當(dāng)漿體流動(dòng)度小于160mm時(shí)，骨料表面漿體無光澤，難以黏結(jié)成型；當(dāng)漿體流動(dòng)度為160～200mm時(shí)，透水混凝土能夠黏聚成團(tuán)，且隨著流動(dòng)度的提高，漿體光澤度逐漸明顯；當(dāng)漿體流動(dòng)度大于200mm時(shí)，漿體不再緊緊包裹在骨料表面，而是向下流動(dòng)并富集在混凝土底層，易導(dǎo)致混凝土底部孔隙堵塞造成其透水效果不佳.

圖2統(tǒng)計(jì)了透水混凝土漿體流動(dòng)度(僅通過減水劑調(diào)節(jié))與硬化透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度、連通孔隙率的相關(guān)性.從圖2中可以明顯發(fā)現(xiàn)，隨著漿體流動(dòng)度的增加，透水混凝土的28d抗壓強(qiáng)度提高，連通孔隙率則降低，且漿體流動(dòng)度與透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度、連通孔隙率幾乎呈線性關(guān)系.由此可見，當(dāng)原材料與配合比確定時(shí)，透水混凝土的力學(xué)性能和透水性能在很大程度上是由其工作狀態(tài)決定的.

圖2 漿體流動(dòng)度與硬化透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度、 連通孔隙率的相關(guān)性Fig.2 Correlation between paste fluidity and 28d compressive strength, connected porosity of hardened pervious concrete

2.1.2抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)與表觀密度的關(guān)系

圖3是根據(jù)大量試驗(yàn)(漿體流動(dòng)度為(180±10) mm)統(tǒng)計(jì)出的透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)與表觀密度的關(guān)系.從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，透水混凝土透水系數(shù)與表觀密度存在近似指數(shù)函數(shù)的關(guān)系，而抗壓強(qiáng)度與表觀密度則存在近似線性函數(shù)的關(guān)系.根據(jù)透水混凝土配合比與結(jié)構(gòu)特征可知，透水混凝土可以看作骨料緊密堆積后漿體對(duì)剩余孔隙的填充[8]，因此透水混凝土硬化性能受漿體流動(dòng)度影響的直接原因是透水混凝土局部表觀密度發(fā)生變化(漿體含量差異).

圖3 透水混凝土透水系數(shù)、抗壓強(qiáng)度與表觀密度的關(guān)系Fig.3 Relationship between hydrological permeability, 28d compressive strength and apparent density of pervious concrete

2.2 黏聚性

為了滿足透水混凝土預(yù)拌生產(chǎn)和提高骨料間相互黏結(jié)等要求，透水混凝土的流動(dòng)性宜適當(dāng)提高，然而根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可知，漿體流動(dòng)性的提高易導(dǎo)致透水混凝土上下孔隙結(jié)構(gòu)不均勻，造成其力學(xué)性能和透水性能下降.為改善這一矛盾，根據(jù)國內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果[1,10-11]，通過在透水混凝土中加入增稠劑來改善漿體黏聚性，從而提高透水混凝土在外力作用下漿體包裹骨料的均勻穩(wěn)定.

2.2.1分層指數(shù)

圖4反映了增稠劑對(duì)透水混凝土漿體分層指數(shù)的影響.從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增稠劑摻量wVMA固定時(shí)，透水混凝土漿體分層指數(shù)隨著漿體流動(dòng)度的增加而提高，近似線性關(guān)系；當(dāng)漿體流動(dòng)度一定時(shí)，透水混凝土漿體分層指數(shù)隨著增稠劑摻量的提高而降低.由此可見，增稠劑的加入能夠有效改善透水混凝土因漿體流動(dòng)度過大而導(dǎo)致漿體從骨料表面剝離的現(xiàn)象，其作用在于提高漿體的黏聚性，從而使透水混凝土在漿體流動(dòng)度較大的情況下仍保持均勻穩(wěn)定.

2.2.2孔結(jié)構(gòu)分布

控制新拌透水混凝土漿體在高流動(dòng)度狀態(tài)(220mm)下，采用X射線計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)(X-CT)研究增稠劑對(duì)硬化透水混凝土孔隙率(φ)沿豎直方向變化規(guī)律的影響，結(jié)果見圖5.從圖5中可以直觀地發(fā)現(xiàn)：當(dāng)不摻加增稠劑時(shí)，透水混凝土成型后，骨料表面漿體易受振動(dòng)等外力作用而出現(xiàn)沉降，導(dǎo)致透水混凝土試件上部孔隙較多、下部孔隙較少；當(dāng)摻加增稠劑后，透水混凝土試件上下部分孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)均勻.圖6統(tǒng)計(jì)了沿透水混凝土試件豎直方向自下而上每隔1cm截取的水平二維圖像中的孔隙率.由圖6可見，不摻加增稠劑的試件孔隙率沿豎直方向自上而下呈梯度遞減的分布特征，其中增稠劑摻量為0.8%的試件孔隙率僅小幅波動(dòng).

圖4 增稠劑對(duì)透水混凝土漿體分層指數(shù)的影響Fig.4 Effect of VMA on segregation index of pervious concrete

圖5 硬化透水混凝土X-CT圖片F(xiàn)ig.5 X-CT images of hardened pervious concretes

圖6 增稠劑對(duì)硬化透水混凝土試塊水平二維斷層 孔隙率的影響(自下而上)Fig.6 Effect of VMA on porosity of 2D computed tomograph image of hardened pervious concrete(bottom-up)

2.3 流變分析

為了深入分析透水混凝土漿體工作性能與其流變行為的關(guān)系，研究了水泥-減水劑-增稠劑復(fù)合漿體流動(dòng)度與屈服應(yīng)力、塑性黏度的相關(guān)性，結(jié)果見圖7，其相應(yīng)擬合公式見表1.圖7(a)給出了漿體屈服應(yīng)力與流動(dòng)度之間的關(guān)系.由圖7(a)可見，不管是否加入增稠劑，漿體的屈服應(yīng)力與流動(dòng)度間均存在近似冪函數(shù)的關(guān)系.已有研究也表明[12-14]，屈服應(yīng)力與水泥漿體流動(dòng)度或混凝土坍落度(擴(kuò)展度)具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.圖7(b)給出了漿體塑性黏度與流動(dòng)度之間的關(guān)系.由圖7(b)和表1可見，當(dāng)增稠劑摻量一定時(shí)，漿體的塑性黏度與流動(dòng)度近似呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系；在相同流動(dòng)度下，增稠劑摻量越大，漿體的塑性黏度越高.由此可見，增稠劑能在不改變流動(dòng)度的條件下提高漿體的塑性黏度(即黏聚性)，即使?jié){體流動(dòng)度高達(dá)240mm，加入適量的增稠劑依然能夠使?jié){體具有較高的塑性黏度，提高了透水混凝土的抗分層能力.

圖7 屈服應(yīng)力、塑性黏度與漿體流動(dòng)度的相關(guān)性Fig.7 Correlation between yield stress, plastic viscosity and fluidity

表1 塑性黏度與漿體流動(dòng)度的擬合公式Table 1 Regression equations between plastic viscosity and fluidity

根據(jù)水泥基材料流變學(xué)理論，屈服應(yīng)力主要由漿體內(nèi)各顆粒之間的附著力和摩擦力產(chǎn)生，是阻止?jié){體產(chǎn)生塑性變形的最大應(yīng)力，屈服應(yīng)力越小，漿體越易發(fā)生流動(dòng)，其穩(wěn)定性越差；塑性黏度則是水泥漿體內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻礙流動(dòng)的性能，反映了漿體體系變形的速度，塑性黏度越小，相同外力作用下漿體的流速越大[15-16].單純使用減水劑時(shí)，漿體下沉以及由此導(dǎo)致的抗壓強(qiáng)度升高和連通孔隙率降低的根本原因是漿體的黏聚性隨流動(dòng)度同步減小.因此，制備透水混凝土?xí)r必須嚴(yán)格控制漿體的流動(dòng)度，然而在透水混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸和施工過程中，其工作狀態(tài)對(duì)用水量、減水劑用量的敏感性以及流動(dòng)度損失等因素將造成透水混凝土難以滿足實(shí)際工程需要.同時(shí)使用減水劑和增稠劑，可以在較低的屈服應(yīng)力下獲得較高的塑性黏度，進(jìn)而提高透水混凝土漿體流動(dòng)過程中的阻力，降低流速，使?jié){體既能夠良好地與骨料粘結(jié)，又不至于沉底、堵孔.

3 結(jié)論

(1)通過測試透水混凝土中漿體流動(dòng)度和分層指數(shù)，定量表征了透水混凝土的新拌性能——流動(dòng)性和黏聚性.

(2)當(dāng)原材料和配合比確定時(shí)，透水混凝土的力學(xué)性能和透水性能在很大程度上由其工作狀態(tài)決定；減水劑可以提高新拌透水混凝土中漿體的流動(dòng)度，但在一定漿體流動(dòng)度范圍內(nèi)，隨著漿體流動(dòng)性的提高，硬化透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度增大，透水系數(shù)降低.

(3)透水混凝土硬化性能受漿體流動(dòng)度影響的直接原因是透水混凝土在豎直方向上的表觀密度發(fā)生了變化(漿體含量差異)，根本原因在于隨著漿體流動(dòng)度的提高，其黏聚性(塑性黏度)與屈服應(yīng)力同步減小.

(4)增稠劑可以在不改變屈服應(yīng)力的條件下明顯提高漿體黏聚性(塑性黏度)，減少大流動(dòng)性透水混凝土的漿體沉底現(xiàn)象，從而在一定程度上改善透水混凝土流動(dòng)性與硬化性能之間的矛盾.

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