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造一種糊狀物質，這種糊狀物質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，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，其強度相對常規混凝土較低。這不僅影響了結構的穩定性和耐久性，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

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劑通過陰離子溶液聚合生產的，它是一種中等苯乙烯和高乙烯基含量的物質。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護室中養護。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，因為透水混凝土的設計目的就是在路面結構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。自動數據采集裝置可以在下降水頭測試期間進行連續讀數，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。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。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K0和形狀因子m。根據計算結果，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果，以及膠乳的加入對孔隙率的影響。可以看出，大多數混合物的孔隙率在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，滿足路面結構排水層的排水需求。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，滲透率的數值在可接受的范圍內。

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。乳膠和水泥水化產物混合在一起，形成兩種相互滲透的基質，共同作用，從而提高強度。從圖7(a)還可以觀察到，膠乳和沙子的聯合作用導致了抗壓強度的進一步提高。

圖7 抗壓強度結果的比較

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物在混合和相互滲透過程中形成的膠乳網絡。與脆性水泥砂漿不同，膠乳網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。根據試驗結果，評價了膠乳、天然砂和纖維的作用效果，可以得出以下結論：采用膠乳、天然砂和纖維的組合可以生產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。