透水混凝土力學性能及透水性能影響因素分析

陳德紹,賴世錦

(柳州鐵道職業技術學院,廣西 柳州 545616)

0 引言

近年來,透水混凝土因其優良的透水、透氣及吸附性等特點,逐漸在我國海綿城市透水鋪裝工程中得到廣泛應用[1-2]。然而,透水混凝土雖具備高透水性,但自身強度較低,導致其難以得到大規模應用[3]。因此,深入研究透水混凝土性能,解決其強度不足問題,對于拓寬透水混凝土的應用范圍具有重要意義[4]。

國內外學者針對透水混凝土強度及透水性能展開了大量研究,如楊利香等[5]發現采用單粒級再生骨料配制透水混凝土,其抗壓強度隨骨料粒徑增大呈先增大后減小的趨勢,采用級配再生骨料配制透水混凝土,其抗壓強度隨級配再生骨料空隙率減小呈增大趨勢。陳守開等[6]采用灰色理論結合熵權法對纖維改性再生骨料透水混凝土進行了綜合評價,發現聚丙烯纖維摻量為0.3%時,綜合評價指標最高,再生骨料透水混凝土的整體性能最佳。豐瑛[7]從透水混凝土制備技術工藝的角度展開論述,探討不同成型方法對透水混凝土相關性能的影響,討論了不同成型方法的優勢及用途,并提出意見和建議。李慧敏等[8]研究了骨料粒徑與礦物摻合料對透水混凝土強度和透水性的影響規律,提出了透水混凝土配合比優化方法,為透水混凝土的應用和海綿城市的發展打下基礎。目前,學者關于透水混凝土性能的研究成果已比較完善,但關于力學性能與透水性能相結合的研究還有待進一步深入。基于此,本文通過室內對比試驗,研究了不同配合比設計參數對透水混凝土強度及透水性能的影響規律,并給出了各配合比參數的合理取值范圍。

1 原材料

試驗水泥選用P·O42.5R普通硅酸鹽水泥,其各項技術指標如表1所示。粗骨料選用破碎性石灰巖碎石,經洗凈、曬干及篩分機篩分處理后,得到粒徑為5～10 mm和10～16 mm的骨料,其技術指標如表2所示。礦物摻和料選用Ⅱ級粉煤灰,其密度為2.16 g/cm3,細度為28.7%,燒失量為5.8%,含水率為0.6%,塑性指數為3.2。減水劑選用聚羧酸高效減水劑,淺黃色液體,相對密度為1.02 g/cm3,氯離子含量<0.2%,含固量為24%,減水率>25%。拌和水采用生活自來水。

表1 水泥技術性能表

表2 石灰巖碎石技術性能表

2 試驗方案及配合比設計

2.1 試驗方案

力學性能測試:參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2016)規范要求,采用電液伺服萬能試驗機測試試件28 d抗壓強度,加載采用位移控制,加載速度控制為0.01 mm/s,試件抗壓強度取3次測試結果平均值。

透水性能測試:透水混凝土試件的滲透系數采用水頭法測試,測試前采用自黏性錫紙密封試件四周,放入透水裝置后采用防水膠泥密封試件與裝置接觸部位,保證試件四周不透水,試件上表面恒定水頭高度保持150 mm,記錄試件下表面60 s內出水量,最終滲透系數取3次測試結果平均值。透水混凝土滲透系數按式(1)計算。

(1)

式中:K——滲透系數(mm/s);

Q——t秒時間出水量(mm3);

L——試件高度(mm);

A——試件過水斷面面積(mm2);

H——恒定水頭高度(mm);

t——測試時間(s)。

2.2 配合比設計

為研究不同影響因素對透水混凝土性能的影響,設計水膠比分別為0.22、0.24、0.26、0.28及0.30,孔隙率分別為10%、15%、20%、25%及30%,減水劑摻量分別為1.2%、1.4%、1.6%、1.8%及2.0%,成型方式分別為插搗法、振動法、錘擊法及靜壓成型多組透水混凝土試件,并針對透水混凝土28 d抗壓強度及滲透系數變化規律進行對比分析。其中不同水膠比混凝土試件配合比設計如表3所示。

表3 透水混凝土配合比設計表

3 結果與分析

3.1 水膠比

在研究水膠比對透水混凝土性能影響時,保持試件孔隙率為20%和減水劑摻量為1.6%不變,成型方式均采用靜壓成型,針對不同水膠比試件的抗壓強度和滲透系數進行比較分析,結果如圖1所示。

圖1 抗壓強度及滲透系數隨水膠比變化曲線圖

根據圖1可知,隨著水膠比的增大,透水混凝土的抗壓強度呈先增大后減小趨勢。當水膠比增至0.24時,試件抗壓強度增幅顯著,但水膠比超過0.24后,試件抗壓強度開始不斷減小,其中水膠比由0.22增至0.26時的試件抗壓強度減幅較小,但水膠比超過0.26后,抗壓強度減幅較為明顯,說明水膠比在0.24～0.26時的透水混凝土力學性能較優。透水混凝土的滲透系數隨著水膠比的增大而不斷減小。當水膠比由0.22增至0.30時,滲透系數由4.5 mm/s降至3 mm/s,下降了近33%,說明水膠比不宜過大。綜合來看,水膠比選擇0.24可保證透水混凝土具有良好的力學性能和透水性能。

3.2 孔隙率

在研究孔隙率對透水混凝土性能影響時,試件水膠比為0.24和減水劑摻量為1.6%保持不變,成型方式均采用靜壓成型,針對不同孔隙率試件的抗壓強度和滲透系數進行比較分析,結果如圖2所示。

圖2 抗壓強度及滲透系數隨孔隙率變化曲線圖

根據圖2可知,透水混凝土的抗壓強度隨著孔隙率的增大而不斷減小,原因是隨著漿體厚度的減小,會導致骨料與漿體的連接點變弱,從而使得強度降低。當孔隙率由10%增至30%時,抗壓強度由36.2 MPa降至13.5 MPa,抗壓強度下降幅度較大,對其力學性能影響顯著。透水混凝土的滲透系數隨著孔隙率的增大而不斷增大,當孔隙率由10%增至30%時,滲透系數由2.7 mm/s增至8.4 mm/s,透水混凝土的透水性能得到顯著提升,說明孔隙率越大越好,但結合孔隙率對抗壓強度的影響來看,孔隙率不宜過大。透水混凝土選擇20%孔隙率可有效保證其力學性能和透水性能。

3.3 成型方式

在研究成型方式對透水混凝土性能的影響時,試件保持水膠比為0.24、孔隙率為20%及減水劑摻量為1.6%不變,針對不同成型方式試件的抗壓強度和滲透系數進行比較分析,結果如圖3所示。

圖3 抗壓強度及滲透系數隨不同成型方式變化曲線圖

根據圖3可知,采用不同成型方式的透水混凝土抗壓強度和滲透系數均有所不同,說明成型方式對透水混凝土的力學性能和透水性能均具有一定影響。對于抗壓強度而言,采用插搗法成型的透水混凝土抗壓強度最低,錘擊法、振動法和靜壓成型的抗壓強度分別較之提高12.2%、19.6%和36.3%,其中采用靜壓成型的透水混凝土力學性能較優。對于滲透系數而言,采用振動法成型的透水混凝土滲透系數最低,錘擊法、插搗法和靜壓成型的抗壓強度分別較之提高13.8%、47.2%和41.7%,其中采用插搗法和靜壓成型的透水混凝土透水性能較優。綜合來看,采用靜壓成型的透水混凝土力學性能和透水性能更優。

3.4 減水劑

在研究減水劑對透水混凝土性能影響時,試件保持水膠比為0.24和孔隙率為20%不變,成型方式均采用靜壓成型,針對不同減水劑摻量試件的抗壓強度和滲透系數進行比較分析,結果如圖4所示。

圖4 抗壓強度及滲透系數隨不同減水劑摻量變化曲線圖

根據圖4可知,隨著減水劑摻量的增加,透水混凝土的抗壓強度呈先增大后減小趨勢,當減水劑由1.2%增至1.6%時,抗壓強度由22.7 MPa增至27.8 MPa,增幅近22.5%,而減水劑由1.6%增至2%時,抗壓強度由27.8 MPa降至23.4 MPa,降幅近15.8%,說明減水劑摻量為1.6%的透水混凝土力學性能較優。透水混凝土的滲透系數隨著減水劑摻量的增加而不斷減小,當減水劑由1.2%增至1.6%時,滲透系數由4.7 mm/s降至4.6 mm/s,降幅較小,但減水劑摻量超過1.6%后,滲透系數降幅明顯增大,其透水性能顯著降低。綜合來看,減水劑摻量選擇1.6%可保證透水混凝土同時具有良好的力學性能和透水性能。

4 結語

(1)增大水膠比會使透水混凝土的抗壓強度先增后減,水膠比在0.24～0.26時的透水混凝土力學性能較優。水膠比越大,滲透系數越小,透水混凝土的透水性能越差。

(2)增大孔隙率會使透水混凝土的抗壓強度降低,但滲透系數會增大,當孔隙率選擇20%時,可有效保證透水混凝土同時具有良好的力學性能和透水性能。

(3)成型方式對透水混凝土的力學性能和透水性能均具有一定影響,其中采用靜壓成型的透水混凝土力學性能較優,采用插搗法和靜壓成型的透水混凝土透水性能較優。

(4)增大減水劑摻量會使透水混凝土的抗壓強度先增后減,滲透系數則不斷減小,減水劑摻量選擇1.6%可保證透水混凝土同時具有良好的力學性能和透水性能。