透水混凝土性能的影響因素研究★

邱新悅，黃冬輝，宋宇桐，陳 玥，何思怡，劉佳駿

(金陵科技學院,江蘇 南京 211169)

近年來,我國城鎮化水平發展加快,城市規模、人口不斷擴張,城市建設用地急劇增加,商業區、住宅小區、廣場和道路建設規模巨大,導致城市地表硬化程度高、不透水面積比例急劇增大、雨水下滲量減少、地表徑流增加,大大加重了市政排水系統的負荷。江蘇省計劃到2030年,全省各市80%以上建成區將達到海綿城市建設要求。透水混凝土由特定級配的粗骨料(少或無細骨料)、水泥、水,同時還可摻入外加劑和摻合料拌合而成,兼具多孔材料高透水性(透水系數1-20 mm/s)和混凝土材料相應的力學性能,成為海綿城市中重要的透水鋪裝材料。

現有研究表明,透水鋪裝結構的性能會隨著透水混凝土的材料組成的改變而產生變化。Aliabdo等[1]研究發現,隨著再生骨料粒徑的增加,其抗壓強度呈下降趨勢,而透水系數則相反。Gaedicke等[2]研究闡明透水混凝土透水性與孔隙率密切相關,透水性隨著孔隙率的增加而增加。張朝輝等[3]研究發現透水混凝土抗壓強度隨著集灰比的減小而增大,隨著水灰比的增加先增大后減小。徐婷怡等[4]研究發現外加劑能有效提升透水混凝土的抗壓強度及透水系數。Chindaprasirt等[5]研究了抗壓強度與透水系數的關系模型。

本文通過調研大量的文獻和對研究結果的綜述,對不同配合比條件下透水混凝土的性能進行統計分析和歸納回歸,闡述了水灰比、骨料級配、骨料類型和摻合料對透水混凝土的抗壓強度和透水性能的影響,以便于根據工程應用特定的參數需求,為優化透水混凝土的性能做參考。

1 水灰比對透水混凝土抗壓強度及透水性的影響

水灰比是影響透水混凝土強度和透水性能的一個重要因素,水灰比的大小直接影響膠凝材料水泥漿體的流動性和黏結強度,繼而影響水泥漿體包裹骨料的厚度、骨料骨架的形成和填充骨料間孔隙的體積,從而影響透水混凝土的強度和透水性。

1.1 水灰比對透水混凝土抗壓強度影響

通過統計多位學者[6-15]對不同水灰比的透水混凝土抗壓性能的研究結果,利用Origin軟件進行擬合并回歸分析,得出相關規律,如圖1所示。

由圖1可知,在骨料級配、骨膠比和成型養護工藝等條件相同的情況下,隨著水灰比的增大,透水混凝土的抗壓強度呈現先增大后降低的趨勢;當水灰比(質量比,下同)從0.27增加到0.31時,透水混凝土的28 d抗壓強度增加了20%。其可能的原因是,當水灰比較小時,水泥漿體的流動性較弱,漿體無法均勻包裹全部骨料,堆積過于集中,形成了局部膠結層,透水混凝土骨料間部分區域漿體較厚、部分區域缺乏膠凝材料,骨料間無法有效牢固搭接,導致透水混凝土內部骨料骨架結構強度較低;隨著水灰比提高,膠凝材料的流動性逐漸提升,包裹性增加,骨料間搭接性能較好,抗壓強度隨即跟著提高;當水灰比達到0.31左右時,透水混凝土中膠凝材料作用得到更有效發揮,抗壓強度達到最大值。究其原因,當水灰比達到0.31左右時,水泥漿體能夠充分水化,具有較好的流動性,對骨料包裹較好,透水混凝土的粗骨料表面被膠結層緊緊包裹,形成了比較理想的結構形式,故此時抗壓強度達到了峰值。當水灰比繼續增大,膠凝材料漿體流動性過大,受重力作用向下層流淌,導致骨料包裹不均勻,上層表面漿體厚度過薄,并對下部孔隙造成一定程度的堵塞,從而使透水混凝土底部堵塞,骨料間搭接結構穩定性不強,降低了透水混凝土的強度。

將上述數據進行回歸分析,試驗結果與式(1)所示表達式有較好的關聯性。

(1)

其中,fc為抗壓強度,MPa;wcr為水灰比。

1.2 水灰比對透水混凝土透水性影響

通過統計多位學者對不同水灰比的透水混凝土透水性的研究結果,水灰比對透水混凝土透水性的影響規律如圖2所示。圖2表明,在骨料級配、骨膠比和成型養護工藝等條件相同的情況下,透水性能隨著水灰比減小而減小。分析其原因為,當水灰比過小時,部分水泥顆粒不能充分水化,膠凝材料漿體流動度過小,骨料表面的膠結層分布不均勻,使透水混凝土有效孔隙率偏大,其透水性能隨之變大,透水系數較大。反之,當水灰比增大,膠凝材料漿體流動性增加,由于重力作用向下層流淌,使透水混凝土底部堵塞,上層表面漿體厚度過薄,透水系數則降低。

將試驗數據進行統計回歸,透水混凝土透水系數與水灰比呈線性相關,如式(2)所示。

k=9.68-20.68wcr

(2)

其中,k為透水混凝土的透水系數,mm/s;wcr為水灰比。

2 骨料級配對透水混凝土抗壓強度及透水性的影響

骨料是研究透水混凝土抗壓強度和透水性的另一重要因素,骨料粒徑、級配、類型等都對透水混凝土的性能產生一定程度的影響。

2.1 多級配對透水混凝土抗壓強度的影響

本文調研兩種粒徑的骨料:4.75 mm～9.5 mm和9.5 mm～16 mm,將兩種粒徑按不同比例配合(如表1所示)研究6種不同級配透水混凝土的抗壓強度和透水系數,如圖3所示。

表1 透水混凝土骨料級配表

由圖3可知,在上述6種級配中,透水混凝土骨料全部為9.5 mm～16 mm較大粒徑,即級配種類1時,透水混凝土的抗壓強度最低;當透水混凝土骨料組成為級配種類5,即20%較大粒徑骨料和80%較小粒徑骨料混合時,抗壓強度達到峰值。究其原因是,使用同種較大單一粒徑骨料,透水混凝土內部的空隙較多,骨料間缺少較小粒徑的骨料填充,結構疏散內部結構不夠穩定,并且骨料之間接觸點少,較容易產生應力集中的情況,因而抗壓強度較低。

隨著較大粒徑骨料用量的減小,較小粒徑骨料用量的增多,較小粒徑骨料能有效填充較大粒徑骨料留下的空隙,使透水混凝土內部空隙縮小,并且骨料之間的咬合度增大,骨料之間的應力能夠有效傳遞,結構堆積更加緊實,形成較為致密的骨料結構,膠凝材料的黏結力也會增大,抗壓強度也逐漸增強。

將上述數據進行回歸分析,試驗結果與式(3)所示表達式有較好的關聯性。

fc=17.65+6.41e-2(x-0.78)2

(3)

其中,fc為抗壓強度,MPa;x為4.75 mm～9.5 mm粒徑骨料質量占比,%。

2.2 骨料級配對透水混凝土透水系數的影響

通過對馬靖等學者[16]47-48,[17-20]關于不同骨料級配的透水混凝土透水性能的研究,6種骨料級配透水混凝土的透水系數如圖4所示,由圖可知僅為較大粒徑骨料時(級配種類1),透水混凝土透水系數最高,隨著粒徑較小骨料占比的增大,透水混凝土透水系數呈下降趨勢。原因在于,骨料級配種類1中使用大骨料級配,骨料粒徑大,單級配骨料形成的空隙較大較多,連通孔隙率就增大,而透水性混凝土的透水系數主要依賴于混凝土內部的連通孔隙來透水,連通孔隙率越大,透水系數就越大,透水性能也就越好。隨著較小粒徑骨料的增加,較小粒徑骨料填充大粒徑骨料留下的空隙,而其自身骨料間的空隙相對較小,故連通孔隙率透水性會相應降低。當較小粒徑骨料占比大于60%以后,再增加小粒徑骨料對透水系數的影響不明顯。

將上述數據進行回歸分析,試驗結果與式(4)所示表達式有較好的關聯性。

k=1.69+1.31e-2x2

(4)

其中,k為透水混凝土的透水系數,mm/s;x為4.75 mm～9.5 mm粒徑骨料質量占比,%。

3 再生骨料級配對透水混凝土抗壓強度及透水性的影響

3.1 再生骨料級配對透水混凝土抗壓強度的影響

不同再生骨料級配對透水混凝土抗壓性能的研究結果如圖5所示。從圖5可以看出,在水灰比、骨膠比和成型養護工藝等條件相同的情況下,再生骨料級配變化的過程中,透水混凝土的抗壓強度值呈現先增大后降低的趨勢;當再生骨料粒徑4.79 mm～9.5 mm含量(質量分數,下同)在0%～60%范圍內,隨再生骨料含量的增加,抗壓強度呈增長趨勢,在再生骨料含量為60%左右時,抗壓強度達到峰值;此后,隨著再生骨料含量持續增加,抗壓強度呈不斷減小的趨勢。結合馬靖[16]30-32的機理分析,當較小粒徑再生骨料增加時,較小粒徑骨料穿插在大粒徑骨料中,骨料間的接觸點增多,再生骨料間的摩擦力會增大,同時大小顆粒穿插其中,再生骨料堆積,密度增大,密實度增大,再生骨料強度增大,抗壓強度會增大。但當較小粒徑骨料繼續增大時,由于骨料自身抗壓強度影響,小骨料粒徑如4.75 mm～9.5 mm的自身強度小于9.5 mm～16 mm的自身強度,小粒徑骨料增大,透水混凝土在受力時薄弱點變多,骨料間的黏結力減小,抗壓強度減小。相比而言,普通骨料透水混凝土中,當較小粒徑骨料(4.79 mm～9.5 mm)含量達到80%時,抗壓強度才達到峰值,如圖5所示。

將上述數據進行回歸分析,試驗結果與式(5)所示表達式有較好的關聯性。

fc=12.83+12.01e-2(x-0.57)2

(5)

其中,fc為抗壓強度,MPa;x為4.75 mm～9.5 mm再生骨料的質量占比,%。

3.2 再生骨料級配對透水混凝土透水性能的影響

不同再生骨料級配對透水混凝土透水系數的研究結果如圖6所示。由圖6可見,隨著粒徑為4.75 mm～9.5 mm再生骨料占比的增大,透水系數呈現出先大幅減小后緩慢增大的趨勢;當4.75 mm～9.5 mm的再生骨料占比為60%和80%時,其透水性能普遍較小,可能的原因是,少量粗骨料所形成的孔隙被大量細骨料填充,導致透水混凝土的連通孔隙率大大降低,透水性能也隨之變差。

對比可知,再生骨料透水混凝土的透水系數略高于普通骨料透水混凝土,這是由于再生骨料在生產過程(建筑垃圾破碎、篩分)中會由于外力擠壓破碎造成損傷,導致骨料產生很多細小裂縫,因而內部形成較多的微小連通孔隙,所以當采用再生骨料時,透水混凝土的有效孔隙率也增加,其透水性能也會增強。此外,由于再生骨料是由廢棄物所制成,具有環保性,故可以在保證透水混凝土強度的情況下,盡量提高再生骨料的取代率,兼顧透水混凝土的透水性及環保性。

將上述數據進行回歸分析,試驗結果與式(6)所示表達式有較好的關聯性。

k=4.68-2.25e-2(x-0.68)2

(6)

其中,k為透水系數,mm/s;x為4.75 mm～9.5 mm再生骨料的質量占比,%。

4 粉煤灰對透水混凝土抗壓強度和透水性的影響

粉煤灰是影響透水混凝土的一個重要因素,適量粉煤灰的添加可以有效降低混凝土的用水量。粉煤灰的顆粒形狀呈現球形,在攪拌混凝土的過程中,粉煤灰降低了細、粗骨料顆粒相互間的摩擦力。粉煤灰的顆粒還能填充在水泥顆粒的間隙間,有效釋放出結構內的水分,隨著透水混凝土的用水量逐漸增加,粉煤灰可以增大水泥漿體流動性,從而改善混凝土的保水性和黏聚性。對于同一種品質的粉煤灰,不同的摻入量對透水混凝土的性能影響也有區別。品質越好,細度越細的粉煤灰可以有效改善透水混凝土的保水性和黏聚性。相反,品質較差,細度較粗的粉煤灰需水量則會增大,使混凝土拌合物的和易性變差。

4.1 粉煤灰對透水混凝土抗壓強度影響

通過統計多位學者[21-26]對不同粉煤灰摻量的透水混凝土抗壓性能的研究結果,分析不同粉煤灰摻量的透水混凝土抗壓強度變化規律如圖7所示。由圖7可知,隨著粉煤灰摻量的增加,當摻量低于膠凝材料質量的25%時,對透水混凝土的抗壓強度的影響不大;隨著粉煤灰摻加量繼續增大,混凝土的抗壓強度逐漸減小。而當粉煤灰摻入量逐漸增加到25%～30%范圍時,混凝土的抗壓強度呈現明顯的增大,當摻量達到約30%時,28 d抗壓強度達到峰值,說明適量的粉煤灰可以減小反應的用水量,提高強度。此后,再增大粉煤灰摻量,則透水混凝土的抗壓強度不增反減,即粉煤灰摻量存在一個合理范圍,過多的粉煤灰摻量意味著膠凝材料水泥被粉煤灰過多替代,即水泥含量減少過多,導致混凝土硬化速度變慢、強度降低。

將上述數據進行回歸分析,試驗結果與式(7)所示表達式有較好的關聯性。

fc=17.13+10.82e-2(x-0.31)2

(7)

其中,fc為抗壓強度,MPa;x為粉煤灰摻量(替代膠凝材料的質量比),%。

4.2 粉煤灰對透水混凝土透水性影響

粉煤灰摻量對透水混凝土透水系數的影響規律見圖8。由圖8可知,隨著粉煤灰摻量的增加,透水混凝土的透水系數呈現減小的規律。摻入粉煤灰,參與二次水化反應生成的水化硅酸鈣與水化鋁酸鈣晶體堵住了透水混凝土中的微小孔隙,從而使得有效孔隙率減小,導致透水混凝土的透水系數整體降低。透水混凝土的透水系數在粉煤灰摻量為35%時達到了最低值。而當粉煤灰摻量超過35%時,隨著粉煤灰摻加量繼續增大,混凝土的透水系數逐漸增大,可能的原因是混凝土的水泥含量過少,二次水化反應減緩,使水泥與粉煤灰產生的水化產物減少,結構密實度降低,導致混凝土的透水系數呈現增大趨勢。

將上述數據進行回歸分析,試驗結果與式(8)所示非線性方程有較好的關聯性。

k=0.085x2-0.76x+12.626

(8)

其中,k為透水系數,mm/s;x為粉煤灰摻量,%。

5 結論

通過廣泛的文獻調研國內外學者的研究成果,本文研究了透水混凝土的抗壓強度、透水性能與水灰比、骨料級配、摻合料之間的影響規律,以期方便快捷的服務于各類工程應用,主要結論如下:

1)隨著水灰比的升高,透水混凝土的抗壓強度呈現先升高后下降的趨勢,水灰比為0.29～0.33,均有較好的抗壓強度,其中水灰比為0.31時抗壓強度達到峰值;水灰比的持續增大,其透水系數呈現線性下降趨勢。

2)雙級配的透水混凝土,隨著4.75 mm～9.5 mm的骨料粒徑占比增大,透水混凝土的抗壓強度呈現先增大后減小的趨勢,當粒徑為4.75 mm～9.5 mm和9.5 mm～16 mm的骨料以4∶1的比例混合時,透水混凝土的抗壓強度達峰值。隨著4.75 mm～9.5 mm的骨料粒徑占比增大,其透水系數呈現非線性下降趨勢。

3)對于再生骨料透水混凝土,隨著4.75 mm～9.5 mm的再生骨料粒徑占比增大,透水混凝土的抗壓強度總體上呈現先增大后減小的趨勢,當粒徑為4.75 mm～9.5 mm和9.5 mm～16 mm的再生骨料以3∶2的比例混合時,再生骨料透水混凝土的抗壓強度達峰值。隨著4.75 mm～9.5 mm的再生骨料粒徑占比增大,其透水系數呈現先減少再增加的趨勢;粒徑4.75 mm～9.5 mm和9.5 mm～16 mm的再生骨料以3∶2和4∶1的比例混合時透水系數較低。

4)隨著粉煤灰摻量的增加,透水混凝土的抗壓強度呈現先增后減的趨勢。當粉煤灰摻入量逐漸增加到25%～30%時,透水混凝土的抗壓強度呈現明顯的增大趨勢,當粉煤灰摻量為30%時,透水混凝土的28 d抗壓強度達到最大值;而對于透水混凝土的透水系數呈現先減后增的規律,粉煤灰摻量約為35%時透水系數最低,超過該臨界值后,透水系數逐漸增大。