多孔渗水混凝土材料的制备及性能研究

黄阿岗



多孔渗水混凝土材料的制备及性能研究

黄阿岗

（陕西铁路工程职业技术学院， 陕西 渭南 714000）

针对传统路面铺装材料在路面渗透性差，导致城市路面经常出现内涝的问题，提出和制备一种多孔渗水的混凝土路面铺装材料。对此，文章以5~10 mm的单粒径级配粗集料、水泥、粉煤灰、硅灰、聚丙烯纤维等作为原材料，结合一定的配合比，利用一次搅拌法对材料进行搅拌，从而得到不同配合比和不同掺入方法下的混凝土试件。最后，以抗折强度、渗透系数等作为评价指标，对上述制备混凝土试件进行评价，验证了多孔渗水混凝土材料的性能。

多孔渗水；混凝土；渗透性；聚丙烯纤维；渗透系数

随着城市建设的不断推进，城市道路网络越来越密集。然而，在密集道路建设的同时，坚硬、致密的道路铺装也给城市的带来严重的困扰。其中，在夏天的时候，城市沥青路面反光率低，从而吸收了大量的热量，使得整个城市温度升高。另外，传统的城市路面讲求的是坚固、耐用，但是长期的不透水性，导致降水很难渗透到低下，而只能通过排水系统排出城市区域。而长距离的排水，也给雨水带来污染。由此，通过上述的问题看出，传统的路面铺装的弊端已经暴露出来。而亟需更加环保的路面铺装材料，这样才能更好的加强对城市路面雨水的渗透，并利于散发热量。对此，针对上述的问题，人们提出了采用多孔混凝土路面材料。而对于多孔混凝土路面材料，其最大的优势还是在于可以快速的补充和保护低下水位；同时还就有环节热岛效应的作用。而对于多孔混凝土的应用中，欧美国家比我国要早，并被广泛的应用在城市的体育操场、人行道、公园路面等地方。但是，在实际应用的情况下，多孔混凝土的透水性能、抗压强度等成为研究的重点。如王秉纲（1992）提出采用正交试验法制备多孔混凝土，并提出相应的配合比[1]；陈敏茹（2016）则借助砂粒和水泥等，制备一种用于渗灌的多孔混凝土[2]。上述的方法都为多孔混凝土的制备提供了有力的参考。本文则结合上述的研究基础，提出一种多孔混凝土材料制备方法，并对制备的混凝土材料进行了性能测试。

1 原材料选取与制备方法

1.1 原材料

根据试验制备的目的，本试验主要选择以下几种原材料。

1.1.1 水泥

水泥选取四川高县P.O42.5硅酸盐水泥，具体成分见表1所示。

表1 P.O42.5水泥成分

1.1.2 粗料集

作为制备水泥混凝土的一个重要材料，粗骨料的选择与多孔混凝土的性能具有很大的关系。对此，本文主要选择5~10 mm的单粒径石灰石，其具体的指标见表2所示。

表2 粗骨料技术指标

1.1.3 粉煤灰和硅灰

粉煤灰和硅灰通常作为混凝土制备的一个重要原材料。本试验则选用西安霖源生产的低钙I级粉煤灰和硅灰。具体化学组成如表3所示。

表3 粉煤灰和硅灰化学组成

1.1.4 聚丙烯纤维

本材料的选取选择西安融森生产的网状聚丙烯纤维，具体技术指标间表4。

表4 网状聚丙烯纤维技术指标

1.1.5 高效减水剂

外加剂采用黄河化工生产的GJ-1高效减水剂，具有高效减水、增强的功效。

1.2 制备方法

结合目前的混凝土制备方法，本文选取一次加料法对混凝土进行制备[3]。其具体的制备流程则是：首先将胶结材与集料进行搅拌，时间大概为60s，待其搅拌均匀后，加入高效减水剂和水，然后再进行搅拌，搅拌时间大概为2 min。最后，将上述搅拌后的混合料浇注到准备的模具当中。

1.3 性能评价方法

1.3.1 抗压强度

对抗压强度的评价中，参照GB T0553-05中的关于混凝土抗压强度试验方法进行[4]。制备长宽高分别为的水泥试件。同时分别取3、7、14、28 d的水泥试件，而考虑到多孔混凝土的抗压强度不高的问题，压力机的加荷速度的取值设定为0.5 MPa/s。具体的抗压强度计算公式为：

其中:——极限荷载；

——受压面积。

1.3.2 有效空隙率

有效空隙率通常看成是评价多孔混凝土的一个重要指标[5]。因此，对该有效空隙率的计算则按照以下的公式：

1.3.3 渗透系数

渗透系数是评价多孔混凝土渗透性能的一个重要指标[6]。考虑到大孔径中的水流存在明显的横流的情况，采用传统的路用透水仪测出的渗透系数通常不怎么准确。因此，引入渗透系数来对其渗透性能进行评价，并通过TST进行测试（图1）。

图1 TST-70渗水仪

2 试验配合比确定方法

在对试验材料用量进行计算的过程中，本研究则采用体积法来进行计算。而对于体积法，其主要是多孔混凝土中各个材料的用量比。其中，各个用量的多少，与粗料集的堆积密度、空隙率体积、目标空隙率体积有很大的关系。而浆体的体积计算为：

3 多孔混凝土力学性能分析

3.1 水灰比对多孔混凝土的抗压强度影响

水灰比作为影响混凝土性能的一个重要参数，其直接影响混凝土的强度和孔隙结构。而目标空隙率则决定了胶结体的整体用量。对此，本文设计25%、20%和15%三个目标空隙率，水灰比介于0.2~0.45之间。由此可以得到如表5所示的抗压强度大小比较。

通过上述的关系看出，当水灰比在0.26的时候，其抗压强度达到最大。

图2 配合实验具体流程

表5 水灰比与抗压强度的关系

图3 有效孔隙率与抗压变化关系

3.2 孔隙率对混凝土强度的影响

对多孔混凝土来讲，其孔隙率和抗压强度是一对矛盾的指标。对此，本文主要选择5个不同的目标孔隙率指标：12%、15%、18%、20%、25%。在该基础上，对28 d的试件抗压强度进行测试，从而可以得到如图3所示的结果。

图4 不同聚丙烯纤维掺量下的抗压强度

3.3 聚丙烯纤维对多孔混凝土强度的影响

为研究聚丙烯纤维对混凝土强度的影响，设定水灰比为0.26，目标孔隙率为20%，纤浆比设定为0.1%、0.2%、0.3%三个数值。由此通过上述的分析，可以得到如图4所示的结果。

通过上述的分析可以看出，随着聚丙烯纤维掺量的增加，其抗压强度也在逐步的增加，并在纤浆比为0.2%的时候，达到最大。此后，随着其掺量的增加，其抗压强度降低。导致上述的原因，是因为聚丙烯纤维量过大，导致部分聚丙烯纤维出现抱团，从而降低了整体的抗压强度。

3.4 不同矿质超细粉对多孔混凝土强度的影响

针对上述的粉煤灰和硅灰，以水灰比0.26，有效空隙率为20%作为基本实验参数，同时设计不同的粉煤灰-硅灰用量，并采用养护标准至一定龄期，从而可以得到如下的强度变化结果(表6)。

表6 粉煤灰-硅灰产量对抗压强度影响

图5 有效孔隙率与渗透系数关系

通过上述的实验结果统计看出，随着粉煤灰-硅灰整体掺量的增加，其抗压强度也逐步增加，而比在单掺条件下的抗压强度要高，并在粉煤灰掺量为6%，硅灰掺量为10%的情况下，其抗压强度最高。

4 有效孔隙率与渗透系数之间的关系

为研究不同有效孔隙率与渗透系数的关系，设定12%、15%、18%、20%、25%等不同的目标有效孔率。结合TST-70透水仪，得到如图5所示的结果。

通过上述的分析看出，随着有效孔隙率的增加，其渗透系数也逐步增加。但是，在实际的应用中，其渗透系数并不是越大越好，如在常用的城市道路中，还需要考虑车辆的重量，防止因不够抗压强度，导致混凝土损坏。

5 结论

通过上述的分析可以看出，在水灰比0.26、有效孔隙率20%、粉煤灰-硅灰（6%、10%）的产量下，实验制备的多孔混凝土试件在抗压强度等方面都比较高。同时得出有效孔隙率和渗透系数的关系呈现为正比关系，但在实际的应用中，不是有效孔隙率越大越大，而需要根据道路的使用情况来确定其渗透系数。

［1］ 李硕,王秉纲. 公路水泥混凝土路面可靠性优化设计分析[J]. 中国公路学报,1992,01:3-7+20.

［2］ 吴立人. 外掺材料对隧道路面用多孔水泥混凝土改性效果的研究[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版),2014,03:328-332.

［3］ 梁东,唐明,赵伟. 铝酸盐水泥-粉煤灰系水泥基多孔防火隔热材料研究[J]. 建筑节能,2008,04:44-48.

［4］ 田耀刚,朱琳,王帅飞,杨婷婷,贾侃,李炜光. 减振集料对高强混凝土的收缩性能影响[J]. 功能材料,2016,11:11013-11017.

［5］ 李方贤,贺大东. 陶瓷废料对轻质多孔混凝土性能与孔结构影响研究[J]. 南方建筑,2014,05:117-119.

［6］ 牛晓伟,王永维,李强,安丰韦,王文峰,韩超. 多壁碳纳米管/水性环氧树脂复合改性多孔水泥混凝土性能研究[J]. 公路,2017,01:174-179.

Study on Preparation and Properties of Porous Concrete

（Shaanxi Railway Institute, Shaanxi Weinan 714000, China）

In order to solve the problem that the traditional pavement material has poor permeability on the road surface, which results in the waterlogging of the urban road surface, a kind of porous pavement material was prepared. Taking 5~10 mm single particle size gradation of coarse aggregate, cement, fly ash, silica fume, polypropylene fiber as raw materials, with a certain proportion, these raw materials were mixed to prepare concrete specimens with different proportion by different mixing methods. Finally, the flexural strength and permeability coefficient were used as the evaluation indexes to evaluate the performance of porous concrete.

Porous seepage;Concrete; Permeability; Polypropylene fiber; Permeability coefficient

TQ 178

A

1671-0460（2017）08-1564-04

2017-05-08

黄阿岗（1978-），男，陕西咸阳人，讲师，硕士研究生，2009毕业于武汉理工大学桥梁与隧道工程专业，研究方向：从事桥梁与隧道技术教育工作。E-mail：huangagang456@126.com。