大粒径骨料与成型工艺对透水混凝土性能影响试验

2018-01-08卢艺静黄冬辉袁佳乐周德良

四川建筑 2017年6期

关键词：透水性试块骨料

胡阳, 卢艺静, 黄冬辉, 袁佳乐, 周德良, 高峰, 田羽

(金陵科技学院建筑工程学院，江苏南京 211169)

大粒径骨料与成型工艺对透水混凝土性能影响试验

胡阳, 卢艺静, 黄冬辉, 袁佳乐, 周德良, 高峰, 田羽

(金陵科技学院建筑工程学院，江苏南京 211169)

为了获得混凝土目标强度下较高透水性能，通过在骨料粒径为5～15 mm的透水混凝土基础上，采用10～20 mm骨料进行配合比试验，观察其抗压强度和透水系数的变化。结果表明，大粒径骨料混凝土可以在达到目标强度的条件下提高透水性能。采用锤击与插捣两种入模成型工艺，锤击条件下，试件强度较低但是透水性能较好，插捣入模试件的强度较高但透水系数较小。

道路工程；透水混凝土；大粒径骨料；成型工艺；抗压强度；透水系数

目前，我国部分城市道路已经开始采用透水混凝土路面。透水混凝土路面不仅能加速城市道路积水的排出，也使得路面以下土层可以接触空气与水，减少了土质恶化等环境问题，对于保护生态，调节城市微环境起到了很好的作用[1-3]。透水混凝土的强度和透水率之间如何达到一个平衡、提高透水混凝土的应用范围是一个研究的重点。张巨松、张添华等通过实验的方法来研究影响透水混凝土强度的各项因素，分别用粗细骨料进行1∶1混合配比，测定透水混凝土的强度与透水率[4]。金瑞灵等针对轻骨料透水混凝土强度与透水性进行了研究[5]，研究加入细轻骨料来改善透水混凝土的内部结构对透水混凝土的强度和透水率的影响。程娟、郭向阳等研究了搅拌方式及成型工艺对透水混凝土性能的影响，通过设计配合比计算后，在不同的搅拌方式和成型养护条件下，透水混凝土的强度和透水率的关系[6]。目前，国内常用路面透水混凝土粗骨料粒径为5～15 mm，该粒径粗骨料可以形成15 %～25 %的空隙率。由于骨料粒径较小，形成的部分空隙易被胶凝材料堵塞，尤其是底部多被浆体覆盖，导致很多情况下透水效果不佳。本试验针对以上不足之处，以10～20 mm较大粒径粗骨料作为实验原材料，在保证28 d抗压强度达到目标强度30 MPa的情况下，提高试件孔隙率，并有效地解决了试件底部泌浆堵孔的问题。

1 试件制作

1.1 实验材料

水泥：江南-小野田水泥有限公司P.Ⅱ52.5水泥；混凝土增强剂：南京久禾润工程技术有限公司生产的生态透水混凝土增强剂；减水剂：北京德昌伟业建筑工程技术公司生产的聚羧酸系高性能粉状减水剂；细骨料：砂子为中砂；粗骨料：碎石性能指标如表1所示。

表1 粗骨料的性能指标

1.2 透水混凝土配合比

试验前经过对比分析最终确定使用体积法进行配合比的设计。体积法的基本思路类似碾压混凝土的充填包裹理论[7]。骨料在紧密堆积的条件下，被水泥等胶凝材料均匀包裹粘接在一起，凝固后形成了多孔堆聚结构，内部剩余的空隙成为混凝土内部相互连通的孔隙。确定设计配合比见表2所示。

表2 透水混凝土设计配合比

试块数量：配合比(小)：锤击(A1、A2、A3)，3块；插捣(B1、B2、B3)，3块。

配合比(大)：锤击(A4、A5、A6)，3块；插捣(B4、B5、B6)，3块。

1.3 试验机械及试件制作养护

1.3.1 混凝土拌合

混凝土采用强制式自动搅拌机进行搅拌，保证物料在搅拌机内充分混合。首先将粗细骨料投放在搅拌机中搅拌30 s，使得骨料混合均匀；再将水泥、减水剂和混凝土增强剂依次投入搅拌机中搅拌30 s，倒入设计用水量的一半，继续搅拌60 s，将剩余水倒入搅拌机中继续搅拌2 min。整个搅拌过程中不断用抹刀将粘附在搅拌机壁的水泥灰刮下，使得物料充分利用，减小试验误差。

1.3.2 试件成型与养护

试验所使用的模具是100 mm×100 mm×100 mm立方体试模。采用表2中两组配合比，每组配合比制作2组(分别采用插捣与锤击两种成型方法，每种方法制作3个试块)共计4组12块。锤击方式为混凝土分两层厚度均等入试模，每层锤击数次(不低于30下)，试块表面用水泥抹刀用力抹面压实。插捣方式也是将混凝土分两层厚度均等入试模，每层由外向内环形插捣(12～15次)，敲击试模四面每面12下，表面用水泥抹刀用力压实。试验采用统一的原材料、配合比、养护条件，以尽量减少对试验结果的影响。试块成型24 h后开始拆模，放入养护箱进行养护，养护箱温度控制在(20±2)℃，相对湿度为95 %，养护28 d[10]。

2 试验及数据分析

试件的力学性能采用三斯CHT4000系列4106型万能试验机，通过静压测得混凝土28 d抗压强度。透水性能则通过如图1所示自制简易透水仪对试件进行测试。简易透水仪高400 mm，底面内边为边长100 mm的正方形。高度方向一面为有机玻璃便于观察，另三面及底面为人造板，底面板上均布直径为25 mm的圆孔共9个。实际测量透水率时，将试块装入透水仪中，试块边缘与透水仪间的缝隙用胶泥压实密封，加水淹没试块，先透水，以保证混凝土吸水饱和并能排出内部空气，再记录其后时长的透水量，计算试块的15 s透水系数。

(a)

(b)

2.1 粗细骨料级配对于透水混凝土性能的影响。

两种配合比的原材料来源与用量均一致，唯一区别是碎石骨料粒径的差异。普通骨料粒径级配为5～15 mm，而大骨料粒径为10～20 mm。图2、图3为两种粒径骨料抗压强度和透水系数的影响。

图2 不同粒径骨料的试件抗压强度

图3 不同粒径骨料的透水系数

首先观察图2，试验目标强度为28 d达到30 MPa，粒径为5～15 mm的6个试块其抗压强度均在30 MPa之下，而粒径为10～20 mm的6个试块中有5个强度达标。由此可见，使用大粒径骨料的透水混凝土，其抗压强度可以很好的满足要求且均匀性较好，同时其强度普遍高于5～15 mm粒径骨料制成的透水混凝土。由图3中数据可以清晰地看出，粒径为10～20 mm的6个试块其透水系数远远大于粒径为5～15 mm的试块。大粒径骨料透水混凝土试块的透水系数平均达到8.0 mm/s，相较于骨料粒径为5～15 mm的混凝土，其透水性有显著的提高。

试验研究发现粗骨料与水泥砂浆之间的截面粘结力是混凝土强度中最为薄弱的环节之一。骨料粒径增大，透水混凝土的强度并没有降低，反而较5～15 mm粒径混凝土有了小部分提高。10～20 mm粒径碎石其强度高于5～15 mm粒径碎石，骨料之间的胶凝材料均匀包裹在骨料周围，较小粒径骨料四周的胶凝材料量少于大粒径骨料，所以在受到正应力时，骨料之间的截面粘结力无法较好的抵御压力，致使结构松散，骨料本身强度不能完全施展。

当粗骨料粒径较大时，单位体积混凝土的比表面积较小，内部容易形成孔隙，所以透水系数较大。实验数据也表明10～20 mm粒径骨料彼此之间更容易形成相互连通的孔隙，使得混凝土具有更优的透水性。而且配合比中添加的部分中砂，增大了水泥砂浆的粘性，使得粗骨料更为均匀的粘结在一起，留有较大孔隙改善混凝土的透水状况。

2.2 成型工艺对于透水混凝土性能的影响

试验分为插捣和锤击两种入模成型方式[9]。图4、图5表明不同成型工艺对试块力学性能和透水系数的影响。

图4 不同成型工艺的试件抗压强度

图5 不同成型工艺的试件透水系数

由图4可知，锤击组的强度明显低于插捣组，同时锤击组的试块中有5组无法达到目标强度而插捣入模的6组试块50 %可以达到要求。经试验发现锤击是将试块表面的混凝土压实，大部分胶凝材料无法均匀分布，以致内部不够密实，强度较低。插捣将捣棒贯穿混凝土试块内部，使得原本松散堆积的混凝土可以更为密实，同时外侧的敲击，使水泥砂浆均匀分布，增大骨料之间相互连接的基点，骨料本身由于包裹了胶凝材料而粗糙多棱，彼此之间交错，易形成“嵌锁结构”[8]，最终强度得以增大。其次观察图5，锤击组试块透水系数远大于插捣组，平均透水系数约为6.7 mm/s。这是由于包裹了胶凝材料的再生骨料其不规则的骨料外表，使得模具内部的物料骨架呈多孔的状态，锤击方式对于多孔骨架破坏较小，所以内部相互联系的孔隙较多，透水系数也较大。而插捣方式几乎贯穿物料内部，多次插拔的形式在使得内部物料更均匀的同时也使得胶凝材料堵塞骨料之间的孔隙，导致透水系数降低。由此可见密实的振捣可以使得强度提高约10 %，但是透水系数却降低约14 %。

2.3 抗压强度与透水性能之间的关系

观察图1与图2、图3与图4可以发现，不管骨料的粒径是5～15 mm还是10～20 mm，试件的强度与透水系数无法同时达到最优状态。强度越高的试件其透水系数越低，强度越低的试件其透水性能越好，二者之间此消彼长。

强度越高的试块，其破坏截面的骨料与胶凝材料的粘合越牢固(图6a)，而强度低的试块，其破坏截面上多出现孔洞(图6b)。内部孔洞使得试块强度较低，但是透水系数却提高很多。因此，不同的使用位置也需要考虑不同的透水混凝土配合比和成型工艺。对于耐磨要求较高的部位，透水混凝土的强度要求更高；而对于排水要求较高的地区，透水混凝土的透水性能应当更为重要。

4 结论

(1)10～20 mm的大粒径骨料透水混凝土可以在保证强度达到标准的条件下，大大提高透水系数，同时相较于5～15 mm粒径混凝土，其抗压强度普遍提高10 %，而且均匀性较好，能够满足透水混凝土的抗压强度要求。

(a)

(b)

(2) 成型工艺对于透水混凝土的最终强度及透水性能有很大影响。目标孔隙率与强度是判断透水混凝土质量的主要因素，采用锤击方式，保留部分孔隙，使得混凝土透水性能较大，但是由于不够密实而使强度有所降低；采用插捣方式，则使得混凝土强度较大而透水系数较小。实际施工中预压的方式可以在不过多破坏内部孔隙的条件下，增加混凝土的密实度。

(3)透水混凝土还需要在工程应用中针对路面表面密实度、使用耐磨性及沙尘对路面封堵造成透水性危害等开展研究，进一步提高透水混凝土的工程应用价值。

[1] 董徐奋. 透水混凝土在道路工程中的应用研究[J].四川建材,2009(6):13-16.

[2] 韩建国. 透水混凝土的性能和应用现状综述[J].混凝土世界 ,2014(10):46-50.

[3] 陈思霞. 透水混凝土路面在城市道路人行道中的应用浅析[J].四川水泥,2015(7):297.

[4] 张巨松，张添华，宋东升，等.影响透水混凝土强度的因素探讨[J].沈阳建筑大学学报：自然科学版，2006(9)：760-762.

[5] 南峰，金瑞灵，伍勇华,等.轻骨料透水混凝土的研究[J].混凝土与水泥制品，2012(3)：22-25.

[6] 程娟，郭向阳.搅拌方式及成型工艺对透水砼性能的影响[J].长江科学院院报，2009(9)：91-93.

[7] 孟刚,张凯峰,李预奇,等. C30透水路面混凝土性能试验研究[J].广东建材,2014(5):8-10.

[8] 马骉,田尔布,路学敏,等. 水泥混凝土粗集料嵌锁密实结构试验分析[J].中外公路,2008(6):217-220.

[9] 徐昌，王敏. 透水混凝土的配制方法和相关性能试验研究[J].四川水泥 ,2006(8):337.

[10] 惠弘毅，李宗利，何杰，等. 混凝土砂浆相渗透特性试验研究[J]. 混凝土与水泥制品,2016(11):25-27.

[定稿日期]2017-11-22