复杂侵蚀环境下透水混凝土耐久性能试验研究

(上海市建筑科学研究院(集团)有限公司;上海市工程结构安全重点实验室,上海 200032)

透水混凝土由水、水泥、粗骨料组成，采用单粒级骨料作为骨架，水泥浆薄层或加入少量细骨料的砂浆薄层包裹在粗骨料表面形成胶结层，骨料通过硬化胶结层胶结而成多孔堆积结构。透水混凝土属于生态型混凝土，主要用于城市既有住区道路、人行道、城市广场、体育场、户外停车场、园林景观道路等[1]。2014年10月住房和城乡建设部组织编制了《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》，其中，将透水铺装技术列为海绵城市建设的首项推广应用技术[2]。2015年4月，迁安等首批16个海绵城市建设试点名单正式公布。2015年10月《国务院办公厅关于推进海绵城市建设的指导意见》发布，要求进一步大力推进海绵城市建设。因此，透水混凝土在中国的应用前景非常广阔。

在透水混凝土组成材料、配合比设计、基本性能等方面已取得许多成果[3-8]。但在耐久性研究方面，关于抗冻性的文献较多，在抗侵蚀性研究方面可查文献较少，个别文献只是考虑了单因素侵蚀环境影响，而单因素侵蚀与实际差别较大。实际上，由大气污染导致的酸雨、地面污染物和污水中含有大量侵蚀离子，如硫酸根离子、氯离子、碳酸根离子、镁离子、钠离子等，形成了复杂多因素侵蚀环境。由于透水混凝土是多孔连通结构，这些侵蚀离子可以直驱混凝土内部，然后与骨料间薄胶结层中的水化产物发生化学反应使其丧失粘性，骨料则因胶结层失效而变得松散，最终导致混凝土失去强度。因此，透水混凝土以多孔连通、薄胶结层为表征的内部结构，使得其抗侵蚀性能成为一个薄弱环节。

国外已有不少透水混凝土路面受酸、盐侵蚀的案例，在侵蚀介质积聚的地方，大片路面变得疏松，由于有大量侵蚀性产物生成，路面几乎无法修复，只能铲除重新铺设，工程代价很大[9]。笔者曾对上海透水混凝土铺设面积较大的一些场地进行过实地考察，发现多处路面不同程度地存在粗骨料松散现象，从中取出部分胶结层，通过微观观测发现有大量钙矾石、石膏、硫酸镁等侵蚀性产物存在，应用酚酞试剂检测发现混凝土中性化也很严重，证实了多因素侵蚀环境的存在。

基于以上背景和文献调研，课题组拟在透水混凝土中掺加活性矿物掺合料或改性聚丙烯纤维来提高透水混凝土的耐久性。活性矿物掺合料选择低品质硅灰和低品质粉煤灰，可与水泥组成复合胶凝材料，有效改善胶结层的化学组成，提高抵抗侵蚀离子的能力。已有不少关于复合胶凝材料透水混凝土的研究[3,10]，但所掺入的胶凝材料一般属于质量相对较好且满足标准要求的活性矿物掺合料，低品质活性矿物掺合料的掺加，对于有效利用固废材料、节约资源、保护环境将发挥重要作用。改性聚丙烯纤维选择聚丙烯仿钢纤维(PPTF)，能够提高胶结层的抗裂能力和界面粘结性能，有效抵抗膨胀性侵蚀产物对胶结层的破坏。PPTF具有耐腐蚀、易分散、易施工、断裂强度高、握裹力强等优点。与钢纤维相比，不会生锈；与普通聚丙烯纤维相比，在透水混凝土中不会结团、易于分散均匀。

前期已完成低品质活性矿物掺合料透水混凝土和聚丙烯仿钢纤维(PPTF)透水混凝土的基本性能(试件成型后在自然状态下覆盖并洒水养护28 d后的性能)研究，详见文献[11-12]，在此基础上，继续研究其耐久性能(养护后试件在复杂多因素侵蚀环境下被侵蚀一定时间后的性能)，综合考虑基本性能和耐久性能，提出适应海绵城市建设需求的高耐久性透水混凝土的相对较优配合比。

1 试验设计

1.1 原材料

试验用胶凝材料包括42.5普通硅酸盐水泥、低品质硅灰、低品质粉煤灰；粗骨料采用粒径为5～10 mm的碎石；纤维采用锯齿形PPTF；拌合水采用自来水；减水剂采用聚羧酸高效减水剂。各种原材料的基本性能指标见文献[11-12]。

1.2 配合比设计与制备工艺

各系列透水混凝土的配合比设计见表1，制备工艺见文献[11-12]。试件成型后在自然状态下覆盖并洒水养护28 d，然后在侵蚀溶液中进行浸泡。耐久性能试验包括100 mm×100 mm×100 mm立方体试件和100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试件，前者用于抗压强度测试，后者用于抗折强度测试。

表1 配合比设计Table 1 Mix proportion design

1.3 侵蚀溶液选择

表2 侵蚀溶液选择Table 2 Attack solution

1.4 侵蚀方式

试验采用侵蚀溶液全浸泡方式进行侵蚀，浸泡试验在塑料容器中进行，浸泡过程中为保持侵蚀溶液浓度不变，用塑料薄膜对侵蚀溶液进行密封以防止挥发，并且定期更换溶液。浸泡试验现场实景见图1。

图1 浸泡试验

1.5 侵蚀时间

侵蚀溶液浸泡试验共持续300 d，抗压强度和抗折强度的测试时间如表3所示。

表3 测试时间Table 3 Testing time

注：测试时间是指从养护28 d后开始的时间。

1.6 测试内容

试验测试包括宏观测试和微观测试。宏观测试主要包括：表观现象、抗压强度、抗折强度，其中，抗压强度和抗折强度测试采用《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)中规定的方法。微观测试主要包括：用扫描电镜(SEM)观测透水混凝土受侵蚀胶结层和表面结晶体的微观结构特征、用能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)观测透水混凝土受侵蚀胶结层和表面结晶体的化学组成。

2 试验结果与分析

2.1 表观现象

试验分别观测了侵蚀时间为60、150、240、300 d时透水混凝土表观劣化情况，各配合比透水混凝土表面均出现了不同程度的水泥浆体流失现象。随着侵蚀时间增加，水泥浆体流失程度不断加重；但由于透水混凝土属多孔结构，膨胀性侵蚀产物导致的应力很容易分散，故其表面并未出现剥落现象。同一侵蚀时间下，A1表面水泥浆体流失最为严重，特别是侵蚀到300 d时，表层骨料间明显出现无水泥浆体填充现象。掺入低品质活性矿物掺合料后，所形成的复合胶凝材料有效改善了胶结层的化学组成，提高了抵抗侵蚀离子的能力，表层复合胶凝材料浆体的流失明显减轻，其中,尤以B3改善提升效果最佳。掺入锯齿形PPTF后，当纤维掺量较少时(如1 kg/m3)，纤维对透水混凝土表面的增强作用并不明显，表面水泥浆体流失仍较为严重；随着纤维掺量的增加(如3 kg/m3)，表面显露出越来越多的纤维，呈三维不定向混杂分布状态，相互之间形成了有一定拉结力的网络结构，尽管表面仍有一定程度的水泥浆体流失，但纤维所形成的网络结构在一定程度上对透水混凝土表层形成了有利的约束作用。侵蚀300 d后试件表观情况如图2所示。

当各配合比透水混凝土试件从侵蚀溶液中取出并在空气中静置一段时间后，相当于从湿状态进入干状态，表面均出现了不同程度的结晶体，呈白色片状，比较容易破碎，且结晶体在表面分布并不均匀。关于结晶体的化学组成将根据后面的微观测试进行分析。

图2 侵蚀时间为300 d时试件表观劣化情况Fig.2 Visual degradation observation at 300

2.2 强度劣化规律

1) 抗压强度 低品质活性矿物掺合料透水混凝土系列的抗压强度劣化程度对比如图3(a)所示，聚丙烯仿钢纤维(PPTF)透水混凝土系列的抗压强度劣化程度对比如图3(b)所示。由图3(a)、(b)可见，除B1外，各系列透水混凝土基本上都经历了0～60 d内抗压强度不断增长、之后抗压强度不断下降的变化规律，这主要是因为，侵蚀初期，胶凝材料的继续水化和膨胀性侵蚀产物对界面孔隙的填充作用对强度增长起到有利作用，侵蚀超过60 d以后，胶凝材料的水化作用减弱，随着膨胀性侵蚀产物的累积，逐渐在界面孔隙壁上产生拉应力，从而导致界面裂纹不断出现，宏观上则表现为强度不断降低。

图3 抗压强度劣化程度对比Fig.3 Comparison of deterioration degree of

由图3(b)可见，侵蚀到60 d时，C1、C2、C3透水混凝土抗压强度与A1的比值分别为1.7、1.6、1.4；侵蚀到150 d时,比值分别为1.6、1.5、1.3；侵蚀到240 d时,比值分别为1.5、1.8、1.6；侵蚀到300 d时,比值分别为1.9、2.0、1.4。综合判断，对于聚丙烯仿钢纤维(PPTF)透水混凝土系列，在普通水泥透水混凝土中掺入3 kg/m3锯齿形PPTF对抗压强度的增强效果较好，表明合理数量的锯齿形PPTF掺入后，纤维呈三维不定向混杂分布状态，形成了有一定拉结力的网络结构，对透水混凝土起到了一定的约束作用。但随着纤维掺量的增加(如5 kg/m3)，部分纤维不能被水泥浆体完全包裹或者根本没有被水泥浆体包裹，分散于骨料间，影响了胶结层和骨料间的粘结力，也无法形成有拉结力的网络，增强效果反而会有所下降。图4展示了侵蚀到300 d时聚丙烯仿钢纤维(PPTF)透水混凝土系列的受压破坏形态，C1、C2、C3透水混凝土均展示出坏而不散的状态，进一步表明掺入一定量的锯齿形PPTF，尽管增强效果不同，但对透水混凝土均起到一定的约束作用。

图4 聚丙烯仿钢纤维(PPTF)透水混凝土系列的受压破坏形态Fig.4 Compressive failure mode of PPTF pervious

2) 抗折强度 低品质活性矿物掺合料透水混凝土系列的抗折强度劣化程度对比见图5(a)所示，聚丙烯仿钢纤维(PPTF)透水混凝土系列的抗折强度劣化程度对比见图5(b)所示。由图5(a)、(b)可见，各系列透水混凝土基本上都经历了0～60 d内抗折强度不断增长、之后抗折强度不断下降的变化规律，抗折强度变化规律及其原因机理与抗压强度类似。

图5 抗折强度劣化程度对比Fig.5 Comparison of deterioration degree of flexural

由图5(a)可见，侵蚀到60 d时，B1、B2、B3透水混凝土抗折强度与A1的比值分别为1.4、1.7、1.5；侵蚀到150 d时,比值分别为1.3、1.6、1.3；侵蚀到240 d时,比值分别为1.4、1.5、1.5；侵蚀到300 d时,比值分别为1.4、1.3、1.5。根据强度发展变化趋势综合判断，特别是结合侵蚀到240、300 d情况，对于低品质活性矿物掺合料透水混凝土系列，复掺低品质硅灰和低品质粉煤灰对抗折强度增强效果较好。

由图5(b)可见，侵蚀到60 d时，C1、C2、C3透水混凝土抗折强度与A1的比值分别为1.8、1.4、1.5；侵蚀到150 d时,比值分别为1.7、1.4、1.3；侵蚀到240 d时,比值分别为1.6、1.5、1.4；侵蚀到300 d时,比值分别为1.6、1.4、1.3。掺入锯齿形PPTF后，纤维呈三维不定向混杂分布状态，当由膨胀性侵蚀产物导致的微裂纹不断扩展时，会碰到多条不同向的纤维，由于纤维的抗拉强度远大于基体的强度，以及纤维与基体间存在一定的粘结力，使得裂纹扩展受到限制，从而增强了弯折抗拉强度。仅从图5(b)看，掺1 kg/m3锯齿形PPTF对抗折强度的增强效果要大于掺3 kg/m3锯齿形PPTF情况，但实际上，在侵蚀时间60～240 d之间，掺1 kg/m3锯齿形PPTF的抗折强度的下降程度明显大于掺3 kg/m3锯齿形PPTF情况，侵蚀时间为240 d时，C1和C2的抗折强度已十分接近，但在侵蚀时间240 d～300 d之间，掺1 kg/m3锯齿形PPTF的抗折强度却保持不变，这与实际情况不太相符，可能存在测试异常。结合前面抗压强度发展变化趋势，这里仍选择推荐C2配合比。

2.3 微观分析

侵蚀时间为150 d时,各配合比透水混凝土胶结层的微观结构特征和化学组成如图6所示。

图6 透水混凝土胶结层SEM和EDS观测Fig.6 SEM and EDS observations of cemented layer of

由图6可见，侵蚀产物中不同程度存在钙矾石、石膏、氢氧化镁、M-S-H等，其中，以钙矾石侵蚀为主。A1胶结层中发现了大量侵蚀产物，B1和B2胶结层中也发现不少侵蚀产物，但在B3胶结层中只发现较少量的侵蚀产物存在。在B3中复掺低品质活性矿物掺合料后，胶凝材料中的CaO含量大大降低[11]，导致胶凝材料水化产物中Ca(OH)2含量大大降低。根据Na2SO4和MgSO4侵蚀机理[13-15]，Ca(OH)2含量降低将有效抵抗硫酸盐的侵蚀，因此B3胶结层侵蚀产物较少。比较C1、C2、C3胶结层微观结构特征，当纤维掺量比较大时(如5 kg/m3)，部分纤维不能被水泥浆体完全包裹或者根本没有被水泥浆体包裹，胶结层变得不密实，导致更多侵蚀离子传输到胶结层内部，生成更多的侵蚀产物。侵蚀时间为300 d时，不同配合比透水混凝土胶结层的微观结构变化规律与侵蚀时间为150 d时基本类似，只是发现各配合比透水混凝土胶结层的裂隙普遍增多，表明受侵蚀程度明显加重。总的来看，透水混凝土微观结构变化规律与其宏观力学性能变化规律基本相符。

图7展示了侵蚀时间为150 d时透水混凝土由湿状态转为干状态时在表面形成的结晶体(各组均存在，这里是随机选取的)，图8展示了表面结晶体的微观分析。

图7 透水混凝土表面结晶体Fig.7 Surface crystallization of pervious concrete

综合SEM、EDS、XRD测试结果，透水混凝土表面结晶体的主要成分为CaCO3，主要由透水混凝土的析出物Ca(OH)2在空气中碳化而成。这表明,在干状态下，由于透水混凝土的孔隙率比较大，随着孔隙溶液蒸发，孔隙溶液中的Ca(OH)2比较容易析出。透水混凝土中的这种劣化方式也应引起充分重视，这在通常的透水性铺装路面上是比较容易出现的，尤其在雨过天晴之后。侵蚀时间为300 d时，透水混凝土表面结晶体的主要成分亦为CaCO3(如图9所示)，与侵蚀时间为150 d时观测到的结晶体一样。

图8 150 d时透水混凝土表面结晶体微观分析Fig.8 Micro-analysis of surface crystallization of pervious concrete at 150 d

图9 300 d时透水混凝土表面结晶体微观分析Fig.9 Micro-analysis of surface crystallization of pervious concrete at 300

综合考虑各系列透水混凝土的基本性能(主要通过试件成型养护28 d后的抗压强度、抗折强度、孔隙率、透水系数来表征，详见文献[11-12])和耐久性能(主要通过复杂侵蚀环境下抗压强度、抗折强度随侵蚀时间的劣化规律来表征，详见本文)，并考虑低品质固废材料的有效利用和改性聚丙烯纤维掺入的经济性，推荐B3和C2两个配合比，即复掺低品质硅灰和低品质粉煤灰透水混凝土和掺3 kg/m3锯齿形PPTF透水混凝土。B3和C2两个配合比基本性能均满足城市既有住区道路、人行道、城市广场、体育场、户外停车场、园林景观道路等轻交通路面的使用要求，同时,又具有良好的耐久性能。

3 结论

1)随着侵蚀时间增加，透水混凝土表面水泥浆体流失程度不断加重，掺入适量低品质活性矿物掺合料或聚丙烯仿钢纤维后，可有效减轻水泥浆体的流失。

2)随着侵蚀时间增加，透水混凝土强度(抗压强度和抗折强度)初期有所增长，之后逐渐下降；掺入适量低品质活性矿物掺合料或聚丙烯仿钢纤维后，各侵蚀时间下透水混凝土强度较未掺加情况有明显提高。

3)根据SEM、EDS等微观测试结果，复杂侵蚀环境下透水混凝土微观结构变化规律与其宏观力学性能变化规律基本一致。

4)综合考虑透水混凝土的基本性能和耐久性能，并考虑低品质固废材料的有效利用和改性聚丙烯纤维掺入的经济性，推荐配合比B3和C2，即复掺低品质硅灰和低品质粉煤灰透水混凝土和掺3 kg/m3锯齿形PPTF透水混凝土。这两种配比的透水混凝土基本性能满足使用要求，同时具有良好的耐久性能。

5)研究了低品质活性矿物掺合料透水混凝土和聚丙烯仿钢纤维透水混凝土两个独立系列的耐久性能，同时掺加低品质活性矿物掺合料和聚丙烯仿钢纤维的透水混凝土的耐久性能值得进一步研究。

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