聚合物改性透水混凝土渗透性和强度的试验研究

刘嘉欣

(广东粤路勘察设计有限公司 河源市 510635)

0 引言

硅酸盐水泥透水混凝土(PCPC)，又称多孔混凝土或透水混凝土，是由硅酸盐水泥、均匀粗骨料、少量或无细骨料和水混合而成[1]。使用适量的水和胶凝材料创造一种糊状物质，这种糊状物质在聚集体颗粒周围会形成一层薄薄的涂层，并会在它们之间留下空间[2]。因此，该材料具有良好的透水性[3]。由于PCPC具有良好的环境效益，同时还具有降低城市热岛效应的能力，并且可以用来降低道路上的噪音[4]，因此该材料在一些国家已经得到了广泛应用。

PCPC很少应用细骨料，通过水泥浆体把骨料颗粒包裹并粘合在一起，形成一个具有高孔隙率和相互连接的系统，可以达到快速排水的效果[5]。PCPC的孔隙率一般在15%～25%之间，透水性一般在2～6mm/s左右。然而，由于PCPC具有高孔隙率，其强度相对常规混凝土较低。这不仅影响了结构的稳定性和耐久性，还限制了其在公路上的应用，通过选择合适的骨料和有机增强剂，并通过调整混凝土配合比，PCPC的强度和耐磨性可以得到极大的提高。通过加入乳胶、天然砂和纤维，研究了改良后的聚合物改性透水混凝土渗透性与强度之间的关系，以期获得一种性能更优的材料。

1 研究目标和范围

本研究的目的是研究加入乳胶、天然砂和纤维对PCPC物理性能和力学性能的影响，平衡聚合物改性透水混凝土(PMPC)的渗透性和强度，使其既具有足够的强度来承受交通荷载，又具有渗透性满足排水需求。

本研究使用三种单一尺寸的骨料(12.5mm、9.5mm和4.75mm)，应用聚合物(SBR胶乳)配制透水混凝土，并通过气孔试验、渗透试验、抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验对透水混凝土的性能进行了评价。

2 实验室试验

2.1 材料

试验选用普通Ⅰ型硅酸盐水泥。用筛子将粗骨料分为4.75mm、9.5mm和12.5mm三个级配。粗骨料的性能参数列在表1中。本研究中所用沙子的粒度分布如图1所示。

表1 粗骨料的性质

图1 沙子的粒度分布

将胶乳聚合物丁苯橡胶(SBR)掺入混合料中，以提高透水混凝土的强度。丁苯胶乳(SBR)是一种由丁二烯、苯乙烯、水等组成的高分子分散乳液，其作为溶剂和化学性能与天然橡胶相似，与天然橡胶一样可以与多种材料成功粘接，它与乙烯基吡啶胶乳具有良好的相容性。在工程应用中，可以补充或取代水泥作为粘结剂，提高混凝土的抗拉、抗折、抗压强度。本研究中使用的丁苯橡胶是使用有机锂引发剂通过阴离子溶液聚合生产的，它是一种中等苯乙烯和高乙烯基含量的物质。外观为白色稠状液体，粘度好，含水率为52.7%。

2.2 配合比设计

为了改善PMPC的整体性能，在上述混合物中选择性地添加了胶乳、纤维和沙子。配合比见表2。对照混合料的基本配合比(水泥∶粗骨料∶水=1∶4.5∶0.35(重量比))。当掺入胶乳和沙子时，用胶乳的实心部分代替10%的水泥，用天然砂代替7%的粗骨料，进而比较PMPC与常规透水混凝土的性能。

表2 PMPC的配合比(单位：kg/m3)

2.3 样品制备

通过机械搅拌机搅拌透水混凝土，使用棒材压实，制成直径152mm、高305mm的圆柱形试件。将这些样品放在湿气养护室中养护。标本制备成三份。

2.4 测试方法

(1)气隙试验

为了测定空隙率，需要衡量出压实混凝土的体积。由于透水混凝土具有高度连通的空隙率，不宜采用浸没式称重的方法来计算体积。采用一种常用的沥青混合料比重测量真空封口装置CoreLok，以获得透水混凝土试件的空隙率值。

(2)渗透性试验

渗透性是透水混凝土的一个重要参数，因为透水混凝土的设计目的就是在路面结构中起到排水层的作用。由于混凝土的高孔隙率和相互连通的空隙通道，层流达西定律不再适用于透水混凝土，故本研究采用如图2所示的渗透性试验装置进行渗透率的测量。

图2 渗透性测试样本和测试装置

在试验过程中，安装在试件顶部和底部的两个压力传感器可以准确读出水头差。自动数据采集装置可以在下降水头测试期间进行连续读数，即使在非常高的流速下也可以进行测试。将标本放入铝槽中，在电池和标本之间是一层防刮橡皮膜，它被紧紧夹在圆柱形电池的两端。测试过程中，在薄膜上施加高达103.5kPa的围压，以防止从试件一侧短路。顶部管的直径为57mm，长度为914mm。圆柱形试件的直径为152mm，高度为76mm。

本试验采用落水法，从两个压力传感器中获得的水头差-时间曲线可用式(1)计算：

h=a0+a1t+a2t2

(1)

式中，a0、a1和a2为回归系数。然后，求微分方程，如式(2)所示：

(2)

其中，a1和a2为水头时间微分方程的回归系数。水流速度可表示为：

(3)

式中，A1、A2、r1、r2为上圆柱形管道和试件的截面积和半径。

图3和图4分别给出了水压头与时间的关系、水力坡度与泄流速度的关系。可以得到渗透系数K0和形状因子m。根据计算结果，水力坡度与流量的关系式为v=7.6208x0.3538，K0为7.621mm/s。

图3 水压头与时间的关系曲线

图4 水力坡度与泄流速度的关系曲线

(3)抗压强度

在养护7d后进行了抗压强度测试。抗压强度试验在加载架上进行，试件直径152mm，高305mm。

(4)劈裂抗拉强度

对直径152mm、厚度76mm的三个圆柱形试件进行劈裂拉伸试验。连续记录其垂直荷载，并通过试验分别获得试件的劈裂抗拉强度值。

3 结果与讨论

3.1 孔隙度

图5显示了不同材料透水混凝土的孔隙率测试结果，以及胶乳的加入对孔隙率的影响。可以看出，大多数混合物的孔隙率在20%～30%之间。

图5 不同材料透水混凝土的孔隙率

从图5也可以看出，乳胶和沙子的加入导致孔隙率略有下降。然而，纤维的加入并没有明显的作用。用胶乳、沙子和纤维制成的混合料能达到预期的孔隙率和达标的渗透率。

3.2 渗透性

渗透性结果如图6所示。从图6可以看出，渗透率值都在10～20mm/s之间，满足路面结构排水层的排水需求。骨料级配对渗透性的影响不大。由三种不同粒径的骨料制成的混合料具有相似的渗透率值。

根据图6，虽然添加沙子和乳胶会导致渗透性降低，但与实际排水需求相比，渗透率的数值在可接受的范围内。

3.3 抗压强度

正如预期的那样，粗骨料尺寸越小，抗压强度越高。显然，沙子或胶乳的加入都能提高混凝土的抗压强度。胶乳的加入还可以增加相邻骨料颗粒之间的接触面积。乳胶和水泥水化产物混合在一起，形成两种相互渗透的基质，共同作用，从而提高强度。从图7(a)还可以观察到，胶乳和沙子的联合作用导致了抗压强度的进一步提高。

图7 抗压强度结果的比较

图7(b)表示纤维对抗压强度只有很小的影响。在无胶乳、无砂的对照混合料中掺入纤维，可显著提高抗压强度。然而，在砂和乳液也被掺入混合物后，添加纤维不能进一步提高强度。效果降低的原因是纤维不能在混合物中充分分散和均匀分布。

3.4 劈裂抗拉强度

与抗压强度类似，含有胶乳的混凝土具有更高的劈裂抗拉强度。从图8可以看出，用沙子制成的混合物有时甚至比对照组的劈裂抗拉强度更低。然而，胶乳对提高透水混凝土劈裂抗拉强度的作用仍然很大。这归因于胶乳和水泥水化产物在混合和相互渗透过程中形成的胶乳网络。与脆性水泥砂浆不同，胶乳网络的抗拉强度相对较强，这对透水混凝土的劈裂抗拉强度有很大贡献。

图8 抗拉强度结果的比较

从图8(b)可以看出，纤维对劈拉强度的影响与对抗压强度的影响相似。纤维的加入似乎显著提高了混合物的劈裂拉伸强度，然而，添加沙子和乳胶会降低纤维的有效性。

4 结论

通过试验研究了聚合物改性透水混凝土的渗透性和强度特性。根据试验结果，评价了胶乳、天然砂和纤维的作用效果，可以得出以下结论：采用胶乳、天然砂和纤维的组合可以生产出既满足排水要求又有足够强度的透水混凝土。乳胶和沙子均能降低透水混凝土的孔隙率和渗透率，提高透水混凝土的抗压强度。但只有胶乳的掺入才能提高透水混凝土的劈裂抗拉强度。纤维对透水混凝土的强度性能没有显著影响。这是由于纤维在透水混凝土中没有充分分散和均匀分布所致。为使纤维在混合物中分散，推荐使用短纤维，这能让纤维在混合物中均匀分布。

对聚合物改性对透水混凝土性能的影响进行了初步的室内试验研究，重点研究了透水混凝土的渗透性和强度性能。聚合物改性透水混凝土的耐久性应纳入今后的研究，以评价其耐磨性。