酸雨-冻融侵蚀下透水混凝土性能损伤

2021-09-26何晓雁赵云基

科学技术与工程 2021年25期

何晓雁，李鹏，刘芯，钱博，赵云基

(内蒙古工业大学土木工程学院，呼和浩特 010051)

透水混凝土作为一种高强透水性材料[1]，质量较轻且具有良好的透水、透气性，常被用于公园道路、人行道和露天停车场等轻荷载路面[2]。其在服役过程中不可避免会受到不利因素的影响，加快了性能劣化速度[3]，因此探究透水混凝土在恶劣环境中的性能变化规律成为一个重要的研究方向。

在中国西北高寒地带，路用透水混凝土经常遭受冻融破坏，学者们对此进行了相关研究。尹志刚等[4]对再生骨料透水混凝土进行了单一冻融试验并测试抗压强度，采用电子计算机断层扫描(computed tomography，CT)测定平均孔径，结果显示抗压强度与平均孔径呈负相关关系；刘肖凡等[5]进行了刚性聚丙烯纤维改性透水混凝土的耐久性研究，发现掺入1%的刚性聚丙烯纤维的透水混凝土抗冻性最好；Liu等[6]采用图像分析法获得了透水混凝土的孔隙结构特征和孔径分布等参数，研究证实透水混凝土的孔隙结构特征与其机械性能、耐久性能存在密切联系，孔隙间距离的增大使得抗压强度增大、抗冻耐久性提高。

由于大气污染，形成的酸会导致混凝土中性化甚至酸化，大幅缩短混凝土的服役时间，学者们对此进行了一些研究。姜健等[7]通过浸泡试验研究了酸雨侵蚀对混凝土性能的影响，发现混凝土质量、抗压强度、抗氯离子扩散能力均随试验进行呈先增后减趋势，水胶比越小，抗侵蚀能力越强。李彦坤等[8]对透水混凝土进行了酸雨侵蚀试验，试验过程中透水混凝土质量、抗压强度呈持续降低趋势，透水性能呈先降低后增大趋势。

在实际工况中，道路透水混凝土会受到冻融及酸雨的耦合作用，其侵蚀机理与单一工况存在差异，研究其在耦合环境中性能的变化规律成为趋势。现通过添加橡胶颗粒改良透水混凝土并对其进行酸雨-冻融试验以模拟实际工况，研究其耐久性劣化规律，结合内部微观结构变化对侵蚀机理进行分析。目前测试的透水混凝土宏观性能指标较多[9-11]，实际上由于其中某些指标间存在密切联系，全部测试不仅导致工作量较大，还造成对于透水混凝土综合性能评估的偏差，因此现运用灰色聚类模型对透水混凝土宏观性能指标进行分类，简化指标数量，为今后对透水混凝土的进一步深入研究提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 原材料及配合比

水泥：P.O 42.5；粗骨料：4.7～9.5 mm的单一级配碎石；橡胶颗粒：由废旧轮胎机械加工破碎筛分而成，试验选用0.425 mm橡胶粉；VAE-707乳液：pH4.5，黏度960 mPa·s；减水剂：萘系减水剂，减水率为12%～20%；水为呼和浩特地区饮用水。透水混凝土配合比如表1所示。

1.2 试验方法

1.2.1 酸雨溶液的配制

采用浓硝酸分析纯和硫酸铵试剂配制pH4.0、硫酸根浓度为0.01 mol/L的酸雨模拟液进行试验。每隔1 d用酸度计测量浸泡溶液的pH，保持酸雨模拟液的pH和硫酸根离子浓度不变，浸泡2 d更换酸雨模拟溶液。

1.2.2 试验制度

酸雨浸泡试验：将透水混凝土试件浸泡于酸雨模拟液中2 d，取出晾干1 d，作为一个酸雨循环。冻融循环试验：参照《普通混凝土长期性能及耐久性试验方法标准》(GB/T50082—2009)[12]中快冻法试验进行。

酸雨-冻融循环试验制度如表2所示。

表2 试验循环制度Table 2 Cycle program of test

1.2.3 测试方法

透水混凝土质量和动弹性模量的测定采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试件，超声波波速、抗压强度和透水系数的测定采用100 mm×100 mm×100 mm立方体试件。每次酸雨循环后，测定试件的质量、动弹性模量、超声波波速和透水系数，每两次酸雨循环后，测定试件的抗压强度。每一个酸雨-冻融循环过程也进行上述指标的测定。

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透水系数测试方法：采用固定水头法测定透水混凝土的透水系数，试验根据《透水混凝土路面技术规程》(CJJ-T 135—2009)[13]中相关规定进行。

2 试验结果与分析

2.1 质量损失规律和相对动弹性模量变化规律

透水混凝土的质量损失率及相对动弹性模量的变化规律结果如图1所示，图中横坐标刻度0表示试验初始阶段，1～9含义如表2所示。

由图1(a)可知，随着试验进行，透水混凝土质量损失率呈现增加趋势。这是因为冻融循环使透水混凝土内部产生了微小裂缝，酸雨侵蚀过程的附着层效应减弱。D2组质量损失率小于D1组，掺入适量橡胶颗粒使得透水混凝土韧性增强，减缓冻胀力对试件内部结构的破坏[14]。D3和D4组质量损失率远大于D1组，且随着掺量的提高，橡胶颗粒弱化了透水混凝土内部水泥浆体的黏结性能，使得质量损失率增加，透水混凝土抗侵蚀性能下降。

由图1(b)可知，在酸雨-冻融循环共同作用下，透水混凝土动弹性模量持续下降。尤其是每经历25次冻融循环，试件相对动弹性模量呈“断崖式”下降，原因是冻融循环过程中，透水混凝土内部原有孔洞周边的微裂缝，在温度应力和冻胀应力的共同影响下不断扩展，粗骨料与胶凝材料界面黏结强度降低，微裂缝逐渐贯通，内部结构变得疏松。橡胶颗粒的掺入会增加透水混凝土的含气量，混凝土内部含气量越大，抗冻性能越好，25次冻融循环后，D4、D3、D2、D1试验组相对动弹性模量值依次降低。但是随着酸雨-冻融循环试验的进行，掺入橡胶颗粒产生的引气效果降低，橡胶掺量越多，试样内部水泥浆体更容易受到酸介质侵蚀，经历3次酸雨-冻融循环后，试件相对动弹模量顺序呈现为D1>D2>D3>D4。

表1 透水混凝土配合比Table 1 Mix proportions of pervious concrete

图1 透水混凝土质量损失率和相对动弹性模量变化规律Fig.1 Variation of mass loss rate and relative dynamic elastic modulus of pervious concrete

2.2 超声波波速损失率和透水系数变化规律

超声波波速能够无损检测材料内部裂缝扩展、内部致密性情况，可间接反映透水混凝土在酸雨-冻融循环试验中性能劣化情况。图2(a)为透水混凝土在酸雨-冻融循环作用下超声波波速损失率，图2(b)为透水混凝土在酸雨-冻融循环作用下透水系数变化规律。

图2 透水混凝土超声波波速损失率和透水系数变化规律Fig.2 Variation law of ultrasonic wave velocity and permeability coefficient of pervious concrete

由图2(a)可知，随着试验的进行，透水混凝土超声波波速损失率逐渐增大。每经历25次冻融循环，超声波波速损失率都会大幅增加。冻融过程中，内部自由水分结冰，透水混凝土特有的连通孔道充满了结晶冰，产生膨胀压，同时胶凝孔隙中的水分子受到压力作用向结冰界面渗透，产生渗透压。膨胀压和渗透压共同作用下，试件内部原有微裂缝扩展，最终形成相互贯通的大裂缝，超声波波速急剧下降；相比于D1、D2、D3、D4试验组在每个阶段的超声波损失率更大，没有反映出橡胶颗粒会提高透水混凝土的抗冻性，究其原因可能为橡胶的掺入使得混凝土内部三相组成变得复杂，酸雨和冻融循环试验对混凝土内部造成损伤，使得超声波的折射次数增多，导致整体传递时间延长，这些因素对超声波波速表征透水混凝土内部裂缝发展情况造成了一定干扰。

由图2(b)可知，在酸雨侵蚀和冻融循环双重因素下，透水系数呈现“阶梯式”上升趋势。透水系数大小与透水混凝土内部连通孔隙率呈正相关关系。试验过程中，混凝土内部连通孔壁的微小裂缝逐渐拓展贯通，连通孔隙率增大，混凝土透水能力增强。橡胶颗粒的掺入起初会抑制透水系数的增大趋势，随着试验的进行，橡胶颗粒引起水泥浆体表面凹凸不平的毛细吸附作用逐渐失效，掺量多的透水混凝土试件反而由于内部水泥浆体更脆弱，容易形成更多的连通裂缝，导致透水系数的增长率大于其他试验组。

2.3 抗压强度损失率

由图3可知，随试验的进行，透水混凝土抗压强度损失率逐渐增大。25次冻融循环后，抗压强度损失率大小为D4

图3 透水混凝土抗压强度损失率Fig.3 Loss rate of compressive strength of pervious concrete

为进一步分析冻融循环对透水混凝土酸性化影响，采用酸雨-冻融循环试验模式下透水混凝抗压强度试验结果，定义复合影响系数λn，表达式为

(1)

式(1)中：P′n为酸雨-冻融循环试验模式下第n个侵蚀周期下的抗压强度损失值；Pn为酸雨侵蚀试验模式下第n个侵蚀周期下的抗压强度损失值；A为酸雨侵蚀试验对酸雨-冻融循环试验的影响系数，试验中A=2/3；λn为复合影响系数，λn=1，说明冻融循环对酸性化不起作用；λn>1，说明冻融循环对酸性化起促进作用；λn<1，说明冻融循环对酸性化起抑制作用。

计算不同试验周期下的影响系数，结果如图4所示。冻融循环对酸雨侵蚀的透水混凝土抗压强度损失值影响系数均大于1，说明冻融循环加剧了酸雨侵蚀对透水混凝土性能的劣化。整体抗压强度损失影响系数曲线没有统一规律，这可能由于透水混凝土结构特殊，掺入橡胶颗粒后，内部结合方式变得更加复杂，并且试验数据存在一定离散。D2试验组抗压强度损失影响系数最小，说明掺入适量的橡胶颗粒，减弱了冻融循环对酸雨侵蚀透水混凝土的叠加作用。

图4 冻融循环对透水混凝土抗压强度损失的影响系数Fig.4 Influence coefficient of freeze-thaw cycle on compressive strength loss of pervious concrete

2.4 灰色聚类分析

灰色聚类是根据关联矩阵将一些指标和观测对象划分成若干个可定义类别的方法，一个聚类可以看作是属于同一类的观测对象的集合。由于灰色综合关联度既考察各数据序列间的接近性，又考察各数据序列间的相似性，故采用综合关联度模型分析透水混凝土各指标间的内在联系，计算结果如图5所示。

图5表明，抗压强度、动弹模量、超声波速和透水系数间的综合关联度值均接近或大于0.8，远远大于质量变化与其他4个性能指标之间的关联度值。分析原因：抗压强度、动弹模量、超声波速和透水系数从不同方面均反映了透水混凝土内部孔隙结构的变化，孔隙率大，内部结构疏松，宏观表现为抗压强度降低，动弹模量减小，超声波速降低，透水系数增大；透水混凝土质量变化与其他宏观指标关联度较小，说明质量变化并不能很好反映透水混凝土内部孔隙结构的变化。综上所述，抗压强度、动弹模量、超声波速和透水系数应归为一个聚类。对于孔结构的分析，其中一个指标便可代表其他指标，有利于减少各指标间的干扰，为后续研究提供参考；而质量变化则单独归为一个聚类，需单独分析其对于孔结构的影响。

图5 透水混凝土的指标相关度Fig.5 Indicator correlation of pervious concrete

2.5 酸雨-冻融侵蚀微观机理

为了进一步分析酸雨-冻融对透水混凝土的侵蚀机理，选取D2组作为代表，采用扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)、能谱仪(energy dispersive spectrometer，EDS)和X射线衍射分析(X-ray diffraction，XRD)技术对不同酸雨侵蚀阶段的透水混凝土进行测试，结果分别如图6～图8所示。

图6 D2试验组在不同酸雨-冻融循环试验阶段SEM分析图Fig.6 SEM analysis of D2 test group in different acid rain-freeze-thaw cycle test stages

图7 D2试验组在不同酸雨-冻融循环试验阶段EDS分析图Fig.7 EDS analysis of D2 test group in different acid rain-freeze-thaw cycle test stages

图8 D2试验组在不同酸雨-冻融循环试验阶段XRD分析图Fig.8 XRD analysis of D2 test group in different acid rain-freeze-thaw cycle test stages

根据图6的SEM图可以看出，酸雨侵蚀阶段前期，未对混凝土内部造成明显的损伤，混凝土结构完整并未出现明显裂缝，大量片状氢氧化钙晶体相互交叉排列，冻融循环后，受腐蚀区域变得粗糙且开始出现由中心向外辐射的大簇针状钙矾石(AFt)晶体。3次酸雨-冻融循环后，可观察到大量的钙矾石晶体，其周围可见“短柱”状石膏和清晰的裂缝，难以找到完整的氢氧化钙和水化产物晶体，混凝土内部破坏严重。结合图7可知，试验前期腐蚀区中并未检测出S元素，可能为探针检测区域硫化物含量较低，难以探测。而Ca、Si和O元素较多，说明前期腐蚀反应并不明显。经过多次酸雨-冻融循环试验后，试件受腐蚀区出现明显的S元素，且Ca元素含量显著增多，说明混凝土内部产生了大量的Ca、S元素化合物。

由图8可知，酸雨-冻融循环试验后，XRD图谱上出现了CaSO42H2O和钙矾石(AFt)晶体衍射峰，且随着试验进行，Ca(OH)2和C—S—H衍射峰不断下降，CaSO42H2O和AFt的衍射峰不断上升，说明试验中透水混凝土结构的破坏，本质上是Ca(OH)2和C—S—H水化产物转化为CaSO42H2O和AFt的化学溶蚀过程，与前面分析相印证。相比CaSO42H2O衍射峰，AFt的衍射峰出现次数更多，增长量更大，结合图6(d)，3次酸雨-冻融循环试验后SEM图中观察到大量的AFt晶体，而CaSO42H2O仅零星出现，说明与单一酸雨侵蚀试验相比，酸雨-冻融循环试验中主要侵蚀产物为AFt晶体。