低砂取代率透水混凝土的力学性能和冻融耐久性能研究

2022-04-04周书林王祺顺王文盛

公路工程 2022年1期

周书林，王华，王祺顺，王文盛, 张伟

(1.广西壮族自治区公路发展中心，广西南宁 530028； 2.广西交科集团有限公司，广西南宁 530007； 3.湖南省交通科学研究院有限公司, 湖南长沙 410015； 4.吉林大学，吉林长春 130022； 5.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳 550000)

随着城市化进程的推进，城市地表被不透水铺装大面积覆盖，造成了城市内涝、热岛效应、地下水位下降和交通噪音污染等城市问题[1-3]。透水混凝土是一种环境友好型的路面材料，具有透水、透气、吸声降噪等优点[4-6]。透水混凝土主要是由开级配材料(粗骨料和水泥)组成，不含或含有少量的细骨料，具有多孔结构，以满足渗透性要求，但随着渗透性的增加，透水混凝土的强度降低[7-9]。并且由于透水混凝土的多孔结构，与密实混凝土相比，耐久性较差，这阻碍了透水混凝土在季冻区的应用[10-13]。因此，改善透水混凝土的力学性能和冻融耐久性能是十分必要的。

部分学者研究了砂率对透水混凝土强度和渗透性能的影响。王庆利[14]等研究了不同砂率条件下再生透水混凝土的强度和渗透性能，结果表明，随着砂率的增加再生透水混凝土的强度增加而渗透性能降低。KANT SAHDEO[15]等报道了添加少量的细砂能有效地改善透水混凝土的抗压强度、抗折强度和抗硫酸盐腐蚀性。BONICELLI[16]等研究表明在透水混凝土中加入骨料质量5%的细砂有助于提高透水混凝土的强度和表面性能，但会降低透水混凝土的渗透性能。

部分学者研究了透水混凝土的冻融耐久性。陈春[17]等采用10%、30%和50%的再生骨料替代天然骨料，进行了冻融耐久性研究，结果表明，随着再生骨料掺量增加，透水混凝土的冻融耐久性下降。ZOU[18]等针对含再生骨料的透水混凝土耐久性较差的问题，采用2种硅烷乳液对再生骨料表面进行改性，结果表明，改性剂可以有效地提高含再生骨料透水混凝土的抗压强度和冻融耐久性。王子[19]等在透水混凝土中加入了不同粒径(20目、60目和80目)和不同掺量(6%、8%和12%)的橡胶粉，进行了冻融耐久性研究，结果表明，橡胶粉的加入略微降低了渗透性和强度，但显著地提高了冻融耐久性，并建议加入6%和80目的橡胶粉。

虽然有学者对透水混凝土的性能进行了研究，但很少关于低砂取代率透水混凝土(Low-Sand Replacement Rate Pervious Concrete，SPC)的冻融耐久性的研究。本研究采用等质量替代法，研究不同砂取代率(0%、2%、4%、6%、8%和10%)对SPC强度、渗透性和冻融耐久性的影响，并得出最佳砂取代率，为SPC在季冻区的工程应用和后续研究提供参考。

1 材料和方法

1.1 材料

粗骨料采用玄武岩粗骨料(4.75～9.5 mm)，其性能指标如下：粒径4.75～9.5 mm，表观密度2 786 kg/m3，堆积密度1 534 kg/m3，堆积孔隙率44.9 %，压碎值9.7%，针片状含量7.1%，吸水率1.63%。细骨料采用表观密度为2 552 kg/m3的河砂，细度模量为2.7。采用42.5级普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，其性能指标如表1所示。采用减水率为25%的聚羧酸高效减水剂来提高混合料的和易性。拌和水为自来水。

表1 水泥性能指标Table 1 Basic properties of portland cement密度/(kg·m-3)比表面积/(m2·kg-1)凝结时间/min抗压强度/MPa抗折强度/MPa初凝终凝3 d28 d3 d28 d测定结果2 96034218225121.847.64.77.5

1.2 配合比设计

以0%、2%、4%、6%、8%和10%的中砂等质量替代粗骨料，分别记为SPC0、SPC2、SPC4、SPC6、SPC8 和SPC10。基于现有的研究，水胶比为0.3，设计孔隙率为15%，减水剂用量为水泥质量的0.5%[20]。SPC的配合比如表2所示。

表2 配合比Table 2 Mix proportionkg/m3编号粗骨料水泥水减水剂砂SPC01 503.32486.56145.962.430.00SPC21 473.25486.56145.962.4330.07SPC41 443.19486.56145.962.4360.13SPC61 413.12486.56145.962.4390.20SPC81 383.05486.56145.962.43120.27SPC101 352.99486.56145.962.43150.33

1.3 试件制备

本研究采用水泥裹石搅拌法和插捣成型法制作了90个100 mm×100 mm×100 mm立方体试件和18个100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试件。试件成型后，采用塑料膜覆盖表面，防止水分蒸发。静置24 h后脱模，在标准条件下(温度(20±2)℃，相对湿度95%)养护28 d，养护结束后立即进行孔隙率、透水系数和力学性能试验。冻融循环试件在标准养护24 d后浸水养护4 d，再进行冻融循环试验。

1.4 实验方法

1.4.1有效孔隙率

SPC的有效孔隙率采用排水法，采用100 mm×100 mm×100 mm的立方试件来测试，计算公式如下:

(1)

式中：P为有效孔隙率，%；m1为试件水中重，g；m2为试件饱和面干质量，g；ρw为20 ℃水的密度，g /cm3；Vo为试件的毛体积，cm3。

1.4.2渗透系数

根据《透水水泥混凝土路面技术规程》(CJJ/T 135-2009)，采用定水头法测定SPC的渗透系数[21]。试件侧面采用塑料薄膜包裹，试件上下表面与仪器侧壁间的缝隙采用轻质黏土密封，以保证垂直渗流，渗透系数实验装置示意图如图1所示。渗透系数计算公式如下:

图1 渗透系数试验装置示意图

(2)

式中：kT为渗透系数，mm/s；Q为时间t内的出水量，mm3；L为试件高度，mm；A为试件上表面积，mm2；H为水头高度，mm；t为集水时间，t=300 s。

1.4.3力学性能

根据《普通混凝土力学性能实验方法标准》(GB/T 50081-2002)，对SPC的抗压强度和抗弯强度进行了测试[22]。抗压强度试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，抗压强度试验如图2所示。抗折强度采用三点弯曲试验，支点距离为300 mm，试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，抗折强度试验如图3所示。抗压强度和抗折强度计算公式如下:

图2 抗压强度实验

图3 抗折强度实验

(3)

(4)

式中：fc为抗压强度，MPa；ff为抗折强度，MPa；F为破坏荷载，N；A为试件的承压表面积，mm2；

L为2支撑点的距离，L=300 mm；b为试件截面宽度，b=100 mm；h为试件截面高度，h=100 mm。

1.4.4冻融耐久性

根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T (50082-2009)，采用快冷冻法进行冻融耐久性试验[23]。每25次冻融循环观察试件表面裂缝和剥落情况，并测定抗压强度。

2 结果与分析

2.1 有效孔隙率和渗透系数

渗透系数是透水混凝土的关键指标，有效孔隙率对透水混凝土的透水性能有影响，在本文中分析了SPC的有效孔隙率和渗透系数。有效孔隙率、渗透系数与其标准差的试验结果见表3。砂取代率对有效孔隙率和渗透率系数的影响如图4所示。透水混凝土的有效孔隙率与渗透系数的关系如图5所示。

图5 SPC有效孔隙率与渗透系数的关系

由图4可知，随着砂取代率的增加，SPC的有效孔隙率和渗透率先下降而后增长。当砂取代率达到8%时，SPC的有效孔隙率和渗透系数达到最低值，其中，有效孔隙率从14.53%下降到6.99%，渗透系数从3.93 mm/s下降到2.47 mm/s。其原因

表3 SPC的有效孔隙率和渗透系数Table 3 Effective porosity and permeability coefficient of SPC编号有效孔隙率/%渗透系数/(mm·s-1)平均值标准差平均值标准差SPC014.530.293.930.07SPC214.280.263.820.11SPC413.310.243.610.08SPC611.240.183.230.10SPC86.990.132.470.09SPC108.520.162.780.06

图4 砂取代率对有效孔隙率和渗透系数的影响

是砂取代部分粗骨料，导致SPC级配更加合理，砂填充了粗骨料之间的部分孔隙，从而导致SPC的有效孔隙率和渗透系数的降低。当砂取代率超过8%时，SPC的有效孔隙率和渗透系数随着砂取代率的增加而增加，当砂取代率增加时，砂的填充作用逐渐减弱，从而导致SPC有效孔隙率和渗透系数的增加。由图5可知，随着有效孔隙度的增加，SPC的渗透系数增大。渗透率系数与有效孔隙度呈正相关，这表明有效孔隙率对SPC的透水性有较大的影响。同时也解释了图4中渗透系数随砂取代率的增加呈先下降而后上升趋势的原因。

2.2 抗压强度和抗折强度

强度是透水混凝土在土工程应用中的技术指标，在本文中采用抗压强度和抗折强度表征透水混凝土的强度。SPC的抗压强度和抗折强度见表4。砂取代率对SPC抗压强度的影响如图6所示。砂取代率对SPC抗折强度的影响如图7所示。

表4 SPC的抗压强度和抗折强度Table 4 Compressive strength and flexural strength of SPC编号抗压强度/MPa抗折强度/MPa平均值标准差平均值标准差SPC022.370.414.850.09SPC223.500.334.960.06SPC424.010.515.090.05SPC627.280.285.230.07SPC829.280.315.390.09SPC1027.650.345.260.10

图6 砂取代率对SPC抗压强度的影响

从图6中可以看出，SPC的抗压强度随着砂取代率的增加先增加而后降低。当砂取代率增加到8%时，SPC抗压强度达到最高为29.28 MPa，与砂取代率为0的PC相比，砂取代率8%的SPC抗压强度增加了30.89%。砂取代了部分天然粗骨料，SPC混合料中添加了细骨料，使混合料的级配更加合理，此外，砂填充了粗骨料之间的孔隙，从而提高了SPC的抗压强度。当砂取代率超过8%时，随着砂取代率的增加，SPC的抗压强度降低，这与砂取代过多的天然粗骨料有关，粗骨料在SPC混合料中起主要承载作用，粗骨料的减少会导致透水混凝土的强度降低。从SPC抗压强度的变化趋势中可以看出，当砂取代率小于4%时，SPC抗压强度的增加不明显；砂取代率大于4%时，SPC的强度出现明显增加，这表明添加一定量的砂才能有效地提高透水混凝土抗压强度。

SPC的抗折强度随着砂取代率的变化如图7所示。由图7可知，随着砂取代率的增加，SPC的抗折强度先增加而后减少，这与砂取代率对抗压强度的影响是一致的。当砂取代率为8%时，SPC的抗折强度达到5.46 MPa，与砂取代率为0的透水混凝土相比，砂取代率8%的SPC抗折强度增加了11.13%。SPC抗折强度的增加也是由于砂填充了孔隙并且使级配更加合理，抗折强度的降低的原因与抗压强度也是相同的。与抗压强度相比，抗折强度变化的趋势与抗压强度略有不同，当砂取代率小于8%时，透水混凝土的抗折强度是逐渐增加的，没有明显的突变。

图7 砂取代率对SPC抗折强度的影响

2.3 冻融耐久性

冻融循环对暴露在自然环境中的透水混凝土的使用寿命有负面影响，在本节中以抗压强度和抗压强度损失率作为评价指标，表征SPC的冻融耐久性。25、50、75、100个冻融周期后SPC的抗压强度与其损失见表5。冻融循环对SPC抗压强度的影响如图8所示。SPC在冻融循环下的抗压强度损失如图9所示。

图8 抗压强度随冻融循环的变化

图9 冻融循环后的抗压强度损失

表5 冻融循环后SPC的抗压强度与抗压强度损失Table 5 Compressive strength and compressive strength loss of SPC after freeze-thaw cycle编号冻融循环后的抗压强度与其损失25 次50次75次100次抗压强度/MPa损失/%抗压强度/MPa损失/%抗压强度/MPa损失/%抗压强度/MPa损失/%SPC020.169.8818.5716.9916.0528.2514.3735.76SPC221.488.6019.8115.7017.3426.2115.5034.04SPC422.317.0820.8113.3318.4123.3216.7130.40SPC625.685.8724.2811.0021.5820.8919.8827.13SPC828.014.3426.738.7124.1617.4922.0224.80SPC1026.175.3525.169.0122.4618.7720.3326.47

在冻融循环次数相同时，SPC的抗压强度随着砂取代率的增加先增加而后降低。经过100次冻融循环后，砂取代率8%的SPC的抗压强度为22.02 MPa，与未添加砂的透水混凝土相比提高了53.23%。此外，在相同冻融循环次数下，添加砂的SPC的抗压强度均高于未添加砂的透水混凝土，这表明，加砂有助于提高透水混凝土的冻融耐久性。

由图9可知，随着冻融循环次数的增加，SPC的抗压强度损失率逐渐增大，在冻融循环次数相同的情况下，抗压强度损失率随着砂取代率的增加先增加而后降低。与未加砂的透水混凝土相比，SPC的抗压强度损失率更低，其中，砂取代8%的SPC抗压强度损失率最低，这表明，8%的砂取代率能够有效地提高SPC的冻融耐久性。SPC冻融耐久性的增加与砂填充混凝土间的孔隙有关，使SPC内部的冻胀力降低，从而降低了抗压强度损失率。当砂取代率过多时，有效孔隙率增加，产生较强的冻胀力，导致抗压强度损失率的增加。