透水混凝土配合比优化设计试验研究

王宝强,廖芳珍

(1.水利部珠江水利委员会技术咨询(广州)有限公司,广东 广州 510611;2.水利部珠江水利委员会珠江水利综合技术中心,广东 广州 510611)

透水路面是指能够促进雨水渗入并转移到地下的一种新型环保、生态的道路材料[1]。透水路面具有地下临时蓄水的结构,因此被称为透水路面系统[2]。与传统的不透水路面相比,这种新系统不需要安装雨水蓄水池或渗水池,更加节约施工成本。同时,透水路面系统能够减少沉积物和污染物,从而减少雨水中的污染物负荷,被认为是城市排水系统中的一种经济、环保的建设方式。

由于透水路面对环境的友好性,在过去几年中,透水路面的使用日趋增加。然而,人们仍对该材料的长期使用寿命存疑,并对这些技术的耐久性和适用性进行了大量的研究。以往的研究主要集中在透水路面的水质和污染控制方面,仅对透水路面系统和分段铺装中基层材料的性能进行了研究,透水路面表面材料的优化还存在一定的差距。

作为透水路面的主要组成部分,透水混凝土具有较强的多孔性,由于不含细骨料,大部分体积由粗骨料[3]填充,因此透水混凝土在结构中产生较多的空隙,与常规混凝土相比渗水率和空气交换率较高,但结构强度降低。正如Brozovsky[4]所指出的,混凝土的强度确实是由砂浆、粗骨料和界面的性质决定的。由于透水混凝土中的水泥浆体非常薄,无法将粗骨料黏结在一起,透水混凝土容易在骨料之间的黏结界面处失效,导致抗压强度低[5-6]。

本研究旨在提高透水混凝土的抗压强度,同时不损失其渗透性,使其适用于更大的交通量。由于骨料的粒径、级配和掺量都会影响多孔硅酸盐水泥混凝土的抗压强度和静态弹性模量,因此首先考察各种骨料类型的影响,以建立最佳局部资源,然后进行各种外加剂的最佳配合比设计。

1 试验概况

1.1 材料

本试验总共分为2个阶段:在第一阶段,使用3种不同的粗骨料,不使用细骨料和其他外加剂,其配合比设计见表1;第二阶段利用砂石和硅灰以增强透水混凝土的强度。

1.1.1水泥

每种混合料均采用普通硅酸盐水泥P·O42.5,符合JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》[7]。

1.1.2粗骨料

以粗骨料为主要原料制备透水混凝土。根据Krezel等[8]的说法,粉碎的火成岩由于其强度较高,更适合作为混凝土的粗骨料。然而,由于自然界可利用的火成岩越来越少,本研究转向了破碎的沉积岩和变质岩。从当地采石场获得了3种粗骨料:石英岩、白云石和石灰石。白云石是1种沉积的碳酸盐岩,由白云石矿物组成,还含有方解石、石英和长石等杂质。白云石形成的1组菱形晶体,表面呈弯曲的马鞍状。石灰石也是沉积岩。虽然有些石灰石几乎是纯方解石,但其中经常含有不同数量的黏土、淤泥和沙子。石英岩是1种致密坚硬的变质岩。从当地采石场获得的石英岩由于含有大量的氧化铁而呈红色。为了探索制备透水混凝土的最佳骨料,在第一阶段对这3种粗骨料进行了研究和比较。对骨料的地质和力学性能进行了测试,结果见表2。

表2 骨料的物理性质

此外,考虑到骨料粒径越小,水泥与骨料的比表面积和结合面积越大,有利于混凝土的强度和耐久性,因此在第二阶段采用细骨料。

1.1.3掺合料

已有研究结果[9]表明,矿物外加剂可以改善混凝土的力学强度和耐久性等性能,因为矿物复合材料减少了骨料与水泥基体之间的界面过渡区(ITZ)的厚度。例如,掺硅灰混凝土的ITZ厚度小于10 μm,而不掺硅灰混凝土的ITZ厚度为50 μm[10]。因此,在第二阶段的测试中,对硅粉进行了试验,以寻求符合规范要求的透水混凝土强度。

此外,本研究还加入了高效减水剂,其减水率为20%,又被称为超塑化剂。

1.2 样品制备

1.2.1筛分

所有来自采石场的10 mm粗骨料都经过筛分,并使用标准筛分到不同的组,然后获得特定的级配。

1.2.2清洗

来自采石场的粗骨料通常含有大量的黏着黏土和其他杂质。在搅拌前,需要对骨料进行清洗,骨料表面涂层会干扰骨料与水泥浆体之间黏结的发展,影响透水混凝土的强度。因此,粗骨料用自来水清洗,并在烘箱中60℃烘烤12 h,以去除淤泥或破碎机灰尘。

1.2.3压实

透水混凝土的压实方法是影响试样制备的主要因素之一。在已有的研究[11]中主要分为2种压实方法,一种是使用压实锤,另一种是使用振动台。虽然锤击压实使骨料颗粒更加紧密地聚集在一起,但透水混凝土样品的密度随着渗透性的损失而增加。由于落锤的冲击强度非常大,可以粉碎弱骨料并形成弱层,因此振动法似乎更适合于大多数骨料,如石灰石和白云石。但是,为了使骨料颗粒之间的黏聚力达到最大,本试验尝试了1种组合压实方法,即在不仅采用标准的棒状压实方法的前提下,在其随后的振动过程中加入了静态压实器。这种压实工作允许大多数粗骨料在压实下不变形,同时增加了骨料颗粒的接触面和对齐,这被认为是增加透水混凝土强度的一个重要因素。

1.3 试验过程

24 h后脱模,标记并称重进行各种测试。然后按照CJ/T 544—2021《聚合物透水混凝土》[12]在(23±2)℃的石灰浴中进行固化。对于每一批,准备了2个试件进行渗透率测试,并各准备了3个试件分别在7、28 d进行了单轴压缩测试,取其平均值。

1.3.1单轴抗压强度和弯曲强度

根据AS1012.9—1999的要求,在实验室进行了混凝土试件的无侧限抗压强度试验。在加载前,在样品的两端放置盖子。使用的盖层类型取决于混凝土样品的表面状况。常规混凝土顶部和底部表面光滑时,通常采用橡胶顶盖;对于透水混凝土等表面粗糙的样品,采用硫盖。

Ravish等[13]的研究表明,硫盖层消除了边骨料脱边引起的倾斜和破坏问题。此外,通过使用硫盖层,透水混凝土的抗压强度会显著提高,因为硫盖层可以有效地抑制顶部的团聚体,见图1、2。因此,本研究对所有样品均采用硫盖层。

混凝土试件抗弯强度试验按GB/T 50080—2015《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》[14]在室内进行。样品是在100 mm×100 mm×470 mm模具。测定了不同骨料配制的透水混凝土的断裂模量。

1.3.2透水性

渗透率是水渗透透水混凝土的独特能力,单位为mm/s。由于透水混凝土的渗透性通常比普通致密混凝土高得多,后者的渗透性测试方法不适用于透水混凝土的测试。

本试验装置使用圆柱形塑料管,通过内嵌钢丝和可调钢扎,使管道紧致,防止试件两侧渗水,见图2。同时,在试件与管道底部的微小间隙处,用加工过的塑料密封,防止水从管道边缘渗入,影响渗透系数的准确性。随后,由式(1)计算透水混凝土的透水率。

图2 测渗透率试验

(1)

式中K——渗透系数,mm/s;a——圆柱形管的面积,mm2;A——试样面积,mm2;L——试样长度,mm;t——水从h1层通过管道到达h2层的时间,s。

1.3.3孔隙度

在28 d龄期时进行孔隙度试验。开口孔隙率是指混凝土中可含水的孔隙体积或空隙空间的百分比。试样首先在110℃的烘箱中干燥,然后冷却以进行测量。在干燥条件下测量样品的尺寸,并确定试样的总体积,包括固体和孔隙组分。然后将试样放入1个装满足够覆盖整个试样的水的桶中,并标记水位。24 h后,将样品从桶中移出,将水重新注满至标记水平。使用水的1 g相当于1 cm3体积的概念,用天平读取添加水的重量,该读数的大小等于变化的体积(VC)。混凝土试样的孔隙率由式(2)计算。

(2)

式中P——孔隙率,%;VT——试样的总体积,mm3;“VT-VC”——孔隙空间体积,mm3。

2 试验结果和分析

2.1 试验结果

研究了粗骨料对透水混凝土抗压强度和抗折强度的影响。采用石英岩、白云岩和石灰石3种骨料,并限制了骨料的粒度和级配,见表3。第7 d和28 d的抗压和抗弯强度试验结果见表4、5。

表3 骨料粒径及质量合格率

表4 不同骨料不同龄期的抗压强度

2.1.1骨料性能的影响

从表4可以看出,对于单粒径骨料,白云岩B1在7、28 d的抗压强度最高,石灰岩次之,石英岩强度最低。从表5还可以看出,用白云石制成的试件具有更好的抗弯强度。这表明,粗骨料的类型影响透水混凝土的强度,即使骨料的尺寸和级配相同。这可能是由于干燥强度、颗粒形状的差异以及骨料本身的纹理。从干燥强度来看,3种类型中白云岩的抗压强度最高。然而,干燥强度最低的石灰石并没有产生最低的抗压强度,这可能是2个因素造成的。首先,需要对骨料的片状指数进行判断,而不是单凭视觉。通过检验骨料的片状指数来区分不同形状的骨料。表2所示,石灰石比石英岩更圆角,石英岩片状颗粒在压实力作用下更倾向于在1个平面上定向工作,而不是强化在三维立体上的强度。因此,它是脆性的,抗压强度较高。其次,表2所示,石英岩颗粒在混合料中吸收的水分比石灰石颗粒多,这使得石英岩颗粒周围的水泥浆体黏性较低,从而形成与石灰石周围一样高的黏接强度。因此,石英岩抗压强度最差,石灰岩最差。但与白云石相比,虽然白云石的片状指数也高于石灰石,但这一缺点并不能抵消白云石干燥强度所带来的优势。此外,其吸水率也不如石英岩高。它仍然可以产生最大的抗压强度的透水混凝土。因此,白云石被认为是制造透水混凝土的最佳骨料。

表5 不同骨料不同龄期的抗弯强度

2.1.2骨料粒度和级配的影响

首先对A1、B1、C1三种骨料均采用单一粒径骨料作为参考,然后扩大骨料级配。从表4可以看出,石英岩混凝土和白云岩混凝土表现相似。以白云石为例,从单一粒度级配(B1)到9.50～ 4.75 mm级配(B2),孔隙混凝土抗压强度在7 d时从15.0 MPa增加到16.0 MPa,在28 d时从15.8 MPa增加到19.0 MPa。较小粒径骨料的掺入比例能提高透水混凝土的强度。但当掺加大粒径骨料(对比B2、B3)时,虽然级配效果较好,但透水混凝土抗压强度和抗折强度均有所降低。

固化28 d后进行渗透率测定。透水混凝土试件的渗透系数见表6。可以发现,除石灰石外,骨料粒径越小,透水混凝土的渗透性越低。但3种骨料均表现出良好的渗透性,在此基础上可选用一些填料进一步提高透水混凝土的强度。

表6 不同骨料配制的透水混凝土在28 d养护时的渗透率 单位:mm/s

2.2 配合比优化

本研究的第二阶段涉及使用化学外加剂和细骨料来提高透水混凝土的强度。抗压强度将作为主要评判标准。根据阶段一的试验结果,选择了白云石作为粗骨料。

2.2.1掺合料

表7所示,使用了外加剂的试件(B4、B5、B6和B7)比不使用外加剂的试件(B2)具有更高的强度。硅灰对透水混凝土抗压强度的影响与普通混凝土相同。从技术上讲,当硅灰加入时,需要更多的水来润湿混凝土混合物中硅灰颗粒的大比表面积,以保持其和易性。因此,如果将相同的水灰比应用于含硅灰和不含硅灰的透水混凝土试件,含硅灰的试件通常会产生问题。

表7 透水混凝土的性能

通过一系列的试验,发现在含硅灰的混合物中加入少量的超塑化剂,试样的抗压强度得到了明显的提高。透水混凝土坍落度的微小变化证明了这一点。由表7可知,B4(仅含10%硅灰)的抗压强度略高于B2。然而,在添加0.8%的超塑化剂后,B6样品在不损失渗透性的情况下其性能表现更为良好。

原因是硅灰的掺入会加剧水泥浆体的絮凝作用,从而产生更多的絮凝胶体,这些胶体是多孔的,不利于透水混凝土强度的提高。然而,由于高效减水剂通常具有高分子质量的长分子,这些长分子将自己包裹在水泥颗粒,导致水泥浆体的絮凝和硅灰的分散。此时,硅灰的细颗粒能够均匀分布,并充填在水泥浆体的毛细孔或凝胶孔中,从而提高了透水混凝土的抗压强度,如B5。

此外,在硅灰和高效减水剂的双重作用下,可以利用细骨料获得更高的强度。表6所示,B6和B7的抗压强度均高于B5。同时,在28 d养护后,采用机制砂配制的B7性能优于采用2.36 ～ 4.75 mm细白云石颗粒配制的B6。机制砂能促进水泥水化产物的发育,在28 d养护过程中,水泥基质中的毛细孔隙减少,微观结构致密,抗压强度较高[15]。相比之下,粒径较小的白云石颗粒无法桥接结晶水化水泥,形成更多的膏体,从而提高黏结强度。

因此,使用机制砂比使用细白云石颗粒更有效。见图3,B7的强度有所提高,渗透率保持在可接受的范围内,故采用这种组合。

图3 水灰比与抗压强度的曲线特征

2.2.2最佳水灰比

考虑到含水率对混凝土性能的显著影响,通过对含水率进行适度调整,探索透水混凝土的最佳配合比设计。抗压强度随水灰比的变化情况见表8。水灰比为0.30 ～ 0.38,其他成分保持不变。

表8 不同水灰比的透水混凝土的抗压强度

图3所示,水灰比为0.34的B8混凝土在养护7、28 d后抗压强度均最高,分别达到36.8、46.2 MPa。此外,水灰比与透水混凝土抗压强度的关系并不是一条简单的线性路径。拐点在0.34 (B8)的出现将整个趋势线分为2个不同的阶段。当水灰比小于 0.34时,随着水灰比的增加,抗压强度略有提高;大于0.34时,抗压强度急剧下降。水灰比为0.38的B11在7、28 d的抗压强度最低,分别为20.3、23.3 MPa。

同时,图4给出了不同水灰比下渗透率的变化。可以发现,透水混凝土的渗透性趋势与抗压强度趋势成反比。

图4 水灰比与渗透率的曲线特征

最小值也发生在水灰比为0.34 (B8)时,此时渗透率降至1.22 mm/s。取0.34作为阈值,一旦水量超过此阈值时,透水混凝土的渗透性直线上升,经B11后达到8.42 mm/s;而当渗透率低于该阈值时,渗透率没有反弹。从图4可以看出,B9的渗透性高于B8,而B10的渗透性低于B9,观察B10可以发现,当含水率降低到0.30时,砂和硅灰颗粒很难与水泥均匀结合。振动后,新鲜混凝土混合物中的一些细小颗粒甚至分离到样品表面,在样品中容易形成不同的致密层。在样品的中部可能产生了更多的孔隙,但表面已被这些颗粒封闭,对渗透系数产生了不利影响。因此,不建议水灰比小于0.30。

通过对透水混凝土抗压强度变化的分析可知,水灰比在0.34～0.38范围内具有较高的渗透性,但大量的水会加剧透水混凝土在养护龄期时的收缩,导致硬化混凝土中出现较大比例的孔洞,从而使透水混凝土的抗压强度大大降低。相比之下,在0.30～0.34范围内,水泥强度较高,但含水量过低,无法充分水化水泥。在该情况下,水泥砂浆不能包裹所有的骨料。但是,由于这些变化是在调整过程中逐渐发生的,因此可以收集到最佳水灰比。透水混凝土的渗透率一般为2.0～5.4 mm/s[16],图3、4显示,水灰比为0.32的B9表现最好,具有较高的抗压强度和不错的渗透性。

2.3 损伤分析

混凝土作为三相复合材料,在微观尺度上包括砂浆基体、骨料和两者之间的界面过渡区。界面过渡区虽然相对于砂浆基体和骨料的比例较小,但其特性对混凝土的力学性能影响较大,通常被认为是混凝土中最薄弱的区域。对于普通混凝土,Zaitsev[17]指出,由于水泥基体的收缩,分离裂缝首先发生在骨料与水泥浆体的界面上。而对于透水混凝土,界面区裂缝较多,说明在没有砂石、化学掺合料等填充材料的情况下,透水混凝土中骨料与水泥的黏结强度不够,成为决定混凝土抗压强度的控制因素。

图5所示,大部分破坏集中发生在水泥与骨料的界面或未掺外加剂的透水混凝土硬化水泥浆体。相比之下,硅灰和高效减水剂的应用确实为水泥包裹骨料提供了良好的黏结。从图5b可以看出,更多的断裂是直接穿过骨料颗粒,而不是穿过骨料外壳。与普通混凝土相比,破碎面更光滑、更平整,见图6。这说明骨料或水泥浆体的破坏是从它们之间的界面区开始的,主导了压缩裂缝的发展。

a)不使用外加剂

图6 多孔透水混凝土断口面

为了进一步揭示界面区的破坏机制,采用偏光显微镜对透水混凝土的微观结构进行了研究。典型的显微图见图7。黄色物质体为白云石骨料,黑色物质体为水泥浆体;空白或青色的空隙为孔隙。在使用了外加剂的图7a中,与不添加外加剂的图7b相比,每个黄色颗粒周围的黑色带更暗、更均匀、更连续。结果表明,与普通水泥浆体相比,掺加外加剂的砂浆包裹骨料颗粒的厚度和宽度增大,这意味着2个骨料颗粒之间的结合面积增大。Neville[18]研究了普通混凝土出现这种现象的机理。在不添加外加剂的情况下,界面过渡区(ITZ)通常会形成壁效应,抑制水泥颗粒接近骨料表面;但硅灰的加入会破坏壁效应,硅灰的微观颗粒可能会接近骨料颗粒,从而降低了ITZ的孔隙率,增强了黏结力。

此外,在图7b中可以看到,黄色颗粒周围的一些颜色逐渐由青色变为黑色;一些青色的空间直接与黄色的表面相连。这可能是骨料与水泥之间的破坏发展无外加剂的膏体。结果表明:少量水泥浆体从骨料表面被抽离,并在骨料表面留下孔隙;少数没有覆盖整个骨料表面,甚至没有直接黏在骨料表面。这就形成了透水混凝土最薄弱的区域。从图7a可以看出,水泥浆体与骨料表面黏结紧密,黏结区整体一致;裂缝发生在黄色聚集体个体内部。这表明可能的破坏模式已经从ITZ转移到骨料或水泥浆体内部。因此,透水混凝土的强度明显增强。

3 结论

本文介绍了影响透水混凝土强度和渗透性因素的试验研究,为此进行了一系列试验,探讨了最优配合比设计,可以得出以下结论。

a)通过试验,研究并比较了3种最常见类型的骨料的影响。除了具有较高的抗压强度外,白云石还使得透水混凝土具有较强的耐磨性,当透水混凝土预计用作道路施工的路面材料时应考虑这一特性。因此,白云石被认为是其中制作透水混凝土的最佳骨料。

b)掺加硅灰对提高透水混凝土的强度效果不明显。由于混凝土混合物的高孔隙率,压实后硅灰的细颗粒易于分离沉积。而在透水混凝土中,高效减水剂在辅助硅灰分散方面效果显著。高效减水剂作为分散剂,是制备高强透水混凝土的必要条件。这些矿物和化学外加剂的使用提高了ITZ的黏结强度,从而使透水混凝土在压缩下更加坚固。

c)采用机制砂提高了透水混凝土30%～50%的抗压强度,建议优先采用2.36～9.50 mm的密实级配骨料。

d)含水率是影响抗压强度的重要因素之一。水比例的控制对于生产具有良好和易性且不易堵塞孔隙的新鲜水泥浆体至关重要。添加细骨料和外加剂后,最佳水灰比为0.32,28 d抗压强度为40 MPa,透水率大于2 mm/s。