透水混凝土性能的影响因素研究★

邱新悦，黄冬辉，宋宇桐，陈 玥，何思怡，刘佳骏

(金陵科技学院,江苏 南京 211169)

近年来,我国城镇化水平发展加快,城市规模、人口不断扩张,城市建设用地急剧增加,商业区、住宅小区、广场和道路建设规模巨大,导致城市地表硬化程度高、不透水面积比例急剧增大、雨水下渗量减少、地表径流增加,大大加重了市政排水系统的负荷。江苏省计划到2030年,全省各市80%以上建成区将达到海绵城市建设要求。透水混凝土由特定级配的粗骨料(少或无细骨料)、水泥、水,同时还可掺入外加剂和掺合料拌合而成,兼具多孔材料高透水性(透水系数1-20 mm/s)和混凝土材料相应的力学性能,成为海绵城市中重要的透水铺装材料。

现有研究表明,透水铺装结构的性能会随着透水混凝土的材料组成的改变而产生变化。Aliabdo等[1]研究发现,随着再生骨料粒径的增加,其抗压强度呈下降趋势,而透水系数则相反。Gaedicke等[2]研究阐明透水混凝土透水性与孔隙率密切相关,透水性随着孔隙率的增加而增加。张朝辉等[3]研究发现透水混凝土抗压强度随着集灰比的减小而增大,随着水灰比的增加先增大后减小。徐婷怡等[4]研究发现外加剂能有效提升透水混凝土的抗压强度及透水系数。Chindaprasirt等[5]研究了抗压强度与透水系数的关系模型。

本文通过调研大量的文献和对研究结果的综述,对不同配合比条件下透水混凝土的性能进行统计分析和归纳回归,阐述了水灰比、骨料级配、骨料类型和掺合料对透水混凝土的抗压强度和透水性能的影响,以便于根据工程应用特定的参数需求,为优化透水混凝土的性能做参考。

1 水灰比对透水混凝土抗压强度及透水性的影响

水灰比是影响透水混凝土强度和透水性能的一个重要因素,水灰比的大小直接影响胶凝材料水泥浆体的流动性和黏结强度,继而影响水泥浆体包裹骨料的厚度、骨料骨架的形成和填充骨料间孔隙的体积,从而影响透水混凝土的强度和透水性。

1.1 水灰比对透水混凝土抗压强度影响

通过统计多位学者[6-15]对不同水灰比的透水混凝土抗压性能的研究结果,利用Origin软件进行拟合并回归分析,得出相关规律,如图1所示。

由图1可知,在骨料级配、骨胶比和成型养护工艺等条件相同的情况下,随着水灰比的增大,透水混凝土的抗压强度呈现先增大后降低的趋势;当水灰比(质量比,下同)从0.27增加到0.31时,透水混凝土的28 d抗压强度增加了20%。其可能的原因是,当水灰比较小时,水泥浆体的流动性较弱,浆体无法均匀包裹全部骨料,堆积过于集中,形成了局部胶结层,透水混凝土骨料间部分区域浆体较厚、部分区域缺乏胶凝材料,骨料间无法有效牢固搭接,导致透水混凝土内部骨料骨架结构强度较低;随着水灰比提高,胶凝材料的流动性逐渐提升,包裹性增加,骨料间搭接性能较好,抗压强度随即跟着提高;当水灰比达到0.31左右时,透水混凝土中胶凝材料作用得到更有效发挥,抗压强度达到最大值。究其原因,当水灰比达到0.31左右时,水泥浆体能够充分水化,具有较好的流动性,对骨料包裹较好,透水混凝土的粗骨料表面被胶结层紧紧包裹,形成了比较理想的结构形式,故此时抗压强度达到了峰值。当水灰比继续增大,胶凝材料浆体流动性过大,受重力作用向下层流淌,导致骨料包裹不均匀,上层表面浆体厚度过薄,并对下部孔隙造成一定程度的堵塞,从而使透水混凝土底部堵塞,骨料间搭接结构稳定性不强,降低了透水混凝土的强度。

将上述数据进行回归分析,试验结果与式(1)所示表达式有较好的关联性。

(1)

其中,fc为抗压强度,MPa;wcr为水灰比。

1.2 水灰比对透水混凝土透水性影响

通过统计多位学者对不同水灰比的透水混凝土透水性的研究结果,水灰比对透水混凝土透水性的影响规律如图2所示。图2表明,在骨料级配、骨胶比和成型养护工艺等条件相同的情况下,透水性能随着水灰比减小而减小。分析其原因为,当水灰比过小时,部分水泥颗粒不能充分水化,胶凝材料浆体流动度过小,骨料表面的胶结层分布不均匀,使透水混凝土有效孔隙率偏大,其透水性能随之变大,透水系数较大。反之,当水灰比增大,胶凝材料浆体流动性增加,由于重力作用向下层流淌,使透水混凝土底部堵塞,上层表面浆体厚度过薄,透水系数则降低。

将试验数据进行统计回归,透水混凝土透水系数与水灰比呈线性相关,如式(2)所示。

k=9.68-20.68wcr

(2)

其中,k为透水混凝土的透水系数,mm/s;wcr为水灰比。

2 骨料级配对透水混凝土抗压强度及透水性的影响

骨料是研究透水混凝土抗压强度和透水性的另一重要因素,骨料粒径、级配、类型等都对透水混凝土的性能产生一定程度的影响。

2.1 多级配对透水混凝土抗压强度的影响

本文调研两种粒径的骨料:4.75 mm～9.5 mm和9.5 mm～16 mm,将两种粒径按不同比例配合(如表1所示)研究6种不同级配透水混凝土的抗压强度和透水系数,如图3所示。

表1 透水混凝土骨料级配表

由图3可知,在上述6种级配中,透水混凝土骨料全部为9.5 mm～16 mm较大粒径,即级配种类1时,透水混凝土的抗压强度最低;当透水混凝土骨料组成为级配种类5,即20%较大粒径骨料和80%较小粒径骨料混合时,抗压强度达到峰值。究其原因是,使用同种较大单一粒径骨料,透水混凝土内部的空隙较多,骨料间缺少较小粒径的骨料填充,结构疏散内部结构不够稳定,并且骨料之间接触点少,较容易产生应力集中的情况,因而抗压强度较低。

随着较大粒径骨料用量的减小,较小粒径骨料用量的增多,较小粒径骨料能有效填充较大粒径骨料留下的空隙,使透水混凝土内部空隙缩小,并且骨料之间的咬合度增大,骨料之间的应力能够有效传递,结构堆积更加紧实,形成较为致密的骨料结构,胶凝材料的黏结力也会增大,抗压强度也逐渐增强。

将上述数据进行回归分析,试验结果与式(3)所示表达式有较好的关联性。

fc=17.65+6.41e-2(x-0.78)2

(3)

其中,fc为抗压强度,MPa;x为4.75 mm～9.5 mm粒径骨料质量占比,%。

2.2 骨料级配对透水混凝土透水系数的影响

通过对马靖等学者[16]47-48,[17-20]关于不同骨料级配的透水混凝土透水性能的研究,6种骨料级配透水混凝土的透水系数如图4所示,由图可知仅为较大粒径骨料时(级配种类1),透水混凝土透水系数最高,随着粒径较小骨料占比的增大,透水混凝土透水系数呈下降趋势。原因在于,骨料级配种类1中使用大骨料级配,骨料粒径大,单级配骨料形成的空隙较大较多,连通孔隙率就增大,而透水性混凝土的透水系数主要依赖于混凝土内部的连通孔隙来透水,连通孔隙率越大,透水系数就越大,透水性能也就越好。随着较小粒径骨料的增加,较小粒径骨料填充大粒径骨料留下的空隙,而其自身骨料间的空隙相对较小,故连通孔隙率透水性会相应降低。当较小粒径骨料占比大于60%以后,再增加小粒径骨料对透水系数的影响不明显。

将上述数据进行回归分析,试验结果与式(4)所示表达式有较好的关联性。

k=1.69+1.31e-2x2

(4)

其中,k为透水混凝土的透水系数,mm/s;x为4.75 mm～9.5 mm粒径骨料质量占比,%。

3 再生骨料级配对透水混凝土抗压强度及透水性的影响

3.1 再生骨料级配对透水混凝土抗压强度的影响

不同再生骨料级配对透水混凝土抗压性能的研究结果如图5所示。从图5可以看出,在水灰比、骨胶比和成型养护工艺等条件相同的情况下,再生骨料级配变化的过程中,透水混凝土的抗压强度值呈现先增大后降低的趋势;当再生骨料粒径4.79 mm～9.5 mm含量(质量分数,下同)在0%～60%范围内,随再生骨料含量的增加,抗压强度呈增长趋势,在再生骨料含量为60%左右时,抗压强度达到峰值;此后,随着再生骨料含量持续增加,抗压强度呈不断减小的趋势。结合马靖[16]30-32的机理分析,当较小粒径再生骨料增加时,较小粒径骨料穿插在大粒径骨料中,骨料间的接触点增多,再生骨料间的摩擦力会增大,同时大小颗粒穿插其中,再生骨料堆积,密度增大,密实度增大,再生骨料强度增大,抗压强度会增大。但当较小粒径骨料继续增大时,由于骨料自身抗压强度影响,小骨料粒径如4.75 mm～9.5 mm的自身强度小于9.5 mm～16 mm的自身强度,小粒径骨料增大,透水混凝土在受力时薄弱点变多,骨料间的黏结力减小,抗压强度减小。相比而言,普通骨料透水混凝土中,当较小粒径骨料(4.79 mm～9.5 mm)含量达到80%时,抗压强度才达到峰值,如图5所示。

将上述数据进行回归分析,试验结果与式(5)所示表达式有较好的关联性。

fc=12.83+12.01e-2(x-0.57)2

(5)

其中,fc为抗压强度,MPa;x为4.75 mm～9.5 mm再生骨料的质量占比,%。

3.2 再生骨料级配对透水混凝土透水性能的影响

不同再生骨料级配对透水混凝土透水系数的研究结果如图6所示。由图6可见,随着粒径为4.75 mm～9.5 mm再生骨料占比的增大,透水系数呈现出先大幅减小后缓慢增大的趋势;当4.75 mm～9.5 mm的再生骨料占比为60%和80%时,其透水性能普遍较小,可能的原因是,少量粗骨料所形成的孔隙被大量细骨料填充,导致透水混凝土的连通孔隙率大大降低,透水性能也随之变差。

对比可知,再生骨料透水混凝土的透水系数略高于普通骨料透水混凝土,这是由于再生骨料在生产过程(建筑垃圾破碎、筛分)中会由于外力挤压破碎造成损伤,导致骨料产生很多细小裂缝,因而内部形成较多的微小连通孔隙,所以当采用再生骨料时,透水混凝土的有效孔隙率也增加,其透水性能也会增强。此外,由于再生骨料是由废弃物所制成,具有环保性,故可以在保证透水混凝土强度的情况下,尽量提高再生骨料的取代率,兼顾透水混凝土的透水性及环保性。

将上述数据进行回归分析,试验结果与式(6)所示表达式有较好的关联性。

k=4.68-2.25e-2(x-0.68)2

(6)

其中,k为透水系数,mm/s;x为4.75 mm～9.5 mm再生骨料的质量占比,%。

4 粉煤灰对透水混凝土抗压强度和透水性的影响

粉煤灰是影响透水混凝土的一个重要因素,适量粉煤灰的添加可以有效降低混凝土的用水量。粉煤灰的颗粒形状呈现球形,在搅拌混凝土的过程中,粉煤灰降低了细、粗骨料颗粒相互间的摩擦力。粉煤灰的颗粒还能填充在水泥颗粒的间隙间,有效释放出结构内的水分,随着透水混凝土的用水量逐渐增加,粉煤灰可以增大水泥浆体流动性,从而改善混凝土的保水性和黏聚性。对于同一种品质的粉煤灰,不同的掺入量对透水混凝土的性能影响也有区别。品质越好,细度越细的粉煤灰可以有效改善透水混凝土的保水性和黏聚性。相反,品质较差,细度较粗的粉煤灰需水量则会增大,使混凝土拌合物的和易性变差。

4.1 粉煤灰对透水混凝土抗压强度影响

通过统计多位学者[21-26]对不同粉煤灰掺量的透水混凝土抗压性能的研究结果,分析不同粉煤灰掺量的透水混凝土抗压强度变化规律如图7所示。由图7可知,随着粉煤灰掺量的增加,当掺量低于胶凝材料质量的25%时,对透水混凝土的抗压强度的影响不大;随着粉煤灰掺加量继续增大,混凝土的抗压强度逐渐减小。而当粉煤灰掺入量逐渐增加到25%～30%范围时,混凝土的抗压强度呈现明显的增大,当掺量达到约30%时,28 d抗压强度达到峰值,说明适量的粉煤灰可以减小反应的用水量,提高强度。此后,再增大粉煤灰掺量,则透水混凝土的抗压强度不增反减,即粉煤灰掺量存在一个合理范围,过多的粉煤灰掺量意味着胶凝材料水泥被粉煤灰过多替代,即水泥含量减少过多,导致混凝土硬化速度变慢、强度降低。

将上述数据进行回归分析,试验结果与式(7)所示表达式有较好的关联性。

fc=17.13+10.82e-2(x-0.31)2

(7)

其中,fc为抗压强度,MPa;x为粉煤灰掺量(替代胶凝材料的质量比),%。

4.2 粉煤灰对透水混凝土透水性影响

粉煤灰掺量对透水混凝土透水系数的影响规律见图8。由图8可知,随着粉煤灰掺量的增加,透水混凝土的透水系数呈现减小的规律。掺入粉煤灰,参与二次水化反应生成的水化硅酸钙与水化铝酸钙晶体堵住了透水混凝土中的微小孔隙,从而使得有效孔隙率减小,导致透水混凝土的透水系数整体降低。透水混凝土的透水系数在粉煤灰掺量为35%时达到了最低值。而当粉煤灰掺量超过35%时,随着粉煤灰掺加量继续增大,混凝土的透水系数逐渐增大,可能的原因是混凝土的水泥含量过少,二次水化反应减缓,使水泥与粉煤灰产生的水化产物减少,结构密实度降低,导致混凝土的透水系数呈现增大趋势。

将上述数据进行回归分析,试验结果与式(8)所示非线性方程有较好的关联性。

k=0.085x2-0.76x+12.626

(8)

其中,k为透水系数,mm/s;x为粉煤灰掺量,%。

5 结论

通过广泛的文献调研国内外学者的研究成果,本文研究了透水混凝土的抗压强度、透水性能与水灰比、骨料级配、掺合料之间的影响规律,以期方便快捷的服务于各类工程应用,主要结论如下:

1)随着水灰比的升高,透水混凝土的抗压强度呈现先升高后下降的趋势,水灰比为0.29～0.33,均有较好的抗压强度,其中水灰比为0.31时抗压强度达到峰值;水灰比的持续增大,其透水系数呈现线性下降趋势。

2)双级配的透水混凝土,随着4.75 mm～9.5 mm的骨料粒径占比增大,透水混凝土的抗压强度呈现先增大后减小的趋势,当粒径为4.75 mm～9.5 mm和9.5 mm～16 mm的骨料以4∶1的比例混合时,透水混凝土的抗压强度达峰值。随着4.75 mm～9.5 mm的骨料粒径占比增大,其透水系数呈现非线性下降趋势。

3)对于再生骨料透水混凝土,随着4.75 mm～9.5 mm的再生骨料粒径占比增大,透水混凝土的抗压强度总体上呈现先增大后减小的趋势,当粒径为4.75 mm～9.5 mm和9.5 mm～16 mm的再生骨料以3∶2的比例混合时,再生骨料透水混凝土的抗压强度达峰值。随着4.75 mm～9.5 mm的再生骨料粒径占比增大,其透水系数呈现先减少再增加的趋势;粒径4.75 mm～9.5 mm和9.5 mm～16 mm的再生骨料以3∶2和4∶1的比例混合时透水系数较低。

4)随着粉煤灰掺量的增加,透水混凝土的抗压强度呈现先增后减的趋势。当粉煤灰掺入量逐渐增加到25%～30%时,透水混凝土的抗压强度呈现明显的增大趋势,当粉煤灰掺量为30%时,透水混凝土的28 d抗压强度达到最大值;而对于透水混凝土的透水系数呈现先减后增的规律,粉煤灰掺量约为35%时透水系数最低,超过该临界值后,透水系数逐渐增大。