透水性混凝土路面材料強度的研究

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  楊 靜 蔣國梁
(清華大學土木工程系,北京 100084)
 [摘 要]本文闡述了透水性混凝土道路材料開發應用的背景與意義,采用小粒徑骨料、礦物細摻料和有機增強劑等方法,提高透水性混凝土道路材料的強度,研制出力學性能符合國家建材行業標準要求、同時具有良好透水性的混凝土道路材料。
[關鍵詞]透水性混凝土; 礦物細摻料; 有機增強劑
[中圖分類號] TU528-37 [文獻標識碼] A [文章編號]1002-3550(2000)10-0027-04
1 研究背景與目的
  隨首我國經濟的發展和城市建設步伐的加快,現代城市的地表逐步被建筑物和混凝土路面覆蓋。便捷的交通設施,平整鋪設的道路給人們的出行帶來了極大的方便,但這些不透水的路面也給城市的生態環境帶來諸多負面的影響。由于混凝土鋪筑的路面缺乏透水性和透氣性,雨水不能滲入地下,致使地表植物由于嚴重缺水而難以正常生長;不透氣的路面很難與空氣進行熱量、水分的交換,缺乏對城市地表溫度、濕度的調節能力,產生所謂的“熱島現象”。此外,不透水的道路表面容易積水,降低道路的舒適性和安全性。當短時間內集中降雨時,雨水只能通過下水設施排入河流,大大加重了排水設施的負擔。
  與不透水的路面相比,透水性路面具有諸多生態方面的優點,具體表現在以下幾方面。
  (1)雨水能夠迅速地滲入地表,還原成地下水,使地下水資源得到及時補充;
  (2)提高地表的透氣、透水性,保持土壤濕度,改善城市地表生態平衡;
  (3)吸收車輛行駛時產生的噪聲,創造安靜舒適的交通環境。雨天能防止路面積水和夜間反光,改善車輛行駛、以及行人行走的舒適性與安全性;
  (4)透水性路面材料具有較大的孔隙率,能蓄積較多的熱量,有利于調節城市地表的溫度和濕度,消除熱島現象。
  由于透水混凝土路面材料具有以上諸多生態方面的優良優點,在人類尋求與自然協調、維護生態平衡和可持續發展的思想指導下,歐美、日本等一些發達國家從80年代開始研究開發透水性路面材料,并將其應用于廣場、步行街、道路兩側和中央隔離帶、公園內道路以及停車場等,增加城市的透水、透氣空間,對調節城市微氣候、保持生態平衡起到了良好的效果[1]。90年代以來,國內對透水性混凝土路面材料開始進行了研究,但是到目前為止仍沒有達到實際應用的程度。除了人們的認識、地基處理、施工方法等原因之外,產品本身的性能也沒有達到十分完善的程度。與密實的混凝土道路材料相比,透水性混凝土的強度較低,為了使其具有透水性,在混凝土內部必須保持一定的孔隙率,這樣就必然降低材料的強度。現有的研究一般采用與普通混凝土相同的原材料,所配制的透水性混凝土其抗壓強度一般只能達到20MPa左右[2,3]。而現行的國家標準對人行道路磚的強度要求優等品為30MPa[4]。本研究采用優化骨料、調整配比、摻入礦物細摻料、有機增強劑等方法,使透水性混凝土的強度得到了提高,為該類生態型道路材料走向實用化奠定基礎。
2 透水性混凝土的結構模型與破壞特征
  透水混凝土的配比特點是采用單粒級粗骨料作為骨架,水泥凈漿或加入少量細骨料的砂漿薄層包裹在粗骨料顆粒的表面,作為骨料顆粒之間的膠結層,形成骨架——空隙結構的多孔混凝土材料,其結構模型如圖1所示。由圖1可以看出,透水性混凝土是粗骨料顆粒間通過硬化的水泥漿薄層膠結而成的多孔堆聚結構,內部含有較多的孔隙,且多為直徑超過1mm的大孔,因此具有良好的透水性,如圖2所示,但同時強度比普通混凝土低很多。
  根據結構模型可知,透水性混凝土受力時通過骨料之間的膠結點傳遞力的作用,由于骨料本身的強度較高,水泥凝膠層很薄,水泥凝膠體與粗骨料界面之間的膠結面積小,因此其破壞特征是骨料顆粒之間的連接點處破壞。因此在保證一定孔隙率的前提下,增加膠結點的數量和面積,提高膠結層的強度是提高透水性混凝土強度的關鍵。


3 提高透水性混凝土強度的試驗方案
  根據上述分析,本研究擬訂從優化原材料、調整配比、摻入礦物細摻料和有機增強等幾方面的措施來提高透水性混凝土的強度。
3.1 減小粗骨料粒徑
  骨料粒徑越小,比表面積越大,所形成的結構骨架單位體積內骨料顆粒之間的接觸點數量多,膠結面積越大,從而提高透水混凝土的整體強度。
3.2 摻入礦物細摻料和高效減水劑
  由于包裹骨料的水泥漿層較薄,水泥凝膠體與骨料之間的過渡區所占比重較大,而水泥硬化體內部含有較多的毛細孔和微裂縫,因此水泥凝膠體的強度及膠結能力較低。借鑒高性能混凝土中摻入平均粒徑只有0.1~1.2微米礦物細摻料,提高混凝土密實度、減小過渡區的經驗,本研究在水泥漿中摻入少量的礦物細摻料,同時使用高效減水劑使其分散,填充于水泥凝膠體的毛細孔和微裂縫中,達到提高膠結強度的目的。
3.3 采用有機增強劑改善表層強度
  作為路面材料,通常要求表層具有良好的耐磨性和平整度。按常規方法配制的透水性混凝土,水泥凝膠體與骨??帕V淶慕航崆慷冉系?,處于表層的骨料顆粒很容易脫落,而使道路表面凹凸不平。為提高透水性混凝土表層的耐磨性以及凝膠體對骨料顆粒的握裹力,本研究采用有機增強劑,利用其微填充、阻裂和提高粘結力的作用,大大改善骨料與水泥凝膠體之間界面的性質,從而提高透水性混凝土表層的力學性能。
4 試驗方法與結果分析
4.1 原材料
  本研究采用以下原材料。
  (1)水泥 冀東525R型普通硅酸鹽水泥。
  (2)骨料 采用表1所示的四種粒徑的骨料。其中骨料Ⅰ是用于基層的粗骨料,骨料Ⅳ是用于基層的細骨料;骨料Ⅱ、Ⅲ用于透水混凝土路面面層。
表1試驗用骨料的粒徑范圍
編號
粒度分布 5~10mm 2.5~5mm 1.25~2.5mm 0.6~1.25mm
類別 碎石 河砂 河砂 河砂
 
  (3)硅灰 貴州遵義鐵合金廠產山鷹牌微硅粉,比表面積18000m2/kg左右,平均粒徑0.1μm。
  (4)高效減水劑 北京城建集團構件廠產DFS-2高效減水劑
  (5)有機改性劑 A劑(乙酸乙烯酯—乙烯共聚乳液)、B劑(聚乙烯醇縮甲醛)。
4.2 試件制備及養護
  試件的制作采用加壓成型工藝,成型壓力為1.5MPa。對于由基層和面層復合而成的試件,采用兩次布料,一次加壓的工藝。成型后表面覆蓋塑料薄膜以防止水分散失,24小時后拆模放入養護室,在標準條件下養護至28天齡期。試件的尺寸規格為:10cm×20cm×6cm(用于抗壓試驗),10cm×30cm×6cm(用于抗折試驗),10cm×10cm×6cm(用于測透水系數)。
4.3 性能測試方法
  (1)抗壓強度
  參照建材行業標準JC446-91測定試件的抗壓強度。采用液壓式萬能壓力機加壓,受壓面積為120cm×60cm,加載速度為0.3~0.5MPa/s,抗折強度取5個試件結果的平均值。
  (2)抗折強度
  參照標準JC446-91測定試件的抗折強度。在液壓式萬能壓力機上進行,采用“三點法”破型,跨距為24cm,加載速度約為0.1~0.2MPa/s,抗折強度取5個試件結果的平均值。
  (3)透水系數
  采用自行設計的透水儀,見圖3。該設備為兩端開口的有機玻璃方框,尺寸為10cm×10cm×30cm。透水儀正面刻有刻度(單位:cm),可用于計量。測量前,先將試件四周用蠟封好,然后將透水儀置于試件上方,透水儀和試件之間用半熱的蠟條封好,待蠟條冷卻后,向透水儀中加水至超過20cm刻度。待水面下降至16cm刻度時開始計時,下降至14cm再計時一次。透水系數按下式計算:
    V=H/Δt
式中 H——水位下降高度,20mm;
   Δt——水從160mm高度降至140mm的時間(s)。

4.4 試驗結果及分析
  (1)硅灰的增強作用
  由表2數據可見,與第1組未摻硅灰的混凝土相比,第2組單摻6%的硅灰后,強度并未提高反而略有下降,透水系數則降低了50%;第3組同時摻入硅灰和高效減水劑,混凝土的強度提高60%以上,而透水系數仍保持在2.9mm/s較高的水平。從試驗結果可以看出,硅灰與高效減水劑同時摻入具有很好的增強作用。硅灰粒徑微細,在水泥凝膠體中具有微填充作用,使骨料與水泥漿體的界面強度得到改善,宏觀上則表現出整體強度大幅度增加。但是硅灰必須和高效減水劑同時使用,才能發揮其增強效果。其原因是,在沒有減水劑摻入的條件下,水泥漿體容易形成絮凝結構,將一部分水包裹在絮團之中,硅灰的顆粒更加微細,表面能更大,摻入之后只能使絮凝結構加劇,不僅起不到微填充作用,反而使凝膠體內部含有更多的孔隙。而高效減水劑分子具有很強的表面活性作用,能夠打破漿體的絮凝作用,使微細的粉體顆粒充分分散在漿體中,使硅灰的細小顆粒填充到水泥凝膠體的毛細孔中,實現增強效果。
 
 
表2 硅灰對透水性混凝土的增強
試件編號 集灰比 水灰比 S/G
(%)
SF/(C+SF)
(%)
Aj
(%)
抗壓強度
(MPa)
抗折強度
(MPa)
透水系數
(mm/s)
1-1 3.75 0.28 18 0 0 21.5 3.9 4.0
1-2 4.0 0.28 18 6 0 20.1 3.0 1.9
1-3 4.0 0.22 18 6 0.8 35.5 6.8 2.9
 
  注:G:粗骨料Ⅰ; S:細骨料Ⅳ; C:水泥; W:水; SF:硅灰; Aj:高效減水劑。
  (2)有機增強劑的增強作用
  表3、表4分別表示有機增強劑A、B的摻量變化對透水性混凝土強度的影響??梢鑰闖?,隨著有機增強劑摻量的增加,透水性混凝土的強度也增加。表3中增強劑A的摻量在5~10%之間,強度增加效果不太明顯,當摻量增長至15%后,強度猛然增加并趨于穩定,所以A劑的最大摻量控制在10~15%之間比較合適。表4中增強劑B的摻量在15%~40%之間變化,增強效果都比較明顯,然而變化幅度比較小。因此B劑的最大摻量應控制在15%以下,一方面是從透水性要求考慮,一方面也是為了降低材料的成本。
表3  有機增強劑A的摻量對透水性混凝土增強作用的影響
編號 骨料
種類
集灰比 A的摻量
(%)*
水灰比 透水系數
(mm/s)
7d抗折強度
(MPa)
7d抗壓強度
(MPa)
28d抗壓強度
(MPa)
2-0 3 0 0.30 4.15 15.5 23.3
2-1A 3 5 0.28 0.43 3.70 22.7 40.8
2-2A 3 10 0.28 0.34 4.57 25.1 43.8
2-3A 3 15 0.28 0.27 6.16 26.7 44.4
2-4A 3 20 0.28 0.20 6.30 28.1 46.0
 
  * 增強劑摻量指占水泥用量的百分比,以下相同。
表4 有機增強劑B的摻量對透水性混凝土增強作用的影響
編號 骨料
種類
集灰比 B的摻量
(%)*
水灰比 透水系數
(mm/s)
7d抗折強度
(MPa)
7d抗壓強度
(MPa)
28d抗壓強度
(MPa)
2-0 3 0 0.30 4.15 15.5 23.3
2-1B 3 15 0.35 0.47 5.12 22.7 40.8
2-2B 3 20 0.35 0.36 5.51 25.1 43.8
2-3B 3 30 0.35 0.27 5.76 26.7 44.4
2-4B 3 40 0.35 0.20 5.92 28.1 46.0
 
  有機增強劑對透水性混凝土的增強作用是通過在骨料與水泥凝膠體的界面區形成具有較高粘結力的膜,并堵塞砂漿內的孔隙來實現的。水泥水化與有機物的成膜同時進行,最后形成水泥漿與有機膜相互交織在一起的互穿網絡結構,這種結構使得骨料顆粒與水泥凝膠體牢固地粘結在一起,從而使混凝土的強度大幅度增加。
  (3)骨料粒徑對強度的影響
  由表5中的數據可以看出,使用較小粒徑的骨料Ⅲ,同時降低集灰比,即水泥用量相應提高,抗折、抗壓強度可以得到一定提高,例如3-2A組試件的強度略高于3-1A,3-2B組的強度高于3-1B組;但是如果只單純地降低骨料粒徑,而集灰比不變,則混凝土的強度反而降低,表5中3-3A組、3-3B組試件的強度測定值就說明了這一點。其原因是采用較小粒徑的骨粒,骨料的比表面積增大,如果水泥用量不變,則包裹骨料的水泥漿體減小,骨料與水泥石之間的粘結強度降低,所以混凝土整體強度降低。所以在采用較小粒徑骨料的同時,適當增加水泥用量,使得水泥漿足以包裹骨料,形成良好的界面粘結狀態,則混凝土單位體積內骨料之間的粘結點增多,能夠使整體強度有所增加。
表5 骨料粒徑對透水性混凝土強度的影響
編號 骨料種類 有機增
強劑
集灰比 水灰比 抗折強度
(MPa)
7天抗壓強度
(MPa)
3-1A A 3.5 0.28 5.41 22.5
3-2A A 3.0 0.28 5.69 22.9
3-3A A 3.5 0.28 4.32 18.2
3-1B B 3.5 0.35 4.44 22.0
3-2B B 3.0 0.35 5.12 28.1
3-3B B 3.5 0.35 4.09 18.0
 
5 結 論
  由以上試驗結果及其分析,可得出以下幾點結論。
  (1)由于透水性混凝土內部含有較多的孔隙,采用常規的材料很難達到較高的強度;
  (2)采用礦物細摻量,并配合使用高效減水劑,能夠使透水性混凝土的強度提高60%左右,配制的路面磚抗壓強度可以達到35MPa以上,可以作為人行路、輕車路材料使用;
  (3)采用有機增強材料,可使透水性混凝土材料的抗壓強度達到40MPa以上,從強度指標上可滿足車行道路面材料的使用要求;
  (4)采用較小粒徑的骨料可以提高透水性混凝土的強度,但必須同時調整水泥用量。
[參考文獻]
[1]楊靜,蔣國梁.一種生態型道路材料——透水性混凝土.《水泥基復合材料科學與技術》.1999.10.
[2]王武祥等.透水性混凝土的性能與應用.《中國建材科技》.Vol.3,No.4,1994.8.
[3]王武祥.透水性混凝土強度的研究.《中國建材科技》.Vol.6,No.3,1997.6.
[4]國家建筑材料工業局批準發布.建材行業標準JC446-91.《混凝土路面磚》.1992.8.
[作者簡介] 楊靜(1957-),女,副教授,工學博士,建材專業。
[單位地址] 北京市海淀區(100084)
[聯系電話] 010-62785835
A Study on Strength of Pervious Concrete as Pavement Material
Yang Jing, Jiang Guo-liang
(Department of Civil Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)
 〔Abstract〕In this paper,the background and benefit of the exploitation and application of the pervious concrete as pavement material are discussed.Using the small size aggregate,fine mineral admixture or organic intensifier can increase the intensity of the pervious concrete.The mechanics performance of the pervious concrete is up to the standard of the building material trade,and the material has nice water penetrate performance.
 〔Key words〕pervious concrete; fine mineral admixture; organic intensifier
 
 
 
 
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