透水混凝土力學性能及透水性能影響因素分析

陳德紹,賴世錦

(柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學院,廣西 柳州 545616)

0 引言

近年來,透水混凝土因其優(yōu)良的透水、透氣及吸附性等特點,逐漸在我國海綿城市透水鋪裝工程中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。然而,透水混凝土雖具備高透水性,但自身強度較低,導致其難以得到大規(guī)模應(yīng)用[3]。因此,深入研究透水混凝土性能,解決其強度不足問題,對于拓寬透水混凝土的應(yīng)用范圍具有重要意義[4]。

國內(nèi)外學者針對透水混凝土強度及透水性能展開了大量研究,如楊利香等[5]發(fā)現(xiàn)采用單粒級再生骨料配制透水混凝土,其抗壓強度隨骨料粒徑增大呈先增大后減小的趨勢,采用級配再生骨料配制透水混凝土,其抗壓強度隨級配再生骨料空隙率減小呈增大趨勢。陳守開等[6]采用灰色理論結(jié)合熵權(quán)法對纖維改性再生骨料透水混凝土進行了綜合評價,發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維摻量為0.3%時,綜合評價指標最高,再生骨料透水混凝土的整體性能最佳。豐瑛[7]從透水混凝土制備技術(shù)工藝的角度展開論述,探討不同成型方法對透水混凝土相關(guān)性能的影響,討論了不同成型方法的優(yōu)勢及用途,并提出意見和建議。李慧敏等[8]研究了骨料粒徑與礦物摻合料對透水混凝土強度和透水性的影響規(guī)律,提出了透水混凝土配合比優(yōu)化方法,為透水混凝土的應(yīng)用和海綿城市的發(fā)展打下基礎(chǔ)。目前,學者關(guān)于透水混凝土性能的研究成果已比較完善,但關(guān)于力學性能與透水性能相結(jié)合的研究還有待進一步深入?；诖?本文通過室內(nèi)對比試驗,研究了不同配合比設(shè)計參數(shù)對透水混凝土強度及透水性能的影響規(guī)律,并給出了各配合比參數(shù)的合理取值范圍。

1 原材料

試驗水泥選用P·O42.5R普通硅酸鹽水泥,其各項技術(shù)指標如表1所示。粗骨料選用破碎性石灰?guī)r碎石,經(jīng)洗凈、曬干及篩分機篩分處理后,得到粒徑為5～10 mm和10～16 mm的骨料,其技術(shù)指標如表2所示。礦物摻和料選用Ⅱ級粉煤灰,其密度為2.16 g/cm3,細度為28.7%,燒失量為5.8%,含水率為0.6%,塑性指數(shù)為3.2。減水劑選用聚羧酸高效減水劑,淺黃色液體,相對密度為1.02 g/cm3,氯離子含量<0.2%,含固量為24%,減水率>25%。拌和水采用生活自來水。

表1 水泥技術(shù)性能表

表2 石灰?guī)r碎石技術(shù)性能表

2 試驗方案及配合比設(shè)計

2.1 試驗方案

力學性能測試:參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2016)規(guī)范要求,采用電液伺服萬能試驗機測試試件28 d抗壓強度,加載采用位移控制,加載速度控制為0.01 mm/s,試件抗壓強度取3次測試結(jié)果平均值。

透水性能測試:透水混凝土試件的滲透系數(shù)采用水頭法測試,測試前采用自黏性錫紙密封試件四周,放入透水裝置后采用防水膠泥密封試件與裝置接觸部位,保證試件四周不透水,試件上表面恒定水頭高度保持150 mm,記錄試件下表面60 s內(nèi)出水量,最終滲透系數(shù)取3次測試結(jié)果平均值。透水混凝土滲透系數(shù)按式(1)計算。

(1)

式中:K——滲透系數(shù)(mm/s);

Q——t秒時間出水量(mm3);

L——試件高度(mm);

A——試件過水斷面面積(mm2);

H——恒定水頭高度(mm);

t——測試時間(s)。

2.2 配合比設(shè)計

為研究不同影響因素對透水混凝土性能的影響,設(shè)計水膠比分別為0.22、0.24、0.26、0.28及0.30,孔隙率分別為10%、15%、20%、25%及30%,減水劑摻量分別為1.2%、1.4%、1.6%、1.8%及2.0%,成型方式分別為插搗法、振動法、錘擊法及靜壓成型多組透水混凝土試件,并針對透水混凝土28 d抗壓強度及滲透系數(shù)變化規(guī)律進行對比分析。其中不同水膠比混凝土試件配合比設(shè)計如表3所示。

表3 透水混凝土配合比設(shè)計表

3 結(jié)果與分析

3.1 水膠比

在研究水膠比對透水混凝土性能影響時,保持試件孔隙率為20%和減水劑摻量為1.6%不變,成型方式均采用靜壓成型,針對不同水膠比試件的抗壓強度和滲透系數(shù)進行比較分析,結(jié)果如圖1所示。

圖1 抗壓強度及滲透系數(shù)隨水膠比變化曲線圖

根據(jù)圖1可知,隨著水膠比的增大,透水混凝土的抗壓強度呈先增大后減小趨勢。當水膠比增至0.24時,試件抗壓強度增幅顯著,但水膠比超過0.24后,試件抗壓強度開始不斷減小,其中水膠比由0.22增至0.26時的試件抗壓強度減幅較小,但水膠比超過0.26后,抗壓強度減幅較為明顯,說明水膠比在0.24～0.26時的透水混凝土力學性能較優(yōu)。透水混凝土的滲透系數(shù)隨著水膠比的增大而不斷減小。當水膠比由0.22增至0.30時,滲透系數(shù)由4.5 mm/s降至3 mm/s,下降了近33%,說明水膠比不宜過大。綜合來看,水膠比選擇0.24可保證透水混凝土具有良好的力學性能和透水性能。

3.2 孔隙率

在研究孔隙率對透水混凝土性能影響時,試件水膠比為0.24和減水劑摻量為1.6%保持不變,成型方式均采用靜壓成型,針對不同孔隙率試件的抗壓強度和滲透系數(shù)進行比較分析,結(jié)果如圖2所示。

圖2 抗壓強度及滲透系數(shù)隨孔隙率變化曲線圖

根據(jù)圖2可知,透水混凝土的抗壓強度隨著孔隙率的增大而不斷減小,原因是隨著漿體厚度的減小,會導致骨料與漿體的連接點變?nèi)?從而使得強度降低。當孔隙率由10%增至30%時,抗壓強度由36.2 MPa降至13.5 MPa,抗壓強度下降幅度較大,對其力學性能影響顯著。透水混凝土的滲透系數(shù)隨著孔隙率的增大而不斷增大,當孔隙率由10%增至30%時,滲透系數(shù)由2.7 mm/s增至8.4 mm/s,透水混凝土的透水性能得到顯著提升,說明孔隙率越大越好,但結(jié)合孔隙率對抗壓強度的影響來看,孔隙率不宜過大。透水混凝土選擇20%孔隙率可有效保證其力學性能和透水性能。

3.3 成型方式

在研究成型方式對透水混凝土性能的影響時,試件保持水膠比為0.24、孔隙率為20%及減水劑摻量為1.6%不變,針對不同成型方式試件的抗壓強度和滲透系數(shù)進行比較分析,結(jié)果如圖3所示。

圖3 抗壓強度及滲透系數(shù)隨不同成型方式變化曲線圖

根據(jù)圖3可知,采用不同成型方式的透水混凝土抗壓強度和滲透系數(shù)均有所不同,說明成型方式對透水混凝土的力學性能和透水性能均具有一定影響。對于抗壓強度而言,采用插搗法成型的透水混凝土抗壓強度最低,錘擊法、振動法和靜壓成型的抗壓強度分別較之提高12.2%、19.6%和36.3%,其中采用靜壓成型的透水混凝土力學性能較優(yōu)。對于滲透系數(shù)而言,采用振動法成型的透水混凝土滲透系數(shù)最低,錘擊法、插搗法和靜壓成型的抗壓強度分別較之提高13.8%、47.2%和41.7%,其中采用插搗法和靜壓成型的透水混凝土透水性能較優(yōu)。綜合來看,采用靜壓成型的透水混凝土力學性能和透水性能更優(yōu)。

3.4 減水劑

在研究減水劑對透水混凝土性能影響時,試件保持水膠比為0.24和孔隙率為20%不變,成型方式均采用靜壓成型,針對不同減水劑摻量試件的抗壓強度和滲透系數(shù)進行比較分析,結(jié)果如圖4所示。

圖4 抗壓強度及滲透系數(shù)隨不同減水劑摻量變化曲線圖

根據(jù)圖4可知,隨著減水劑摻量的增加,透水混凝土的抗壓強度呈先增大后減小趨勢,當減水劑由1.2%增至1.6%時,抗壓強度由22.7 MPa增至27.8 MPa,增幅近22.5%,而減水劑由1.6%增至2%時,抗壓強度由27.8 MPa降至23.4 MPa,降幅近15.8%,說明減水劑摻量為1.6%的透水混凝土力學性能較優(yōu)。透水混凝土的滲透系數(shù)隨著減水劑摻量的增加而不斷減小,當減水劑由1.2%增至1.6%時,滲透系數(shù)由4.7 mm/s降至4.6 mm/s,降幅較小,但減水劑摻量超過1.6%后,滲透系數(shù)降幅明顯增大,其透水性能顯著降低。綜合來看,減水劑摻量選擇1.6%可保證透水混凝土同時具有良好的力學性能和透水性能。

4 結(jié)語

(1)增大水膠比會使透水混凝土的抗壓強度先增后減,水膠比在0.24～0.26時的透水混凝土力學性能較優(yōu)。水膠比越大,滲透系數(shù)越小,透水混凝土的透水性能越差。

(2)增大孔隙率會使透水混凝土的抗壓強度降低,但滲透系數(shù)會增大,當孔隙率選擇20%時,可有效保證透水混凝土同時具有良好的力學性能和透水性能。

(3)成型方式對透水混凝土的力學性能和透水性能均具有一定影響,其中采用靜壓成型的透水混凝土力學性能較優(yōu),采用插搗法和靜壓成型的透水混凝土透水性能較優(yōu)。

(4)增大減水劑摻量會使透水混凝土的抗壓強度先增后減,滲透系數(shù)則不斷減小,減水劑摻量選擇1.6%可保證透水混凝土同時具有良好的力學性能和透水性能。