高性能聚合物改性多孔混凝土渗透性与强度研究

冯　春

(新疆交通职业技术学院， 新疆 乌鲁木齐　830000)



高性能聚合物改性多孔混凝土渗透性与强度研究

冯春

(新疆交通职业技术学院， 新疆 乌鲁木齐830000)

[摘要]多孔混凝土是一种具有显著生态及环境效益的绿色环保混凝土。使用3种单一粒径的石灰岩集料(13.5，9.5，4.75 mm)和一种聚合物(SBR乳胶)来制备多孔混凝土。通过孔隙率试验，渗透系数试验，抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验来评估制得的高性能多孔混凝土。研究结果表明，使用乳胶，天然砂和纤维能够生产出具有足够排水性能和强度的高性能多孔混凝土，乳胶和砂均会降低多孔混凝土的孔隙率和渗透性，且增加多孔混凝土的强度，仅添加乳胶能够提高多孔混凝土的劈裂强度，纤维对多孔混凝土的强度特性并没有显著的影响。

[关键词]聚合物； 混凝土； 生态路面； 公路工程

1概述

多孔混凝土(PC)是硅酸盐水泥、单一粒径的粗集料、少量或不含细集料和水的混合物。使用适量的水和胶凝材料来形成一个浆体薄层裹覆集料颗粒表面，使他们之间有自由空间。从而在多孔材料中形成孔[1，2]。多孔混凝土在多个国家已经使用超过30 a，特别是在美国和日本。在美国使用越来越多是因为其各种环境效益，如控制雨水径流，恢复地下水供应，且减少水和土壤的污染[3-5]。与此同时，它可能减少城市的热岛效应且可用于降低道路的噪音[5，6]。

多孔混凝土不含有或含有少量的细集料，使用适量的水泥浆体来裹覆和黏结集料颗粒来形成一个高孔隙率和连通的孔隙，从而能够迅速排出雨水。一般来说，PC的孔隙率在15%～25%之间，渗透系数一般为2～6 mm/s[5，7]。然而在常规PC中高孔隙率往往导致强度降低。常规多孔混凝土的低强度不仅限制了其在重载交通公路的应用，也影响结构的稳定性和耐久性，如易于受到霜冻损害和抗化学腐蚀能力较差。因此，低强度的PC只能在一些场合使用，如人行道，停车场，休闲广场和常规路面的底基层[8-10]。先前的研究表明，级配、集料的粒径和集料与水泥的质量比是影响PC孔隙率、渗透性和抗压强度的主要因素。水灰比对PC的性质有较小的影响[12]。使用较小粒径的集料能够增加混凝土单位体积内集料颗粒的数量，集料的比表面积，黏结面积，这最终导致多孔混凝土强度的提高。尽管国内外对多孔混凝土做了大量研究，但其强度和渗透性仍不能满足现实应用的要求，这大大限制了这种环境友好型路面材料的推广和应用。本文旨在通过使用合适选择的集料，细集料混凝土和有机增强剂，且通过调整混凝土的拌合比例，制备出具有一定强度和渗透性的高性能多孔混凝土。

2实验室试验

2.1材料

在该试验中选择普通I型硅酸盐水泥。粗集料考虑单一粒径3种级配的石灰岩：13.2 mm，9.5 mm和4.75 mm。根据表1列出的ASTM规范测量粗集料的特性。该研究中使用的河砂粒径分布见图1。

表1 粗集料的特性Table1 Propertiesofcoarseaggregate集料粒径/mm密度/(kg·m-3)毛体积密度/(g·cm-3)表观密度/(g·cm-3)吸水率/%孔隙率/%13.214242.7602.7970.47419.513922.7572.8000.55424.7513722.7612.8120.6740

图1　河砂的粒径分布Figure 1　Grain-size distribution of river sand

为提高多孔混凝土的强度，在混凝土中添加乳胶聚合物，丁苯橡胶(SBR)。除了乳胶，聚丙烯纤维也添加到混凝土中以进一步提高多孔混凝土的力学特性。聚丙烯纤维具有如下的特性和有点：抑制和控制混凝土中内部裂缝的形成；增强抗冲击力，增强抗粉碎力，并提高耐久性。聚丙烯纤维不含重新加工的烯烃材料，平均长度为20 mm。

2.2混凝土配比

控制组多孔混凝土由硅酸盐水泥，水和3种级配的粗集料组成。为提高PMPC的整体行为，乳胶，纤维和细集料(天然砂)添加到混凝土中。配比如表2所示。对照组基本配比为水泥∶粗集料∶水=1∶4.5∶0.35(重量比)。当在混凝土中添加乳胶和/或细集料，乳胶的固体部分用来取代10%的水泥，且用天然砂取代7%的粗集料(按重量比)。PMPC的性能和特性与常规的多孔混凝土进行了比较。

表2 聚合物改性多孔混凝土的配比Table2 MixproportionsforPMPCkg/m3集料混凝土类别水泥乳胶粗集料河砂水纤维无砂13.2mmA320.11440.8112.1B314.731.51416.693.6C320.11440.8112.10.9D314.731.51416.693.60.99.5mmA330.31486.9115.6B324.832.51461.996.6C330.31486.9115.60.9D324.932.51461.996.60.94.75mmA352.61586.9123.4B346.734.71560.3103.1C352.61586.9123.40.9D346.734.71560.3103.10.9有砂13.2mmA300.61352.694.7105.2B295.829.61331.093.287.9C300.61352.694.7105.20.9D295.829.61331.093.287.90.99.5mmA311.91403.698.3109.2B306.930.71381.296.791.3C311.91403.698.3109.20.9D306.930.71381.296.791.30.94.75mmA329.81483.9103.9115.4B324.532.51460.3102.296.5C329.81483.9103.9115.40.9D324.532.51460.3102.296.50.9 注:A为控制组;B为乳胶改性;C为添加纤维;D为添加乳胶和纤维。

2.3试样制备

使用机械拌合机拌合多孔混凝土，通过采用标准的滚筒压实成直径为152 mm，高度为305 mm的圆柱体试样。在标准的水分养护室内进行养护，直到测试所需的龄期。除了抗压试验，在试验前将试样切割成大约76 mm厚的小试样进行其他的试验。

2.4测试方法

2.4.1孔隙率试验

为了获得孔隙率，有必要知道压实混凝土的毛体积。因为多孔混凝土具有大量连通的孔隙，并不适合使用水中重法来获得毛体积。CoreLok真空包装密封设备常用来测量沥青混合料的比重，在该研究中用来获得多孔混凝土试样的有效孔隙率。根据ASTM D7063方法进行试验。

2.4.2渗透性试验

本研究中使用Huang等人开发了排水沥青混合料(与多孔混凝土在功能上相似)渗透性测量设备和方法[14]。该试验中，使用变水头法。从Huang等人的论文[14]从两个压力传感器获得水头差与时间的曲线。根据图2和图3，可以获得伪渗透系数K’和形状系数m。基于这个结果，水力梯度和排出速度之间的关系为v=7.620 8i0.353 8，因此K’为7.621 mm/s。

图2　水头与时间的关系Figure 2　Hydraulic head vs. time

图3　水力梯度与排水速度的关系Figure 3　Hydraulic gradients vs. discharge velocity

2.4.3抗压强度

根据ASTM C39试验方法测试7 d龄期的抗压强度。在INSTRON加载结构上对3个平行直径为152 mm高度305 mm圆柱体试样进行抗压强度试验。

2.4.4劈裂抗拉强度

对直径为152 mm厚度为76 mm的3个平行的圆柱体试样进行劈裂抗拉试验。根据ASTM C496/C496M试验方法采用MTS加载进行该试验。连续记录垂直荷载且通过该试验获得劈裂抗拉强度。

3结果和讨论

3.1孔隙率

图4给出了所有多孔混凝土孔隙率试验结果，及乳胶对孔隙率的影响。可以看出：大多数混凝土孔隙率的范围在20%到30%之间，这是可接受的范围。3个不同粒径的粗集料表现出相似的孔隙率，表明集料级配对孔隙率结果并没有显著的影响。

图4　乳胶对孔隙率的影响Figure 4　Effect of latex on porosity

3.2渗透性

渗透性结果和添加乳胶对多孔混凝土渗透性影响的结果如图5所示。从图5可以明显看出：所有多孔混凝土的渗透系数值在10，20 mm/s之间，足以用于路面结构的排水层。集料的级配对渗透性并没有显示出一致的影响。采用3个不同粒径集料制备的混凝土表现出相似的渗透性值。根据图5，乳胶，天然砂和纤维对渗透性的影响与对孔隙率的影响相似。尽管添加砂和乳胶会导致渗透性的降低，然而该渗透系数值对一般的排水需求是可接受的。

图5　乳胶对渗透系数的影响Figure 5　Effect of latex on permeability

3.3抗压强度

乳胶，砂和纤维对抗压强度的影响如图6所示。如预期的一样，粗集料粒径越小，抗压强度越高。很明显，添加砂或乳胶均能提高多孔混凝土的抗压强度。添加天然砂增加了水泥砂浆的量，从而增加了邻近集料颗粒之间的接触面积。之后接触面积的增加将导致强度的提高。添加乳胶也增加了邻近集料颗粒之间的接触面积。更重要的是，乳胶与水泥水化产物的混合形成2个相互渗透的基体，一起作用，从而导致强度提高[15]。从图6(a)可以看出：乳胶和砂的结合效应导致抗压强度的进一步增加。

图6(b)可以看出：纤维对抗压强度似乎仅有微弱的影响。当在控制组混凝土中添加纤维(不添加乳胶或砂)，纤维显著提高了抗压强度。然而，当砂和/或乳胶也添加到混凝土中，添加纤维并没有进一步提高强度(见图6)。降低有效性的原因之一是该研究中使用的纤维在混凝土中不能完全地分散和均匀地分布。

图6　抗压强度结果的比较Figure 6　Comparisons of compressive strength results

3.4劈裂抗拉强度

图7比较了乳胶，砂和纤维对劈裂抗拉强度的影响。与抗压强度类似，含有较小粒径集料的混凝土具有较高的劈裂抗拉强度。从图7可以看出：砂对劈裂强度的影响并没有对抗压强度的影响大。添加砂的混凝土有时甚至与未添加砂的混凝土相比具有较低的劈裂抗拉强度。然而，乳胶仍能显著提高多孔混凝土的劈裂抗拉强度。这是由于在乳胶和水泥硬化产物混合及相互渗透过程中乳胶网络的形成[15]。与脆性水泥浆体不同，乳胶网络抗拉能力相对较强，这有助于显著提高多孔混凝土的劈裂抗拉强度。

图7　抗拉强度结果的比较Figure 7　Comparison of tensile strength result

从图7(b)中可以看出：纤维对劈裂抗拉强度的影响类似与对抗压强度的影响。添加纤维导致控制组混凝土的劈裂抗拉强度显著提高。然而，添加砂和/或乳胶抑制了纤维的有效性。在含有砂和/或乳胶的多孔混凝土中使用纤维并没有使劈裂强度得到提高。

4结论

① 使用乳胶，天然砂和纤维能够生产出具有足够排水性能和强度的高性能多孔混凝土。乳胶和砂均会降低多孔混凝土的孔隙率和渗透性，且增加多孔混凝土的强度。然而，仅添加乳胶能够提高多孔混凝土的劈裂强度。

② 在该研究中，纤维对多孔混凝土的强度特性并没有显著的影响。这是因为纤维在多孔混凝土中并没有得到完全和均匀地分散。为使纤维能够在混凝土中得到良好的分散建议使用专门方法。例如，使用短纤维也许更易于使纤维在混凝土中得到均匀地分布。

③ 这是对聚合物改性对多孔混凝土性能影响(着重强调了渗透性和强度)的初步研究。未来将进一步研究聚合物改性多孔混凝土的耐久性，以评估PMPC的耐磨性。改性多孔混泥能否适应于重载交通公路仍值得进一步研究。

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High Performance Polymer Modified Porous Concrete Permeability and Strength

FENG Chun

(Transportation Vocational Technical College in Xinjiang Urumqi City， 830000， China)

[Abstract]Porous concrete is a kind of significant ecological and environmental benefits of green concrete.This article USES three kinds of single particle size of limestone aggregate(13.5 mm，13.5 mm and 4.75 mm)and a polymer(SBR latex)to the preparation of porous concrete.By porosity test，permeability test，compressive strength and splitting tensile strength test to evaluate the high performance of porous concrete system.Research results show that the use of latex，natural sand and fiber can be produced with sufficient drainage properties and strength of porous concrete and high performance emulsion and sand can reduce the porosity and permeability of porous concrete，and increase the strength of the porous concrete，only add latex can improve the cleavage strength of porous concrete，fiber strength characteristics of porous concrete and no significant effect.

[Key words]polymer； concrete； ecological road； highway engineering

[中图分类号]U 414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)01-0085-04

[作者简介]冯春(1972-)，女，重庆人，硕士，副教授，研究方向：路面结构及材料。

[基金项目]新世纪优秀人才支持计划资助(NCET-13-0276)；重庆市自然科学基金项目(CQ2014EEM011)

[收稿日期]2014-11-26