透水混凝土抗冻融性能试验研究

刘相如,周新刚,张忠杰,宋振宇

(烟台大学土木工程学院 山东 烟台 264005)

透水混凝土是多孔混凝土的一种,是由一系列相连通的孔隙和混凝土实体部分骨架构成的具有透气、透水性的多孔结构的混凝土．与普通混凝土不同,透水混凝土仅有少量的细骨料或不含细骨料,主要靠包裹在粗骨料表面的硬化浆体将骨料胶结在一起．为保证透水性,透水混凝土要求有一定的连通空隙,这些空隙是保证其透水的前提[1]．空隙既是保证透水性的重要参数,也是影响混凝土力学性能的重要参数．目前透水混凝土的一般物理力学性能已有较多研究,蒋正武等研究了若干因素如骨料级配、粒径、目标空隙率、骨灰比、水灰比、外加剂、搅拌工艺等对多孔透水混凝土的空隙率、透水系数与抗压强度等性能的影响,发现骨料粒径与级配是影响多孔透水混凝土性能的关键因素,采用目标空隙率能较好的控制透水性,强度的要求需要通过不同的水灰比来调整,但冻融性能研究的则较少[2-5]．而在受冻融循环影响的北方地区,良好的冻融性能,对延长透水混凝土的使用寿命具有重要意义．因此,研究空隙与物理力学性能的关系、特别是与冻融性能的关系十分重要．透水混凝土的空隙大,空隙结构的连通性较强,其冻融机理及性能与普通混凝土不同．本文使用3种粒径骨料,设置3个目标空隙率,开展透水混凝土抗冻融试验,进一步丰富了透水混凝土抗冻融性能研究．

1 试 验

1.1 原材料

试验所用的骨料参数见表1;水泥采用冀东42.5R普通硅酸盐水泥,水泥的表观密度为3 050 kg·m-3;水采用自来水．

1.2 配合比

本试验采用体积法[6]进行配合比计算,配合比参数见表2．

表1 骨料参数Tab.1 Aggregate parameters

表2 试验配合比Tab.2 Test proportion of mixture

表中,Mg为骨料质量,Mc为水泥质量,Mw为水的质量．

试件制作完成后,标准养护28 d后进行试验．试验中首先测试了各组透水混凝土试件的抗压强度和抗折强度,然后分别进行空隙率、透水系数及冻融性能试验．

1.3 实际空隙率及透水系数测试

采用重量法测试实际空隙率,测试步骤如下:(1)将养护好的透水混凝土试件取出,放在105±5 ℃的干燥箱中24 h烘干,取出后将其冷却至室温,用游标卡尺量出试件的尺寸,并计算其体积V;(2)将试件完全浸泡在水中,待无气泡出现时读取试件在水中的质量m1;(3)取出试块放在60 ℃烘箱中烘24 h后称量试件的质量m2;(4)按公式(1)计算透水混凝土试件的实际空隙率Va,并取每组3个试件的算术平均值作为最终测试结果．

%,

(1)

式中：Va为实测空隙率(%),

m1为试块在水中质量(g),

m2是为试块干重(g),

V为试块实际体积(cm3)．

根据达西定律,采用固定水头法测试透水混凝土的透水系数．测试步骤为:(1)用黄油和胶带将透水混凝土4个面封住．(2)将透水混凝土试件放入透水仪测试桶中,并确保试件与桶内壁紧密接触,发现缺口应用黄油封堵．(3)将测试桶放入溢水槽中,并向测试桶中通水．(4)待溢水槽出水口平稳出水,测试桶中水位稳定,将量筒放置溢水槽出水口,并开始计时．(5)计时3 min时,记下量筒中水的体积,计算透水系数．测试结束后,按照公式(2)计算透水系数：

(2)

式中：KT为水温T℃时的透水系数(mm·s-1),

Q1为t时间内流过透水混凝土试件的水量(mm3),

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L为透水混凝土试件的厚度(mm),

A为透水混凝土试件的横截面积(mm2),

h为水头差(mm),

t为测定时间(s)．

1.4 抗冻融循环性能

由于尚没有透水混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准,参照文献[7]中快冻法进行试验研究,将透水混凝土试件放进冻融循环机,进行冻融循环试验,每25次循环后检查外观破损情况并测其重量及动弹模．当透水混凝土试件质量损失达到5%或者相对动弹模下降到60%以下,试验结束,分析其冻融性能．根据文献[7],本次试验透水混凝土抗冻等级也以相对动弹模量下降至不低于60%或者质量损失率不超过5%时的最大冻融循环次数来确定．

2 试验结果分析

2.1 强度

从表3中数据分析可得,在同一目标空隙率下,骨料粒径越大,透水混凝土强度越低．这主要原因是骨料粒径越大,骨料之间的接触越少,骨料间机械咬合力以及与浆体的粘结力减小．从图1—3的切片照片中可以看到,骨料粒径越大,成型后透水混凝土空隙直径越大,骨料之间的接触越小．除此之外,据表3实验数据计算,在3种骨料粒径下,目标空隙率从11%增大到16%,28 d强度分别降低27.8%、24.8%和21.3%;目标空隙率从16%增大到21%,28 d强度分别降低27.1%、23.6%和19.9%．由此可见,各种骨料粒径情况下,28 d强度降低与目标空隙率增加变化规律基本一致,降低幅度与目标空隙率增加基本呈线性变化,见图4．但从7 d强度变化规律看,目标空隙率的增加并没有显著地降低透水混凝土的7 d强度．

图5—7为同一骨料粒径,但目标空隙率不同的透水混凝土的切片．从图可见,随目标空隙率的增大,不仅空隙数量增大、空隙体积增大,而且空隙的连通性显著增大．由表3知,目标空隙率越大,浆骨比越小,说明骨料周围包裹的浆体越少,骨料之间的界面粘结性能越差,混凝土强度越低．值得注意的是,在骨料粒径分别为4.75～9.50 mm和9.50～16.00 mm 2种情况下,空隙率大的情况下,其抗折强度与抗压强度的比反而比空隙率小的情况大．普通混凝土28 d抗折强度/抗压强度约为1/8～1/7,而试验得到的透水混凝土28 d抗折强度/抗压强度约为1/6～1/4．说明透水混凝土的抗折与抗压强度之比高于普通混凝土,空隙对抗压强度的影响更大．在骨料粒径为16.00～19.00 mm的情况下,虽然空隙率为21%时,抗折与抗压强度的比值最低,但3种骨料粒径的比值基本接近．这说明在大的骨料粒径情况下,虽然空隙率较大,但骨料之间的咬合和嵌连作用较强,使透水混凝土的抗折强度降低的并不明显．综合强度试验结果,空隙率从11%增加到21%,抗压强度降低40%～50%,因此过大的目标空隙率使混凝土抗压强度有较大的降低．

图1 CA1-3组切面Fig.1 Cutting plane of the CA1-3 group

图2 CA2-3组切片Fig.2 Cutting plane of the CA2-3 group

图7 CA1-3组切片Fig.7 Cutting plane of the CA1-3 group

2.2 透水系数及实测空隙率

从表4及图8可见,同一粒径下,随着目标空隙率的增大,水泥用量的减少,骨料之间原来不连通的空隙会逐渐减少同时连通空隙会逐渐变多,空隙直径也会变大,整个骨架透水的通道增多而使其透水系数变大．从图5、图6、图7可见,同一粒径下,随着目标空隙率的增大,切面显示空隙数量变多、直径变大,透水系数逐渐升高,同时试块逐渐变为多空隙的骨架结构．从图9可见,骨料粒径4.75～9.50 mm下,透水系数与目标空隙率基本呈线性关系．

表4 透水系数及实测空隙率Tab.4 Permeability coefficient and measured void ratio

图8 不同组的透水系数Fig.8 Permeability coefficients of different groups

图9 骨料粒径4.75～9.50 mm透水混凝土透水系数与目标空隙率关系Fig.9 Relationship between permeability coefficient and target void ratio of permeable concrete with particle size of 4.75-9.50 mm

在同一目标空隙率的情况下,骨料粒径越大,透水系数越高,说明在相同的目标空隙率情况下,骨料粒径越大,空隙连通性越好．值得注意的是,在骨料粒径大、目标空隙率小的情况下,由于浆体的富集效应,浆体会富集到试件的底部,堵塞了骨料之间的空隙,在试件底部形成了一层较为密实的层,致使透水性较差．表4中CA2-1组、CA2-2组、CA3-1组、CA3-2组就是这种情况．因此,在实际透水混凝土施工中,在目标空隙率较小的情况,应注意防止出现这样的情况．透水混凝土的空隙直径和骨料粒径也有直接关系．从图1、图2、图3中可以看出,在目标空隙率相同的情况下,骨料粒径越大,透水混凝土空隙的数量越少,空隙直径越大,空隙的连通性越好,透水系数越大．

2.3 冻融性能

试验表明,透水混凝土的冻融破坏经历以下几个阶段:表面水泥浆体剥落,见图11．图10为未冻融的试件,图11为冻融试件早期的表面情况,比较图10与图11可见,图11中透水混凝土表面浆体剥落,露出骨料表面;浆体与骨料之间产生裂缝,随着浆体的不断剥落,表层骨料也开始剥落,见图12,棱角部位的骨料开始剥落;最终裂缝不断发展、扩大与贯穿,见图13、图14,直至发生缺损、崩塌,见图15．从冻融破坏形态看,透水混凝土的冻融破坏和普通混凝土的冻融破坏有显著的差别．透水混凝土由于存在较大的空隙,混凝土内部的冻融损伤较早发生,而普通混凝土的内部冻融损伤发生的则较晚．除此之外,透水混凝土发生破坏时,会形成明显的贯通裂缝,而普通混凝土则以形成微细裂缝和表面质量损失为主．

图10 未冻融试块Fig.10 Test block for unfrozen-thaw cycle

图11 试块表面浆体脱落Fig.11 The cement paste on the surface of the test block falls off

根据静水压和渗透压理论[8-10],透水混凝土冻融破坏的主要机理是:在冻结过程中,首先从表面开始冻结,温度继续降低,透水混凝土连通和半连通空隙开始冻结;结冰发生体积膨胀,一方面使混凝土产生拉应力而产生裂缝,另一方面压缩未冻结的水继续向内部孔隙迁移;迁移过程要克服粘滞阻力,产生静水压而削弱浆体的粘结作用．同时,随着水不断向内部迁移,凝胶体中毛细孔中的水也会逐渐结冰,未结冰部分的水会处于过冷状态,形成较高的蒸汽压,使混凝土凝胶体受到较大的渗透压作用而在孔隙周围形成拉应力,导致凝胶体受拉破坏．反复的冻结融化作用,使空隙周围不断产生拉应力、凝胶体与骨料界面发生破坏、凝胶体受拉破坏,最终导致透水混凝土发生冻融破坏．

图12 试块裂缝产生、骨料脱落Fig.12 Test block cracks, aggregates fall off

图13 试块裂缝加深、加宽、延伸Fig.13 Cracks on the test block are deepened, widened, and extended

图14 试块裂缝贯穿Fig.14 Cracks on the test block run through

图15 试块向内部崩塌Fig.15 The test block collapses into the interior

图16和图17分别为透水混凝土质量损失和相对动弹模随冻融循环次数的变化情况．冻融试验中,以质量损失率达到5%或相对动弹模下降到60%为冻融破坏标志．试验表明,所有试件动弹模下降到60%都先于质量损失率达到5%．其中骨料粒径为16.00～19.00 mm的2组试件CA3-1和CA3-2,当动弹模下降到60%以后,很快发生整体断裂．

图16 质量损失率的变化Fig.16 Changes of percent mass loss

图17 相对动弹模的变化Fig.17 Changes of relative dynamic modulus

从图16质量损失率的变化情况可见,随冻融循环次数的增加,质量损失率增大．但在冻融循环次数小于75次时,质量损失率随循环此处的变化相对较小,大于75次则显著增大．各种粒径和目标空隙率的透水混凝土质量损失率随冻融循环次数变化的趋势基本相同,但骨料粒径小的、目标空隙率小的透水混凝土的变化幅度相对较小．

从图17相对动弹模的变化情况可见,各种试件的变化趋势也基本相同,但大粒径骨料、大空隙率的变化幅度较大,而小粒径骨料、小空隙率的变化幅度相对平缓．根据文献[7],试验得到的各种骨料及空隙率的透水混凝土的抗冻融等级见表5．

表5 不同组别透水混凝土冻融等级Tab.5 Resistance class to freezing-thawing of different groups

表5为透水混凝土抗冻融等级随骨料粒径及目标空隙率的变化情况．从表5可见,在同一目标空隙率下,小粒径骨料透水混凝土抗冻融等级高于大粒径骨料透水混凝土;而在同一骨料粒径下,目标空隙率越小,冻融性能越好．骨料粒径4.75～9.50 mm、目标空隙率为11%的透水混凝土的抗冻融等级可以达到F125,抗冻融性能最好;而骨料粒径为16.00～19.00 mm、目标空隙率为21%的只能达到F25,抗冻融性能最差;骨料粒径为4.75～9.50 mm,空隙率为16%的透水混凝土的抗冻融等级与骨料粒径为9.50～16.00 mm、目标空隙率为11%的相同;骨料粒径为4.75～9.50 mm、目标空隙率为21%的透水混凝土的抗冻融性能与其他粒径的目标空隙率为16%的相同．

3 结 论

(1)透水混凝土的强度、抗冻融性能随目标空隙率的增大而降低,在相同目标空隙率情况下,随骨料粒径的增大而降低．但早期强度随目标空隙率及骨料粒径变化不十分明显．透水混凝土抗折强度随目标空隙率增大及骨料粒径的增大也逐渐降低,但抗压强度与抗折强度的比值变化则不十分明显．与普通混凝土相比,透水混凝土的抗折强度与抗压强度之比相对较高．

(2)透水混凝土的抗冻融性能随目标空隙率及骨料粒径的增大而降低．冻融破坏都是动弹模损失率达到了60%而不是质量损失率达到了5%,说明透水混凝土冻融破坏主要是内部冻融损伤造成的．骨料粒径为16.00～19.00 mm的透水混凝土当动弹模下降到60%时,迅速发生整体断裂,即动弹模下降到60%时,大骨料粒径配置的透水混凝土会发生突然的整体破坏．

(3)骨料粒径为4.75～9.50 mm、目标空隙率为11%的透水混凝土,抗压强度可以达到31.7 MPa,抗折强度达到5.8 MPa,透水系数达到1.84 mm·s-1,抗冻融性能可以达到F125,是具有良好性能的透水混凝土．骨料粒径为4.75～9.50 mm、目标空隙率为16%的透水混凝土,其透水系数明显提高,能到达2.69 mm·s-1,抗压强度能达到22.7 MPa,抗折强度能达到4.8 MPa,抗冻融性能为F100,虽然比目标空隙率为11%的差,但各项性能相对也较好．骨料粒径为9.50～16.00 mm的透水混凝土,只有当目标空隙率为11%时,其性能相对较好,其他情况则较差．骨料粒径为16.00～19.00 mm的各种目标空隙率以及小骨料粒径情况下的目标空隙率为21%的透水混凝土的性能都较差．

(4)当骨料粒径增大时,施工时容易出现浆体富集在透水混凝土底部的问题,使透水系数降低,因此,为保证良好的透水性能及力学性能,透水混凝土宜选用粒径较小的骨料,目标空隙率应控制在15%以下．