净浆特性对透水混凝土拌和物及硬化后孔隙分布的影响

史 迅，王亚萍，焦 凯，陈 晨，马强强

(中国水利水电第三工程局有限公司，西安 710024)

0 引 言

透水混凝土是一种人为引入大量连通孔隙的生态友好型混凝土，由胶凝材料包裹粗骨料相互粘结而成。透水混凝土特殊的多孔结构，具有透水、透气、吸声降噪等作用[1-2]，其作为一种重要的绿色混凝土，常被用于解决城市内涝、优化城市生态环境、促进水循环等一系列问题。现有研究表明，透水混凝土力学性能与透水性能存在矛盾，孔隙率每提高1%，抗压强度会降低3%，故如何同时提高其力学性能和透水性能是透水混凝土推广应用的关键[3]。透水混凝土一般无细骨料，骨料颗粒之间呈“点接触”[4-5]，其强度主要依靠骨料之间的嵌锁和骨料与胶凝材料界面粘结两方面[6]。浆体的流动度、粘度以及自身的强度对骨料包裹的均匀性以及接触点的粘结程度都有显著的影响，从而影响其在成型过程中是否会发生沉底、离析等现象，这些将直接关系到硬化后透水混凝土的强度和孔隙率[7-9]。Sonebi 等[10]对透水混凝土配合比设计参数进行统计建模，通过设计合理的水灰比来控制浆体的流动度。Zhong等[11]利用不同胶凝材料组分控制浆体的状态，进而控制骨料与浆体粘结程度，并提出可用此原理选取胶凝材料的组分。刘远祥等[12]研究了不同因素对透水混凝土挂浆厚度的影响，并提出了挂浆厚度的试验和计算方法。姜骞等[13]提出浆体的粘聚性有助于浆体均匀包裹骨料，提高孔隙结构的均匀性。陈潇等[14]研究了浆体流变特性对透水混凝土性能的影响，并用拉拔强度表征了粘结强度，解释了骨料的包裹厚度和粘结强度对透水混凝土影响的机制。

由于透水混凝土组成材料的特殊性，其拌和物工作性无法用常规方法评价，拌和物定量评价困难，缺乏统一评价标准，造成其硬化性能差距大，影响了透水混凝土的推广使用[15]。由于透水混凝土拌和物的工作性主要由净浆流动度、粘度决定，本文开展外加剂(减水剂和增稠剂)以及矿物掺合料(粉煤灰和硅灰)对净浆流动度和粘度的影响研究，通过分析净浆特性对透水混凝土拌和物状态及成型后孔隙率分布情况的影响，优选状态良好的浆体流动度与粘度指标范围。

1 实 验

1.1 试验材料

水泥：P·O 42.5水泥。粗骨料：5～10 mm石灰岩碎石，紧密堆积密度1 497 kg/m3，表观密度2 510 kg/m3。粉煤灰：F类Ⅱ级。硅灰：比表面积26 500 m2/kg。减水剂：聚羧酸高效减水剂，淡黄色液体，固体含量20%。增稠剂：聚丙烯酰胺。水：自来水。

1.2 试验方法

净浆流动度检测按照《混凝土外加剂匀质性试验方法》(GB/T 8077—2012)水泥净浆流动度的测定试验进行。

净浆粘度采用布氏旋转粘度计进行测定，按照《混凝土外加剂匀质性试验方法》(GB/T 8077—2012)方法拌和净浆，将拌好的净浆在100 s内填装至布氏旋转粘度计量杯内刻度线处，开启布氏旋转粘度计，待数值稳定后读取数据。

1.3 配合比设计

本试验采用规范《透水混凝土路面技术规程》(DB11/T 775—2010)进行配合比设计。采用内掺法掺加矿物掺合料，使用饱和面干骨料，并调整减水剂掺量获取所需净浆流动度。

2 结果与讨论

2.1 净浆特性对混凝土拌和物性能的影响

2.1.1 减水剂、水胶比对流动度的影响

选取0.25、0.27、0.29三种水胶比，进行不同水胶比下减水剂掺量对净浆流动度影响的试验，试验结果见表1。

表1 不同水胶比条件下减水剂掺量对净浆流动的影响Table 1 Effect of water reducing agent amount on net paste fluidity under different water-binder ratios

续表

由表1可知:同一水胶比条件下，净浆流动度随减水剂掺量的增加而增大；不同水胶比，同一减水剂掺量的条件下，水胶比越大，流动度越大。随着水胶比的增大，减水剂掺量对流动度的增幅有逐渐增大的趋势。对于不同的水胶比，有不同的减水剂掺量范围使浆体保持良好的流动性(浆体流动性良好的流动度范围为13.2～26.5 cm)，减水剂掺量未到达这个范围时，浆体流动性差，超过这个范围，浆体会发生泌水现象。

2.1.2 净浆流动度对透水混凝土拌和物性能的影响

利用水胶比为0.27，流动性良好的浆体进行透水混凝土拌和试验，设计孔隙率为20%。净浆流动度小于16.6 cm时，混凝土拌和物偏干，表面无光泽，粘聚性较差，无法进行有效成型，见图1(a)；净浆流动度处于16.6～22.5 cm时，混凝土拌和物可均匀包裹骨料，骨料颗粒粘结性好,手攥成团，骨料颗粒表面有金属光泽，见图1(b)；净浆流动度大于22.5 cm时，混凝土拌和物过稀，骨料表面泛有明显水光，拌和物粘聚性差，浆体易与骨料分离，均一性差，见图1(c)。

图1 混凝土拌和物Fig.1 Concrete mixture

2.2 净浆特性对透水混凝土硬化后孔隙分布均匀性的影响

2.2.1 减水剂掺量对净浆粘度的影响

以0.27水胶比为例，研究减水剂用量与净浆流动度和粘度的关系，见图2。由图2可知，随着减水剂掺量的增加，净浆流动度逐渐增大，而粘度逐渐降低。减水剂掺量在0.40%～0.55%(质量分数)时，净浆粘度近似线性迅速下降，这是由于减水剂的加入，迅速提高了自由水含量，降低了水泥颗粒间的摩擦力，使浆体流动性提高，稳定性降低，浆体粘度降低；当浆体流动度大于22.5 cm后，其粘度已处于较低水平，此时减水剂掺量的增加仅提高浆体的流动度，对浆体粘度影响较小。

图2 减水剂掺量与净浆流动度和粘度的关系Fig.2 Relationship between the fluidity and viscosity of net paste with different amount of water reducing agent

2.2.2 增稠剂、粉煤灰、硅灰对净浆粘度的影响

以水胶比0.27为例，研究固定掺量增稠剂(0.01%,质量分数，下同)、粉煤灰(5%，质量分数，下同)、硅灰(10%，质量分数，下同)条件下净浆粘度和流动度的关系，见图3。由图3可知，不同掺合料浆体在相同流动度下具有不同粘度。由于粉煤灰的玻璃微珠组分使其具有滚珠轴承作用，能减少颗粒间的内摩阻力，增强水泥的分散作用，从而降低净浆粘度。硅灰的比表面积远大于水泥，当其作为掺合料掺加时，会产生明显的微粒填充作用，浆体粘度得到一定程度的提高。细小微粒间的强吸附效应使净浆流动度大于20.4 cm后，流动度随着减水剂掺量的增加受到明显限制。聚丙烯酰胺阴离子的同性静电斥力及较长的棒状分子链架桥形成网状结构，增加了浆体的剪切应力，大幅度提高了浆体的粘度，0.01%掺量增稠剂净浆粘度是基准的4～6倍，增幅显著。

对固定掺量粉煤灰、硅灰、增稠剂浆体的流动度与粘度关系进行拟合，见表2。拟合结果均具有较高相关性，粘度随着流动度的增加呈幂函数趋势降低。

表2 净浆粘度与流动度的拟合公式Table 2 Fitting formula of the net paste viscosity and fluidity

2.2.3 净浆粘度对透水混凝土硬化后孔隙分布均匀性的影响

试验采用0.27水胶比，掺加增稠剂(0.01%)、粉煤灰(5%)、硅灰(10%)，并调整减水剂掺量，获得相同流动度、不同粘度的净浆。利用以上净浆，在设计孔隙率为20%的条件下开展透水混凝土成型试验。将成型后的试块自上而下在15 mm、60 mm、135 mm处切开，分别为上切面、中切面、下切面，测量比较不同切面孔隙率，分析孔隙分布均匀性。不同矿物掺合料或外加剂条件下混凝土拌和物的分层情况如表3所示。

表3 不同矿物掺合料或外加剂条件下混凝土拌和物的分层情况Table 3 Delamination of concrete mixture under different mineral admixtures and additives

图像测量孔隙率方法：用墨汁染黑不同切面，待墨汁晾干后，用白色粉末填补切面孔隙，以增加其识别度；进行图像采集和尺寸校准；在校准后的图像中心取100 mm×100 mm区域作为代表(避免切割后试件边缘区域破碎对结果产生影响)进行孔隙识别，计算其孔隙率。以第1组为例，其处理过程，见图4。

图4 第1组分层切割孔隙识别图像Fig.4 Pore recognition images of cutting layer in the first group

由表3可知：在大流动度情况下，只掺加减水剂的浆体，硬化成型后孔隙率成梯度下降，浆体分层明显；掺加5%粉煤灰，浆体分层现象基本无改善；掺加10%硅灰，浆体分层现象有所改善；掺加0.01%增稠剂后，上切面和下切面孔隙率相差不超过3%，孔隙分布均匀度提高，浆体分层现象明显改善；从图3可以看出，掺加0.01%增稠剂，流动度为22.5 cm时，其粘度约为7 000 mPa·s，因此优选的净浆粘度应大于7 000 mPa·s。

3 结 论

(1)水胶比、减水剂掺量与净浆流动度呈正相关。良好流动状态的浆体流动度范围为13.2～26.5 cm，在此流动度范围内，透水混凝土拌和物状态出现从干硬到离析的变化，混凝土拌和物最佳状态对应的净浆流动度范围为16.6～22.5 cm。

(2)在0.27水胶比条件下，调整减水剂的掺量获得不同流动度和粘度的浆体，随减水剂掺量的增加，当流动度大于22.5 cm后，粘度基本无变化。

(3)掺加矿物掺合料和外加剂的浆体，在相同流动度下具有不同的粘度，其粘度随着流动度的增加呈幂函数趋势降低；在不改变流动度的情况下，粉煤灰对浆体的粘度有降低作用，增稠剂和硅灰均提高了浆体的粘度，其中增稠剂对粘度提高作用显著。

(4)掺加0.01%增稠剂，拌和物硬化成型后，上下切面孔隙率相差不超过3%，提高了孔隙分布的均匀度，减少了大流动性透水混凝土的浆体沉底现象，一定程度上改善了透水混凝土流动性与硬化后透水性能之间的矛盾；最优流动度上限条件下，掺加0.01%增稠剂对应的净浆粘度约为7 000 mPa·s，因此优选净浆粘度指标应大于7 000 mPa·s。