砂率及外掺料对透水混凝土基本性能的影响研究*

刘邦莉,陈代果,杨 炯,姚 勇,陈建智

(1.西南科技大学土木工程与建筑学院,四川 绵阳 621010; 2.中国空气动力研究与发展中心,四川 绵阳 621010)

0 引言

透水混凝土由水泥、水、粗骨料组成,特点为轻质多孔[1-2],为了改善透水混凝土的路用性能,可掺入细骨料、纤维、矿物添加剂、粉煤灰等外掺料[3]。作为环境友好型路面铺装材料,透水混凝土具有其他路面材料没有的优点:水可渗入地下,实现解决洪涝、储存地下水的作用,此外,透水混凝土透气、透光、吸声降噪,能提高人体舒适度,可解决普通混凝土路面无法解决的城市生态问题[4-5]。随着城市化的不断发展,透水混凝土应社会需求,现已广泛应用于人行道、轻型路面、公园、停车场等领域,不仅对减缓热岛效应起着至关重要的作用[6-9],也对海绵城市的建设有着重要影响[10-11]。

但透水混凝土自身强度低,在施工上又有着较高的要求,因此城市中大部分路面均被传统路面材料覆盖[12]。如何提高力学性能、保证透水性能达标,以使其能大量运用在公路上是一个需要突破的问题[13-16]。为解决透水混凝土的局限性,众多学者做出大量研究。Dang等[17]提出筛网排浆法,得出了透水混凝土的最佳水胶比。王耀峰[18]分析了砂率对透水混凝土抗压强度、有效孔隙率、透水系数及耐酸雨性能的影响。杨艳娟等[19]研究了双掺粉煤灰和硅灰对透水混凝土力学性能、有效孔隙率和透水性能的影响。赵绍飞等[20]研究了成型方式和胶凝材料总量对透水混凝土强度和透水率的影响。Sangchul等[21]采用粉煤灰和磨碎的废玻璃粉优化水泥砂浆混合料,对优化后的混合料制备透水混凝土的性能进行了研究。杨福俭等[22]在正交试验基础上,对透水混凝土试件的透水系数进行极差和方差分析,得到了影响透水系数因素敏感性和最佳因素组合。

综合学者的研究特点,文章将砂与乳胶加入透水混凝土中,将双掺粉煤灰与硅灰作为一个因素,采用三因素四水平的正交试验,分析了砂率、粉煤灰+硅灰的组合掺量、乳胶掺量对透水混凝土抗压强度及透水系数的影响,并对抗压强度、透水系数进行极差分析,得到各因素敏感次序和最佳组合,总结变化规律,为满足透水性能条件下配制较高强度的透水混凝土提供依据。

1 试验方案

1.1 原材料

水泥选用P·O52.5高品质硅酸盐水泥;粗集料选用绵阳某公司生产的粒径5～10mm的碎石;砂选用成都某公司生产的粒径0.5～1mm的特细砂;硅灰选用郑州某公司生产的高活性微硅灰;粉煤灰选用绵阳某公司生产的Ⅱ级粉煤灰;减水剂选用聚羧酸减水剂;乳胶选用EVA乳液,主要成分为醋酸乙烯-乙烯共聚乳液;拌合用水为自来水。

1.2 试验配合比

试验水胶比为0.28。以砂率、粉煤灰+硅灰的组合掺量、乳胶掺量作为影响因素设计正交试验。每组碎石含量为1 453kg/m3,水泥含量为400kg/m3,水为125kg/m3,试验中其余掺合料对应的配合比如表1所示。将砂率记为A,粉煤灰+硅灰组合掺量记为B,乳胶掺量记为C,采用L16(43)正交试验,水平因素如表2所示。

表1 透水混凝土配合比Table 1 Pervious concrete mixing ratio kg/m3

表2 因素水平Table 2 Level of factors

1.3 搅拌及成型方式

根据表2的配合比浇筑透水混凝土试件,制作3组尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体试块,进行抗压强度、透水率和透水系数试验。

1)搅拌方法 采用多次投料法。投料前先将特细砂与外掺料进行预混合,将碎石、50%的拌合水预拌1min,再加入50%的胶凝材料、100%减水剂、20%拌合水,搅拌1min;然后加入剩余的胶凝材料、拌合水及乳胶,搅拌3～4min,至表面最终有金属光泽时结束。

2)成型方式 采用人工插捣,插捣成型分3层插捣,最后表面抹平。装模完成48h后脱模并进行编号,然后置于标准养护室养护28d。

1.4 测试方法

1.4.1透水系数

根据文献[23]采用立方体试件透水系数测试仪(见图1)。

图1 立方体试件透水系数测试仪Fig.1 Cubic specimen permeability coefficient tester

透水混凝土试件除成型面和底面外的四周均用保鲜薄膜进行密封,以保证水流只从上下2个相对的面流过。

采用变水龙头法进行测试,按式(1)计算透水系数。

V=(H2-H1)/t

(1)

式中:V为某一水面高度下的渗透速度(mm/s);H2为初始时刻水面高度(mm);H1为计时停止时水面高度(mm);t为水面下降所用的时间(s)。

1.4.2孔隙率

称取透水混凝土养护28d后浸没在水中的质量m1和在烘箱中烘干24h后的质量m2,以3个试件的平均值作为透水混凝土的总孔隙率,孔隙率P表达式如下。

P=[1-(m1-m2)/v]×100%

(2)

式中:v为试块的体积(cm3)。

1.4.3抗压强度

透水混凝土标准立方体试件参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》,如图2所示。

图2 立方体试件抗压强度测试Fig.2 Compressive strength test of cube specimen

2 试验结果与分析

2.1 正交试验与极差分析

正交试验结果如表3所示。抗压强度、孔隙率、透水系数的极差分析结果如表4所示。

表3 正交试验结果Table 3 Orthogonal test results

表4 极差分析结果Table 4 Extreme variance analysis results

各试验指标k值与因素水平的关系如图3所示。

图3 各试验指标k值与因素水平的关系Fig.3 The relationship between k value of each test index and factor level

2.2 抗压强度

由表3可知,对照组抗压强度为17.20MPa,第13组抗压强度最大,为62.50MPa,较对照组增加了263.37%。第4组抗压强度最小,为31.10MPa,较对照组增加了80.81%。由表4可知,透水混凝土抗压强度影响因素的敏感顺序为:砂率>粉煤灰+硅灰组合掺量>乳胶掺量,仅考虑抗压强度时,最佳因素组合为:砂率为12%;粉煤灰掺量15%,硅灰掺量5%;乳胶掺量1.2%。

由图3a可知透水混凝土的抗压强度随砂率、乳胶掺量的增加而增大,随着粉煤灰的减少和硅灰的增加而降低。根据图3a分析各因素对孔隙率与透水系数的影响可得出以下结论。

2.2.1砂率对抗压强度的影响

随着砂率的增大,透水混凝土的抗压强度逐渐提高。砂率从10%增加到11%时,抗压强度变化显著。这是由于前期砂的含量还不足以填充透水混凝土内部的大量空隙以支撑混凝土的内部骨架,对透水混凝土的抗压强度影响不大,当砂率从第二水平到第三水平时,混凝土密实度提高,抗压强度大幅提升,继续掺入砂时,抗压强度虽继续增大,但已临近最大值,上升幅度较小。当砂率掺量达到最大时,混凝土抗压强度较高,此时破坏现象表现为混凝土边缘石块脱落、出现贯通裂缝,混凝土整体表面出现多处细微裂缝(第16组试件),如图4所示。

图4 第16组试件Fig.4 The sixteenth group of specimens

2.2.2粉煤灰+硅灰的组合掺量对抗压强度的影响

在粉煤灰+硅灰总替代量不变的情况下,随着粉煤灰的减少、硅灰掺量的增加,透水混凝土的抗压强度呈减小的趋势。粉煤灰掺量为15%、硅灰掺量为5%时,透水混凝土的平均抗压强度为49.78MPa,较对照组增加了189.42%;第一水平到第二水平的抗压强度平均值降低幅度较大,第二、三、四水平的平均抗压强度变化较为平缓,分别比前一组降低7.21%,0.35%,0.52%。

刚加入粉煤灰与硅灰时,透水混凝土总体强度得到提升,这是由于硅灰和粉煤灰的细度较小,可以填充水泥颗粒间的堆积空隙,粉煤灰和硅灰的火山灰效应使水泥石的结构更加致密。但当硅灰掺量逐渐增多,润湿各颗粒表面所需的水量增加,使拌合物出现团聚,造成水泥水化程度不足,导致透水混凝土的强度降低。当达到第四水平,混凝土表面少量碎石脱落,未见明显破坏,由此可见,该试件(第4组试件)内部已出现贯通裂缝,无法继续承重,如图5所示。

图5 第4组试件Fig.5 The fourth group of specimens

2.2.3乳胶掺量对抗压强度的影响

随着乳胶掺量的增加,透水混凝土的抗压强度逐渐增大,但变化较平缓,当乳胶掺量从0.6%到1.2%时,抗压强度提高了4.8%。

乳胶加入后,乳胶具有的黏性可以增加透水混凝土的黏聚合性,从而改善工作性能。随着水分的蒸发,乳胶在骨料和胶结材料间形成稳定的聚合物膜,提高了透水混凝土的黏聚力,增加了骨料之间的结合力。由于乳胶的这种特性,第7组试件破坏以混凝土表面片状脱落为主,如图6所示。

图6 第7组试件Fig.6 The seventh group of specimens

2.3 透水混凝土的孔隙率与透水系数

由表3可知,对照组孔隙率为24.99%,透水系数为6.11cm/s。第6组透水效果最好,孔隙率为20.71%,较对照组下降17.13%,透水系数为6.09cm/s,较对照组下降0.33%;第13组透水效果最差,孔隙率为9.99%,较对照组下降60.02%,透水系数为1.27cm/s,较对照组下降79.21%。由表4可知,透水系数与孔隙率的变化趋势基本一致,透水混凝土的孔隙率与透水系数的影响因素敏感顺序均为:砂率、乳胶掺量、粉煤灰+硅灰组合掺量。仅考虑孔隙、透水性能时,最佳因素组合为:砂率9%,粉煤灰掺量12%,硅灰掺量8%,乳胶掺量0.6%。

由图3可知,透水混凝土孔隙率和透水系数随砂率,乳胶掺量的增加而降低,随着粉煤灰的减少和硅灰的增加先增大后减小。根据图3分析各因素对孔隙率与透水系数的影响。

2.3.1砂率对孔隙率与透水系数的影响

砂率从9%增加到10%时,孔隙率与透水系数下降趋势平缓,当砂率>10%时,孔隙率及透水系数下降幅度较大。这是由于前期加入细砂时,细砂与胶凝材料均匀包裹在骨料表面,减小了内部孔隙的面积但并未造成堵塞,水依然能从上下表面顺利渗流。随着细砂的增多,透水混凝土密实度增加,内部孔隙大量减少,造成孔隙率与透水系数显著下降。

2.3.2粉煤灰+硅灰的组合掺量对孔隙率与透水系数的影响

随着粉煤灰掺量的减少、硅灰掺量的增多,孔隙率与透水系数呈先增大后减小的趋势。粉煤灰掺量12%,硅灰掺量8%时,孔隙率最大,为16.45%;透水系数最大,为4.19mm/s。由于粉煤灰+硅灰组合对透水混凝土的孔隙率与透水系数影响最小,因此总体孔隙率与透水系数小于对照组。

粉煤灰的微珠效应能改善透水混凝土的工作性能,但由于粉煤灰中的活性氧化硅和活性氧化铝这2种物质与水泥熟料水化生成的氢氧化钙进行水化反应后,会在骨料表面形成一层致密的水硬性物质,阻止水的渗透,因此适量减少粉煤灰,即粉煤灰和硅灰掺量适宜时,胶凝材料能均匀地包裹在骨料表面,孔隙率与透水系数增加。随着硅灰掺量的进一步增加,由于二次水化作用,透水混凝土拌合物的工作性能逐渐降低,拌合物开始出现团聚,从而导致透水混凝土的孔隙率与透水系数降低。

2.3.3乳胶掺量对孔隙率与透水系数的影响

随着乳胶掺量的增加,孔隙率与透水系数呈降低趋势。乳胶通过改变混凝土的和易性及混合料的均匀性对孔隙率与透水系数产生影响。乳胶在骨料和胶结材料间形成稳定的聚合物膜,减少了骨料间的孔隙,并且由于乳胶的黏性及流动性,易与胶凝材料一同沉入混凝土底部,造成表面部分封闭,从而降低了混凝土的孔隙率与透水系数。

3 结语

采用正交试验和极差分析研究了砂率、粉煤灰+硅灰的组合掺量、乳胶掺量对透水混凝土的抗压强度、透水系数和孔隙率的影响,主要得出以下结论。

1)透水混凝土抗压强度影响因素的敏感性顺序为砂率、粉煤灰+硅灰组合掺量、乳胶掺量,最佳因素组合为砂率12%,粉煤灰掺量15%,硅灰掺量5%,乳胶掺量1.2%。

2)透水混凝土孔隙率与透水系数变化趋势基本一致,影响因素敏感顺序均为砂率>乳胶掺量>粉煤灰+硅灰组合掺量。最佳因素组合为砂率9%,粉煤灰掺量12%,硅灰掺量8%,乳胶掺量0.6%。

3)对透水混凝土抗压强度影响最大的是砂率和粉煤灰+硅灰组合掺量,但乳胶掺量的水平梯度较小,可以考虑设置更大的变化梯度,并提高拌制的均匀性,使透水混凝土的强度大于62.5MPa。

4)虽然特细砂和乳胶的加入提高了透水混凝土的抗压强度,但会降低孔隙率和透水系数,实际应用时应根据工程要求选择最合适的掺量。