高強透水性混凝土材料試驗研究

[摘　要] 　透水性混凝土材料具有綠色、環(huán)保等特點，可應用于人行道、停車場、透水性路面、土工結構排水系統(tǒng)反濾層等，有很好的發(fā)展前景，但因強度低影響了其應用范圍。本文對透水性混凝土材料進行了試驗研究，討論了影響透水性混凝土材料強度和滲透性的因素，提出了增強透水性混凝土材料強度的措施。研究認為，水灰比、粗骨料的種類和級配、礦物摻合料以及其它增強材料是影響透水性混凝土材料強度的主要原因，并對這些因素對強度的影響進行了定量分析。試驗還對透水性混凝土材料的滲透性進行了測試。根據試驗結果推薦的原材料、配比和試驗方法，可以得到強度達到30MPa ，滲透性在1mm/ s 以上的透水性混凝土，滿足一般工程需要。研究成果已經應用于鐵道部某項目并取得成功。

[關鍵詞] 　透水性混凝土： 　高強： 　滲透性

1 　引言

     透水性混凝土是由粗骨料、水泥和水拌制而成的一種多孔性混凝土材料，有時也摻入少量細骨料。由于透水性混凝土透水，透氣和重量輕等特點，在綠色生態(tài)混凝土[1 ] 、透水性路面材料[2 ] ，水工建筑和排水系統(tǒng)反濾層[3 ]等方面有重要用途。隨著環(huán)境問題日益得到人們重視，透水性混凝土材料的特殊功能越來越引起人們的興趣，然而采用通常方法制作透水性混凝土，在保證一定透水性情況下其強度通常不超過20MPa[4 ，5 ] ，這嚴重影響了透水性混凝土的應用范圍。本文通過試驗，研究了水灰比、粗骨料的種類和級配、膠骨比、礦物摻合料以及其它增強材料對透水性混凝土材料強度的影響，試驗還測定了透水性混凝土的透水性。

2 　透水性混凝土的結構模型和破壞特征

　　透水性混凝土可以看作由三部分組成，即粗骨料形成的骨架、水泥漿體形成的膠結層及它們之間的孔隙。按照密實程度的不同，透水性混凝土可以用以下五種模型來表示[6 ] 。如表1 所示，當透水性混凝土處于第二類小孔狀態(tài)時是比較理想的，此時水泥凈漿或加入少量細骨料的砂漿薄層包裹在粗骨料表面，作為骨料之間的膠結層，形成骨架———孔隙結構。作為骨架的粗骨料和作為膠結薄層的水泥漿緊密相連，它們之間的孔隙也是連通的，此時的透水性混凝土具有較好的透水性，也可以得到相對較高的強度。當處于密實或毛細孔狀態(tài)時，接近于普通混凝土，具有較高強度，但是沒有形成可以透水的孔隙：當處于第一類小孔狀態(tài)時，雖然形成了孔隙，但是由于孔隙不連通，也不能有很好的透水性：而當處于大孔狀態(tài)時，由于膠結材料太少且不連續(xù)而不能有較好的強度。

　　當透水性混凝土受到力作用時，主要通過粗骨料之間的膠結點傳力，由于水泥膠結層很薄，水泥凝膠體和粗骨料界面之間的膠結面積很小，因此破壞時主要是骨料顆粒之間的連接點破壞，從而使混凝土散裂，失去強度。

3 　試驗方案

3.1 　試件成型

      試驗采用原材料為: 河北唐山“盾石”牌P ·O 42.5R 水泥：卵石連續(xù)粒級及單粒級，碎石連續(xù)粒級及單粒級：河砂，中砂，細度模數2.5 ：自來水：高效減水劑。試驗時先把除水之外的其他材料干拌約30s ， 混合均勻，然后加入水及高效減水劑，攪拌約90s。觀察發(fā)現水泥漿在骨料顆粒表面包裹均勻后停止攪拌。成型后適當振搗，不過不欠，確?；炷两M成均勻，性能穩(wěn)定。

3.2 　配合比設計

      目前透水性混凝土的配合比設計還沒有成熟的計算方法，根據透水性混凝土理想模型的結構特點， 可以認為透水性混凝土的外觀體積由骨料堆積而成， 混凝土所需的水泥漿以能夠包裹粗骨料表面，形成一定厚度的膠結層和在骨料之間形成連通的孔隙為宜。通常透水性混凝土的水灰比介于0.25～0.40 之間， 水泥用量在250kg/ m3～350kg/ m3 范圍內。

3.3 　抗壓強度

      試件尺寸為100mm ×100mm ×100mm ，按普通混凝土試驗規(guī)程，成型后24 小時拆模，在標準條件下養(yǎng)護至28 天齡期進行試驗。

3.4 　透水系數

      依據陳志山[7 ]引自日本混凝土協(xié)會的測試方法進行改進，如圖1 所示。試驗時，將養(yǎng)護至齡期的混凝土試塊置于透水套筒中，采用一定膠結材料保證試塊和套筒四周緊密接觸不透水。此時從透水套筒上部注水，水通過透水性混凝土然后進入定位水桶，然后從出水管排出。當注入的水量和從出水管排出的水量達到平衡狀態(tài)后，啟動秒表，同時計量從水管排出的水量，并測量當時的水溫，通過公式(1) 可計算得透水性混凝土的透水系數。

3 邊長100mm大孔混凝土：4 底座，上置定位水桶：5 量筒：6 溢水管

KT = QD /AH(t2 - t1)      (1)

式中　KT ———水溫T 攝氏度時的透水系數，cm/ s ；

Q ———從時間t1 到t2 透過混凝土的水量，cm3 ；

D ———透水性混凝土試件的厚度，cm ；

A ———混凝土透水面的面積，cm2 ；

(t2 - t1) ———測定時間，s。

4 　試驗結果與討論

4.1 　水灰比對抗壓強度的影響

　　試驗設計了7 種不同的水灰比，如表2 所示。當水灰比較小時加入適量高效減水劑，保證拌合物有較好的流動性。從表中數據可知，當水灰比較小時，強度也較小，這是因為此時由于水泥漿太少而不能完全包裹骨料的表面，骨料之間的膠結層較薄而且不連續(xù)，因此強度較低。當水灰比達到0.31 時強度達到最大值，此時形成的透水性混凝土拌合物粗骨料表面包裹了一層膠結層，骨料之間通過膠結層連接，形成了上述第二類小孔狀態(tài)時的結構形式。當水灰比再增大時，混凝土強度又開始降低，這是因為水灰比太大時水泥漿開始下滴，形成的試件下部較密實、沒有孔隙，而上部則只是粗骨料堆積在一起，缺少膠結，因此整體強度也較低。

.

4.2 　粗骨料種類和級配對強度的影響

　　如圖2 為采用4 種不同的骨料類型，相同水灰比時透水性混凝土的強度。從圖中可以看出，采用卵石時強度要稍小于采用碎石時強度，采用單粒級骨料強度要遠小于采用連續(xù)粒級骨料強度，這和以往的研究是相同的[8 ] 。其原因是因為骨料越粗糙，骨料粒徑連續(xù)、大小不同，可以有效地提高骨料之間的接觸點數量從而提高其強度，但透水性會相應降低。

4.3 　摻合料對透水性混凝土強度的影響

　　如圖3 為摻加不同種類及摻量的礦物摻合料對透水性混凝土強度的影響。從中可以看出，摻加摻合料A 可以提高透水性混凝土的強度，當內摻10 %時效果最好，當摻量繼續(xù)增大時效果并不明顯。這是因為摻合料A 粒徑細微，在水泥凝膠體中具有微填充作用，使骨料與水泥漿體的界面強度得到改善，宏觀上則表現出整體強度的增加。摻合料B 對透水性混凝土強度也表現出有利影響，而且摻加摻合料B 的透水性混凝土拌合物更容易攪拌，工作性能好，是一種比較理想的摻合料。摻合料C 對透水性混凝土強度沒有明顯作用，而D 則降低了透水性混凝土的強度，這兩種摻合料都不宜用于透水性混凝土材料。

4.4 　透水系數

　　試驗測定了部分透水性混凝土的透水性，如表3 所示。從中可以看出，試驗制備的透水性混凝土都具有一定透水性。在適宜的水灰比范圍內，混凝土的透水性隨水灰比增大而減小： 對于水灰比一定的混凝土，采用連續(xù)粒徑骨料的混凝土透水性要小于單粒級骨料的透水性：通常，如果透水性混凝土強度提高，其透水性會有一定程度的降低。實際工程中要根據需要調整配比，制備具有適宜強度和透水性的混凝土。

5 　結論

1 水灰比是影響透水性混凝土強度的主要因素之一，當水灰比在0131 左右時可以形成較理想的透水性混凝土結構，具有較高的強度和一定的透水性。

2 碎石骨料比卵石骨料具有更高的強度，連續(xù)粒級骨料比單一粒級骨料具有更高的強度。

3 通過摻加摻合料A 和B 可以改善骨料與水泥漿體的界面強度，從而提高透水性混凝土的強度：摻合料C 和D 則達不到這種效果。

4 在適宜的水灰比范圍內，透水性混凝土的透水性隨水灰比增大而減小，采用單一粒徑骨料可以改善混凝土透水性。

5 通常透水性混凝土強度和透水性成反比，實際工程中應根據需要選用合適的配比，滿足工程要求。

[參考文獻]

[1 ]陳志山. 用于水污染治理的生態(tài)混凝土技術[ J ] . 建筑材料學報， 2001 ， (3) :60 - 64.

[ 2 ]王武祥，謝堯生，夏桂清. 透水性混凝土的性能與應用[J ] . 中國建材科技，1994 ， (3) :1 - 5.

[ 3 ]徐立新. 無砂混凝土在道橋工程中的應用[J ] . 公路，2000 ， (6) :28 - 310.

[ 4 ]Sung2Bum Park ，Mang Tia. An experimental study on the water2purification properties of porous concrete [ J ] . Cement and Concrete Research ，2004 ， (34) :177 - 184.

[5 ]孟宏睿，徐建國，陳麗紅，尚建麗. 無砂透水混凝土的試驗研究[J ] . 混凝土與水泥制品，2004 ， (2) :43 - 44.

[6 ]H. Fujiwara ，R. Tomita ， T. Okamoto ，et . Properties of high - strength porous concrete. Recent Advances in Concrete Technology ，Fifth CANMET/ ACI International Conference on Recent Advances in Concrete Technology[J ] . J uly2August ，2001 ，Singapore :173 - 187.

[7 ]陳志山. 大孔混凝土的透水性及其測定方法[J ] . 混凝土與水泥制品，2001 ， (1) :19 - 20.

[ 8 ]王武祥. 透水性混凝土強度的研究[J ] . 中國建材科技，1997 ， (3) :25 - 28.

[作者簡介] 　劉葉鋒，1979 年生，男，碩士研究生，結構工程專業(yè)：朋改非，1966 年生，男，教授，博士，建筑材料專業(yè)。

[單位地址] 　北京西直門外，北京交通大學467 信箱(100044)

[聯系電話] 　010 - 82163207 ： 010 - 51682252 ： 010 - 51687251 ： E -

mail :lyefeng @master02. njtu. edu. cn ： gfpeng @center. njtu. edu. cn