透水混凝土性能及構造調控研究

 

    透水混凝土又稱無砂混凝土，相比于傳統混凝土，透水混凝土一般采用單級配骨料、無機膠凝材料、有機膠凝材料，經過特殊工藝制備而成。因其結構中存在大量連通孔隙，透氣透水性均優于普通混凝土。隨著中國城市化建設的大力發展，城市硬化路面占比大大提高，而早期城市建設規劃中對于城市的蓄水、排水、循環利用等功能考慮不足或預估體量不足，以及城市化所造成的天然湖泊、森林面積縮減等種種因素導致如今城市普遍面臨城市內澇，地表徑流，水質污染等眾多問題。在此背景下，建設具有滲水、濾水、蓄水功能的新型海綿城市理念應運而生。我市在近年來的城市建設中，如船廠公園、鰣魚港公園、金井河公園的廣場、園路等也嘗試使用了透水混凝土鋪裝，然而，因對透水混凝土性能調控及配比經驗不足，施工工藝不成熟等技術問題，加上現階段市場針對透水混凝土的實際應用研究仍未完善，目前整體效果并不理想，存在面層骨料剝落、凝膠材料不勻、結漿不透水等影響整體感觀的情況。為更好地滿足景觀及功能需求，上海同濟大學材料科學與工程學院結合實際作了大量學術研究，旨在為透水混凝土的理論研究與應用提供參考。

 

 

 

灰色透水混凝土


透水混凝土人行道（常州）


透水混凝土廣場


2 透水混凝土基本性能研究

 

2．1 透水混凝土功能性研究現狀

 

透水混凝土主要具備透水、吸聲降噪、再生廢料應用與有害氣體分解等方面的功能。

 

  1) 透水性。

 

    透水混凝土最重要的性能要求即透水性能，根據透水混凝土的基本原理，可知透水率與孔隙率成正比，因此骨料品種、骨料粒徑、顆粒分布等對孔隙率影響顯著的參數均會影響透水性。薛麗皎等人研究了骨料特征對透水性能的影響。研究表明，相比于卵石骨料，碎石骨料配制的透水混凝土其總孔隙率和透水系數更高;通過提高骨料粒徑，能夠顯著增加透水混凝土的孔隙率及透水系數。因此在調控透水混凝土透水性的過程中，可以采用優化孔隙結構的基本思路進行，在配合比C/W：C/G： C =1：0.33：5.6 時，相同粒徑范圍內采用顎式破碎機破碎的石子透水率明顯高于卵石，是因為碎石的棱角系數大于卵石，孔隙率也大于卵石，所以透水率也大于卵石;而在相同配合比的情況下，隨著骨料粒徑增大，透水混凝土中孔隙的尺寸也會逐漸增大，總孔隙率得到相應的提高，因而其透水率也越大。

 

   2)吸聲降噪與其他性能。

 

    透水混凝土由于其多孔性可以使得噪聲在傳播過程中發生多次反射、碰撞，進而將聲能轉換為熱能消耗掉。荊祿波等人通過實驗研究得出在透水混凝土厚度為 5 cm 時就能達到優異的吸聲降噪效果。在原材料的選用方面，透水混凝土具有優良的包容性。隨著各種礦物摻和料，甚至市政工程固體廢棄物焚燒底灰的添加，石灰石的開采，能源的消耗將得以大幅減少;適量納米二氧化鈦的加入可以使透水混凝土擁有分解有害氣體的功能，從而加大了透水混凝土的環境友好性 。





2．2   透水混凝土力學性能研究

 

    由于透水混凝土的組成結構與普通混凝土存在很大的差異，因此影響其力學性能的主要因素也與普通混凝土不同，主要受到其組成成分、孔隙率與成型工藝等的影響。組成成分方面，采用反擊破碎石、高早強水泥、高效減水劑均能夠顯著提高透水混凝土的力學性能。孔隙率是影響透水混凝土力學性能的重要因素，可通過調控粗骨料粒度分布和堆積密度，降低透水混凝土的孔隙率從而達到提高透水混凝土力學性能的效果，但是在實際應用中需要協同考慮透水性與力學性能的關系。成型工藝對于透水混凝土的性能至關重要，成型工藝有多種，例如:控制壓力成型;控制貫入量成型;振動臺成型;上置式振動成型;重型擊實成型;插搗成型。研究表明不同成型工藝會對強度均勻性產生影響，其中上置式振動成型振動器頻率為 50 Hz，激振力為 5 kN，振動時間取 30 s。這種工作模式接近振動壓路機的方法在水泥漿合適的情況下得到的試件的整體孔隙率均勻，同時強度均勻性很好。

 

 

 

2．3   透水混凝土耐久性能研究

 

    抗凍性是評價透水混凝土耐久性的重要參數，以往國內學者的研究思路主要是通過計量凍融循環次數來達到衡量透水混凝土耐久性的目的;而在北方，冬季撒鹽除冰作業的應用使得鹽凍損壞對透水混凝土的影響增大，因此劉星雨著重研究了單邊鹽凍循環的質量損失問題。結果表明影響透水混凝土抗凍性的因素依次有:水灰比、骨料粒徑、漿體骨料質量比、砂率、礦物摻和料等。哈爾濱工業大學的王宗鵬通過研究超疏水涂層對混凝土抗凍性的影響，得出引氣與超疏水涂層處理相結合能夠改善內部結構同時增強表面疏水性，從而有效提高抗凍性。而超疏水涂層對混凝土表面結冰性及疏冰性兩方面的影響與傾斜角相關，具有傾斜角時，水滴可以輕易滾落，超疏水涂層提高了結冰勢壘，涂層延緩了結冰時間，從減少了結冰量;另外，超疏水涂層有效阻止了混凝土表面孔內結冰現象，有效降低了冰與混凝土表面的粘結強度，從而具有良好的疏冰性。

 

 

 

3 透水混凝土性能調控的基本方法

 

    透水混凝土的透水率和強度是其兩大基本性能，基于此可以從原材料、孔隙率、構造情況以及成型工藝等對其進行調控。

 

3．1 基于原材料調控透水混凝土性能在研究透水混凝土性能時，高分子聚合物乳液、礦物外加劑和化學外加劑等對于混凝土性能的影響較為顯著。

 

1)高分子聚合物乳液。

 

    新拌混凝土的和易性同樣是透水混凝土面臨的重要問題之一，為提高拌合物的振動密實性能，增強骨料與漿體之間的粘聚力，可通過加入高分子聚合物乳液的方法得以實現。

 

2)  礦物外加劑。

 

    在普通混凝土中，通常可以通過添加高性能礦物外加劑如硅灰，提高混凝土強度。蔣正武等人研究了將硅灰加入透水混凝土中的情況，在保證拌合物和易性和成型工藝的前提下，增加硅灰會顯著提高透水混凝土強度，同時能夠保持一定的透水率。

 

3)化學外加劑。

 

    M． Sonebi 等人通過添加高性能減水劑，提高了透水混凝土的工作性。因為通過添加減水劑，能夠顯著降低漿體體系的水灰比，從而提高粘結漿體的強度，更高的界面粘結強度使透水混凝土的力學性能大幅度提高。

 

3．2  透水混凝土構造調控

 

    透水混凝土構造調控必須協同設計透水性和力學強度兩方面的性能，能夠有效進行構造調控的主要有:骨料級配設計、孔隙結構設計與水泥漿體體系設計等。

 

1)骨料級配設計。

 

    中南大學的張賢超以及田納西理工大學的 L． K． Crouch，P． E．等人重點研究了骨料級配理論和離子干涉理論在透水混凝土中的具體應用，通過相關理論分析，建立了骨料基本特征參數與透水混凝土孔隙結構的關系。

 

2) 孔隙結構設計。

 

    孔隙率是影響透水混凝土透水性能和力學性能的主要因素，孔隙率受骨料級配及骨灰比的協同影響，骨料采用單級配時，孔隙率比采用多級配骨料高;骨灰比的提高意味著水泥用量的增加，透水混凝土的抗壓強度雖然有一定的增強，但是其透水率卻會有大幅下降。骨料級配基本相同的情況下，透水混凝土的抗壓強度主要受到骨料與水泥漿體之間的粘結強度影響，而兩者的粘結強度主要取決于水泥漿體層的厚度，為保證透水混凝土抗壓強度的提高必然使得水泥漿體層厚度提高，因而透水混凝土的孔隙率隨之減少使得透水率大幅下降。

 

3)水泥漿體體系設計。

 

    水灰比是影響混凝土強度最重要的因素之一，水灰比降低，水泥漿體的強度及粘結性能增加，透水混凝土整體力學性能會顯著提高。通過優化膠凝材料組成，也能夠顯著調控透水混凝土的性能，增加高性能礦物外加劑如硅灰等，能夠顯著提高透水混凝土強度。在水泥漿體體系設計中，外加劑的引入是調控其性能的關鍵，通過摻加高效減水劑，能夠大幅度降低水灰比，從而提高強度。為了使透水混凝土獲得良好的強度及韌性，提高骨料之間的粘結性能，在水泥漿體體系中引入適量的聚合物膠粉或聚合物乳液均能實現這一目的。

3．3 透水混凝土工藝優化調整

 

    制備工藝對透水混凝土的性能具有多方面的影響，如水泥裹石法、“濕—濕”工藝、上置式振動成型法分別可對其抗壓強度、強度均勻性、孔隙率以及平整度等性能做出不同程度的調整。在比較了不同的透水混凝土成型工藝后，張賢超發現采用漿體裹石法之后的透水混凝土，其抗壓強度能得到 10% 的提高，透水率及其他基本性能也得到了明顯改善。秦旭朝研究了新拌透水混凝土的工作性狀態，結合其表觀性狀和結構特點對其工作性狀態提出了一種評價分級體系，見表1;其中代表著水泥漿稠度過大，難以均勻包覆粗骨料的等級“A”和“B”，以及代表著水泥漿太稀，難以穩定膠結于粗骨料上的等級“D”和“E”均是不合格的。只有等級“C”方能合格。

 

 

 

 

4 結語

 

1)  透水混凝土是集各種功能性于一體的材料，它的力學性能和耐久性能可以通過控制原材料和外加劑以及增加超疏水涂層進行調控;

 

2)  高分子聚合物乳液、礦物外加劑以及化學外加劑等的加入可調節透水混凝土骨料的咬合摩擦力以及漿體—骨料之間的粘聚力;

 

3)骨料級配、骨灰比、水灰比等對透水混凝土的抗壓強度和透水率等有不同程度的影響，在其構造調控中需協同設計;

 

4)  在透水混凝土的成型過程中采用漿體裹石法可提高其抗壓強度達 10% ，同時顯著改善其透水率及各項基本性能，新拌透水混凝土工作性狀態評價分級制對其施工和驗收均有較大的幫助。