高強度透水混凝土制備綜述

引言近年來，不透水路面帶來的負面影響日益突出，例如“熱島效應(yīng)”，暴雨后城市洪澇，雨水不能夠滲入地下導(dǎo)致地表的植物因為缺水難以存活等。海綿城市可以提升城市生態(tài)系統(tǒng)功能和減少城市洪澇災(zāi)害的發(fā)生[1]。一般的混凝土材料具有較好的抗壓性能，但其不透水性制約了環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，這會破壞城市地表生態(tài)平衡，加重城市“熱島效應(yīng)”。透水混凝土具有滲水快、吸音降噪、改善土壤及緩解城市“熱島效應(yīng)”等優(yōu)點，其制備和應(yīng)用具有重要現(xiàn)實意義。1、透水混凝土的原材料

透水混凝土的主要原材料有膠凝材料、骨料、外加劑和水等，不用或很少用細集料，可將其看成是由膠凝材料起界面粘結(jié)作用的粗集料堆聚結(jié)構(gòu)。

膠凝材料中，水泥作為基本原料，其主要作用是為骨料提供充足的包裹層并將骨料膠結(jié)為整體。水泥的強度越高，透水混凝土的強度也會相應(yīng)提高。除了常見的硅酸鹽水泥外，還有一些復(fù)合膠凝材料作摻料，如粉煤灰、礦粉、硅灰等，它們可以有效增強膠凝材料的黏結(jié)強度，從而提高混凝土強度。骨料是透水混凝土的結(jié)構(gòu)骨架，骨料的級配、表面形態(tài)等狀態(tài)直接關(guān)系到透水混凝土的強度、孔隙率、透水系數(shù)等，從而影響到透水混凝土的物理力學(xué)性能。外加劑也是透水混凝土不可缺少的原料。透水混凝土主要外加劑有調(diào)整混凝土凝結(jié)時間的緩凝劑、提高混凝土流動性的減水劑、增加稠度提高透水混凝土強度的增強劑、彩色透水混凝土用的染色劑、增加表面亮度質(zhì)感和耐磨性的保護劑等[2]。2、透水混凝土的配合比設(shè)計

不同于普通混凝土在進行配合比設(shè)計時要設(shè)法減小孔隙率、提高密實度，透水混凝土在配合比設(shè)計時必須預(yù)留合理的孔隙率來保證透水性。透水混凝土的配合比設(shè)計思路是在達到透水性基本要求的同時，盡量提高強度[3]。透水混凝土配合比設(shè)計常用的是體積法、質(zhì)量法和比表面積法。2.1體積法體積法是以混凝土孔隙率為控制指標(biāo)，通過設(shè)定孔隙率計算出填漿體積，再根據(jù)水膠比及各膠凝材料的密度計算出各膠凝材料的用量；集料用量則可通過測定其表觀密度計算得到。體積法目標(biāo)明確、思路清晰、精確度高，計算方法簡單直觀，但實測連續(xù)孔隙率與設(shè)定孔隙率有較大差距。2.2質(zhì)量法質(zhì)量法是根據(jù)相關(guān)的經(jīng)驗圖表進行計算。如果原材料情況比較穩(wěn)定，所配制的混凝土拌合物的容重將接近一個固定值。我們可以先假定一個混凝土混合物表觀密度值，再根據(jù)各材料之間的質(zhì)量關(guān)系計算出各材料的用量。質(zhì)量法可以快速得出各材料的用量，計算簡便，但其不夠準確，并且很難保證孔隙率。2.3比表面積法比表面積法和傳統(tǒng)的混凝土漿體包裹理論類似。先計算1m3透水混凝土中的骨料用量，然后計算1m3透水混凝土中水泥和水的用量，水泥用量的計算應(yīng)根據(jù)粗骨料的比表面積推導(dǎo)得出，水的用量則根據(jù)水灰比計算。比表面積法理論簡單，思路清晰。3、透水混凝土的制備工藝

3.1成型工藝透水性混凝土攪拌時的投料順序有多種，可根據(jù)實際情況采用一次全部倒入法、預(yù)拌水泥漿法、包裹粗集料法和水泥裹石法等[4]。其中，水泥裹石法可改善混凝土強度和透水性，適用于透水混凝土攪拌，是透水混凝土施工中提倡應(yīng)用的攪拌方法。水泥裹石法，也稱造殼法，其工藝流程如圖1所示。這種攪拌工藝預(yù)拌水量（W1）的控制是一個重要的技術(shù)指標(biāo)，一般情況下預(yù)拌水量（W1）為總用水量的8%~10%。圖1

水泥裹石法工藝流程3.2成型方法徐崇仁等[5]經(jīng)試驗確定壓力成型法和振壓成型法可作為透水混凝土實驗室配合比成型方法。3.2.1壓力成型法混凝土拌合物裝入專用靜壓成型模具中，然后將模具置于壓力機下施加壓力至試驗值并維持5s后卸荷，最后取下試模套具，用D40mm的鐵棒“滾壓”成型面直至平整并用抹刀將成型面抹平。混凝土試塊成型尺寸為150mm×150mm×150mm。壓力成型法對漿體稠度要求不太高，但壓力較大時，骨料很容易受到破壞，成為混凝土產(chǎn)生開裂的薄弱點，需要合適的成型壓力。3.2.2振壓成型法將混凝土拌合物裝入試模并在振動臺上振動4s，然后使用靜壓成型裝置向拌合物施加壓力至試驗值并維持5s后卸荷，最后用D40mm的鐵棒“滾壓”成型面直至平整并用抹刀將成型面抹平。振壓成型法對骨料無損傷，但振動時漿體易順流而下，堵塞連通孔隙，對漿體稠度要求高。3.3測試方法透水混凝土主要測試指標(biāo)有抗壓強度和透水性的檢測?？箟簭姸纫罁?jù)GB/T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》進行試驗，標(biāo)準立方體試塊尺寸為150mm×150mm×150mm，試驗齡期28d。透水性依據(jù)CJJ/T135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》測定混凝土透水率。4、透水混凝土的性能及制備機理

透水混凝土在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上屬于骨架孔隙結(jié)構(gòu)，在實際應(yīng)用中主要承受壓力荷載作用，所以主要考慮其抗壓強度對整體性能的影響，同時需考慮其透水性能。透水混凝土的綜合性能主要由原材料和配合比決定。4.1原材料4.1.1骨料骨料對于透水混凝土綜合性能的影響機理主要通過骨料的種類與形狀、粒徑大小、骨料級配3個方面實現(xiàn)。（1）骨料的種類與形狀。骨料的形狀、表面粗糙程度是影響骨料與水泥之間粘結(jié)強度的重要因素。通常情況下，在配置透水混凝土?xí)r常見的粗骨料主要有碎石和卵石兩種。碎石表面粗糙，棱角分明，摩擦阻力大；而卵石沒有棱角棱邊，多呈球形或橢圓形，且表面光滑，摩擦阻力小[6]。二者相比，碎石在形狀和摩擦阻力上比卵石更具有優(yōu)勢，能夠與水泥之間產(chǎn)生更大的接觸面積和更強的粘結(jié)能力，因而在配置透水混凝土?xí)r應(yīng)采用碎石作為主要粗骨料。（2）骨料粒徑大小。骨料粒徑的大小決定了透水混凝土內(nèi)部主體骨架的堆積結(jié)構(gòu)情況。一般來說，骨料粒徑越大，骨料的孔隙率也會越大，相應(yīng)的透水性能也會越好。研究發(fā)現(xiàn)：隨著骨料粒徑的增大，透水混凝土的孔隙率逐漸增大，強度先提高后降低，其中當(dāng)骨料粒徑為5～10mm時透水混凝土強度達到較高水平[7]。（3）骨料級配。透水混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)屬于骨架孔隙結(jié)構(gòu)。一般在討論骨料級配對于透水混凝土強度影響時，主要考慮摻入細骨料的粒徑大小對強度的作用。薛文韜等[8]從理論和試驗的角度對骨料級配的影響機理做出了解釋。透水混凝土中由于骨料之間的相互架空搭接，集料尖角處應(yīng)力集中現(xiàn)象比較普遍。隨著細小骨料含量的增多，透水混凝土受壓時端部或角部的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到減弱，而試塊承壓面面積趨于穩(wěn)定增大，從而使透水混凝土的抗壓強度得以提高。隨著小粒徑骨料含量的增多，抗壓強度總體增高，5～10mm骨料含量為75%的抗壓強度比含量為25%的抗壓強度高34.06%。4.1.2膠凝材料透水混凝土骨料之間主要靠膠凝材料相互粘結(jié)，由于其孔隙率一般都在20%左右，所以抗壓強度較低，因此摻合料改性膠材一直是透水混凝土研究的熱點[9-10]。從降低成本和實現(xiàn)透水混凝土膠結(jié)的兩個目的綜合考慮，一般膠凝材料中主要選擇粉煤灰、硅灰和礦粉。復(fù)合膠凝材料可以有效增強膠凝材料的黏結(jié)強度，其中各礦物摻合料對透水混凝土的強度貢獻程度由大到小依次為硅灰、粉煤灰、礦粉[11]。賈仁甫等[12]研究認為，單摻摻合料時，粉煤灰、礦粉對透水混凝土有效孔隙率無明顯影響，但抗壓強度降低；硅灰對透水混凝土抗壓強度的影響隨硅灰摻量的增加先增大后減小，在單摻摻量7.5%左右時最佳；礦粉和粉煤灰復(fù)摻時，粉煤灰比例增加，透水混凝土有效孔隙率和抗壓強度下降；礦粉、粉煤灰分別和硅灰復(fù)摻時，硅灰比例在一定摻量范圍內(nèi)，有效孔隙率降低、抗壓強度增加，但超過一定摻量后，有效孔隙率提高、抗壓強度下降。4.1.3外加劑外加劑對透水混凝土性能有一定影響。透水混凝土外加劑主要是減水劑與增強劑。減水劑等對新拌透水混凝土流動性較為敏感，隨著減水劑摻量的增加，拌合物流動度增大，抗壓和透水系數(shù)都有所降低，同時容易和骨料離析，底部會出現(xiàn)漏漿堵孔現(xiàn)象，從而影響透水混凝土的透水性。增強劑能夠有效提高拌合物坍落度，還可使骨料具有較高的掛漿性能[13-14]。4.2配合比4.2.1水灰比水灰比增大，透水系數(shù)隨之減小，抗壓強度隨著水灰比的增大先增大后減小。在制備透水混凝土?xí)r存在一個最佳水灰比，此時水泥漿體能夠均勻地包裹在骨料表面；水灰比增大時，水泥漿體流動性增加，在成型時容易造成漿體堆積，從而降低強度與透水率；當(dāng)水灰比降低時，漿體干硬，水泥顆粒易于結(jié)團，致使?jié){體不能充分包裹骨料，從而降低強度。譚燕等[15]經(jīng)過試驗得出結(jié)論：水灰比在0.29～0.37時透水混凝土具有較優(yōu)的使用性能，其中水灰比為0.33時強度最高。4.2.2水膠比在無減水劑等具有減水效果的外加劑摻入的情況下，隨著水膠比的增大，孔隙率和透水系數(shù)逐漸減小，而抗壓強度呈先增大后減小趨勢。對于工程比較常用的5～10mm連續(xù)級配的花崗巖碎石為粗骨料，P·O42.5硅酸鹽水泥為膠凝材料的透水混凝土，水膠比宜控制在0.25～0.35左右，這時的孔隙率、透水系數(shù)、抗壓強度可滿足一般的設(shè)計要求[16]。4.2.3骨膠比骨膠比即骨料與膠凝材料的質(zhì)量比。透水混凝土的抗壓強度隨著骨膠比的增大而降低，透水性能則呈相反的變化趨勢。隨著骨膠比的增大，透水混凝土中的膠凝材料減少，導(dǎo)致透水混凝土中連通孔隙數(shù)量的增多，相應(yīng)的平均孔徑增大，而粘結(jié)骨料之間的漿體數(shù)量和厚度減小，漿骨之間的粘結(jié)力下降，最終導(dǎo)致透水系數(shù)的增大和抗壓強度的降低[17]。

結(jié)語

由于透水混凝土的透水性能與抗壓強度存在此起彼落的客觀矛盾，因此目前普遍應(yīng)用的具有較高透水性能的透水混凝土的強度處于一個較低水平。如何優(yōu)化透水混凝土配合比，使其在保證混凝土透水性能的同時具有較高