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透水混凝土制备及性能研究综述

1 引 言

近年来,针对我国出现城市内涝、非点源污染的现象,“海绵城市”建设理念应运而生。海绵城市是指城市能够像海绵一样,下雨时吸水、蓄水、渗水、净水,需要时将蓄存的水“释放”并加以利用[1]。透水混凝土正是符合“海绵城市”理念的一种重要的绿色建筑材料,一方面,能够增加城市可透水、透气面积,降低地表温度,有利于缓解城市“热岛现象”;另一方面,可以有效地解决水质污染,水生物栖息地丧失等多种水生态问题。目前,透水混凝土已被广泛应用于护坡、停车场、人行道、轻载道路等领域。本文重点对透水混凝土原材料特性、配合比设计以及孔隙结构、强度特性等方面的国内外研究现状加以综述。

2 透水混凝土的制备

制备透水混凝土应优先选用单粒级粗骨料,一般含少量或不含细骨料,粗骨料被胶结浆体包裹,通过相互之间的接触点粘结为整体,形成蜂窝状的多孔结构[2]

2.1 原材料

2.1.1 骨料

由于透水混凝土的胶结浆体层较薄,应该严格控制粗骨料的特性,从而制备出具有足够透水性和强度的透水混凝土。刘小康等[2]通过试验研究了粗骨料级配对透水混凝土性能的影响。结果表明,透水混凝土的粗集料粒径宜控制在10~20 mm之间,其28 d抗压强度达到15 MPa,且孔隙率大于22%,渗透系数大于20 mm/s。然而,适当降低骨料粒径到5~10 mm,可以增加骨料之间的接触点,从而提高透水混凝土抗压强度[3]。除了骨料粒径,骨料类型对透水混凝土的孔隙和强度也有重要影响,这主要是由于骨料本身不同的干强度、颗粒形状和材质等物理特性引起的[4]

此外,在透水混凝土原材料中掺入适量的细骨料也可增加透水混凝土的抗压强度。砂子的掺量常用砂率表示,即透水混凝土中砂子质量占砂与石总质量的百分率。吴冬等[5]研究表明,当砂率为4.8%时,透水混凝土28 d抗压强度由23.0 MPa增加到33.8 MPa,尽管砂子的填充性使孔隙减少,但孔隙率仍然保持在合理的范围之内(15%~30%),且渗透系数也高于透水的最低限度(≥1 mm/s)

2.1.2 胶结材料

胶结材料的主要作用是为骨料提供充足的包裹层并将骨料胶结为整体。胶结浆体中除了使用普通硅酸盐水泥,还可以利用粒径细微的矿物掺合料替代部分水泥,从而提高透水混凝土强度。Yang和Jiang[6]在试验中同时掺入6%的硅灰和0.8%的高效减水剂,配制的透水混凝土28 d抗压强度高达57.2 MPa,渗透系数也满足透水的要求。Lian等[4]使用偏光显微镜对透水混凝土薄片进行观察,发现掺有硅灰和高效减水剂的胶结浆体密实度高,与骨料的包裹界面好,从微观的角度进一步证实了双掺硅灰和高效减水剂能提高透水混凝土的抗压强度。因此,也有研究将掺加适量矿物活性超细粉和高效减水剂的透水混凝土称作高性能透水混凝土[7]。Yang和Jiang[6]研究还表明,掺入有机聚合物也能显著提高透水混凝土的抗压强度,但聚合物胶结作用很难保证透水性,而且聚合物的掺量高费用也大。由此可见,制备高性能透水混凝土时,双掺硅灰和高效减水剂比单掺有机聚合物更具优势。

2.2 配合比

2.2.1 水胶比

水胶比是影响透水混凝土性能的一个重要因素,一般介于0.25~0.40之间。若水胶比过小,胶结浆体过于干稠,混凝土拌合物和易性太差,胶结浆体不能充分包裹骨料表面,不利于提高混凝土的强度;若水胶比过大,稀的胶结浆体可能将透水孔隙部分或全部堵死,既不利于透水,也不利于强度的提高。而且水胶比还与外加剂的性能和混合掺合料有着密切的关系。因此,如何选择最佳水胶比成为制备透水混凝土的关键。王武祥等[8]最早通过目测方法决定合适的水胶比;王蔚等[9]通过控制胶结材料流动度的方法间接地判断最佳水胶比。这两种方法虽然简单却不十分科学,得到水胶比的范围也比较大。Nguyen等[10]提出了筛网排浆的试验方法,此方法可以直接得到透水混凝土的最佳水胶比,相比前两种方法更加科学实用。

2.2.2 骨胶比

骨胶比的大小直接影响骨料颗粒表面包裹的浆体薄厚程度,包裹层厚度对透水混凝土性能有较大影响,测量包裹层厚度的方法主要有手工测量法[11]和蜡封法[12]。Torres等[11]通过试验表明,采用大骨胶比制备的透水混凝土包裹层最薄为2.57 mm,其28 d抗压强度为3.2 MPa,孔隙率为31.2%,渗透系数为16.9 mm/s;采用小骨胶比制备时,包裹层最厚达5.59 mm,其28 d抗压强度为18.6 MPa,孔隙率为18.9%,渗透系数为5.3 mm/s。可见,在配合比设计过程中,为保持包裹层的合理厚度,应选择适当的骨胶比,一般介于4∶1~6∶1之间。

3 透水混凝土的性能研究

3.1 孔隙结构

孔隙率是表示透水混凝土孔隙结构的基本参数。孔隙是指混凝土总体积扣除固体骨架所占据的体积后的剩余部分,它由连通孔隙、半连通孔隙以及封闭孔隙组成,三者之和为全孔隙。全孔隙体积与试件总体积的百分比,称为全孔隙率(或总孔隙率)。连通孔隙与试件总体积的百分比,称为连通孔隙率(或有效孔隙率)。参考日本《多孔混凝土孔隙率试验方案》,全孔隙率和连通孔隙率可以通过浮力称重的方法测得[13]。Ibrahim等[14]强调区分全孔隙率和连通孔隙率是很有必要的,全孔隙率是控制抗压强度的一个重要参数,而连通孔隙率与渗透系数有紧密联系。

虽然浮力称重法可以测出连通孔隙率,但是并不能直接描绘透水混凝土内部孔隙结构。为此,许燕莲等[15]沿圆柱体透水混凝土试件横向切割,将截面处理后重现了孔隙分布的二维图像(图1a)。从横向切面孔隙分布图中求出透水混凝土等效孔径的大小和平面孔隙率(图1b)。经过统计得出:对于骨料粒径为10~20 mm、连通孔隙率为20%~30%的透水混凝土,其等效孔径大小在10~20 mm之间,主要集中在13~16 mm范围内,其平面孔隙率与试件的全孔隙率较为接近;Sumanasooriya等[16]沿纵向对透水混凝土进行切割,分别得到纵向切面孔隙分布图(图2a)、纵向切面浆体分布图(图3a)及孔隙率和浆体体积分数分别沿深度的变化趋势(图2b和图3b)。可见,随着深度增加,孔隙率降低而浆体体积分数增加,且最小孔隙率和最大浆体体积分数同时出现在透水混凝土最底部。分析表明,这是由于浆体过多导致沉淀产生的。为了进一步观察透水混凝土内部的孔隙结构和孔的连通性,C′osic′等[17]重建了透水混凝土的三维孔隙结构(图4)。通过量化孔隙体积发现透水混凝土中连通孔隙大约占总孔隙50%~70%。透水混凝土二维和三维结构的建立为研究透水混凝土的孔隙结构和渗透性提供了一种有效的模型,也为透水混凝土力学性能的数值模拟奠定了基础。