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【作者机构】 沈阳农业大学水利学院
【来 源】 《硅酸盐通报》 2017年第3期P864-869页
【分 类 号】 TU528.2
【分类导航】 工业技术->建筑科学->建筑材料->非金属材料->混凝土及混凝土制品->轻质混凝土
【关 键 字】 透水混凝土 配合比 孔隙结构 抗压强度
【摘 要】 综述了透水混凝土的原材料特性和配合比设计方法;阐述了研究透水混凝土抗压强度和孔隙结构的数学模拟和软件建模的方法;对比分析了透水混凝土与普通混凝土在抗压强度计算、尺寸效应和应力-应变关系等方面的区别;归纳总结了透水混凝土孔隙分布的二维和三维图像,为研究透水混凝土孔隙结构提供了新思路.最后,提出今后应注重对透水混凝土微观结构的研究等建议.
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。
图1 (a)横向切面孔隙分布图(其中白色区域代表孔隙)；(b)等效孔径示意图[15]
Fig.1 (a)Pore distribution along the transverse section
(white areas represent pores)；(b)Sketch of the equivalent aperture[15]
图2 (a)纵向切面孔隙分布图(其中阴影区域代表孔隙)；(b)孔隙率沿深度的变化趋势[16]
Fig.2 (a)Pore distribution along the longitudinal section
(shadow areas represent pores)；(b)Variation of porosity with depth[16]
图3 (a)纵向切面浆体分布图(其中阴影区域代表浆体)；(b)浆体面积分数沿深度的变化趋势[16]
Fig.3 (a)Paste distribution along the longitudinal section
(shadow areas represent paste)；(b)Variation of paste area fraction with depth[16]
图4 透水混凝土三维孔隙结构[17]
Fig.4 Three-dimension pore structure of permeable concrete[17]
此外,渗透系数是表征透水混凝土孔隙结构的另一个参数。渗透系数的测量方法按照水头状况分为常水头法和降水头法[18]。Qin等[19]对这两种方法进行比较,发现降水头法测值要高于常水头法测值,这主要是因为降水头法忽略了外加应力对渗透性的影响。透水混凝土的渗透系数常利用连通孔隙率表示[18],但此类关系式并没有考虑迂曲度的影响。为此,Kuang等[20]和Zhong等[21]从不同角度分别对Kozeny-Carman方程进行修正。经过验证,修正的Kozeny-Carman方程比以往的经验公式能更有效地预测透水混凝土的渗透系数。
3.2 抗压强度
普通混凝土抗压强度由骨料强度和胶结浆体强度控制,而透水混凝土属骨架多孔结构,其抗压强度主要受到全孔隙的影响。已有研究常使用线性函数[22]或指数函数[23]等单一方程来表示透水混凝土全孔隙率对抗压强度的影响,其相关系数相对较低,适用性有限。Lian等[24]根据Griffith微裂纹理论推导出新的复合方程见公式(1),该方程通过全孔隙率预测抗压强度的相关系数R2达到0.99,比已有的单一方程能更好地表达透水混凝土的破坏强度,但仍没有解决适用性的问题。Zhong等[25]在线性方程基础上延伸出一个新的方程见公式(2),除了全孔隙率,此方程还综合考虑骨料粒径、浆体强度和骨胶比对透水混凝土抗压强度的影响,从而可以预测普通甚至高强透水混凝土的抗压强度,得到的相关系数R2均为0.82,相关性较好。
σ
(1)
σ=σ0(1-pφ)(
)q
(2)
其中,σ表示破坏应力,MPa；φ表示全孔隙率,%；A,m,n是常数；σ0表示孔隙率为0时混凝土强度，MPa;d0表示最小骨料粒径，nm;p,q是常数(其中，q是随胶结浆体强度增加而减小的常数)。
目前对透水混凝土抗压强度的测定均采用普通混凝土的测试方法，我国按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)[26]的规定执行，利用公式(3)计算透水混凝土的强度
(3)
其中:fcc表示混凝土立方体试件抗压强度，MPa；F是试件破坏荷载，N；A为试件承压面积，mm2。
然而，透水混凝土试件的承压面积与普通混凝土有所不同，普通混凝土的承压面积就是试件的外形尺寸，而透水混凝土孔隙部分并没有承受压力。因此，宋中南等[27]提出一个新指标“实材抗压强度”来表征透水混凝土实体部分的强度。计算“实材抗压强度”时，承压面积是去除了孔隙部分所占的面积，即用试件外形面积与平面密实度的乘积来表示，具体见公式(4)
(4)
其中，f表示混凝土立方体试件的实材抗压强度，MPa；A'为试件平面密实度，%。
普通混凝土抗压强度测定规定边长150 mm立方体试件为标准试件，用非标准试件测得的强度值均应乘以尺寸换算系数，对边长200 mm立方体试件换算系数为1.05；对100 mm立方体试件换算系数为0.95[26]。在此基础上，陈瑜等[7]对透水混凝土的尺寸效应进行了研究，结果表明：相对于边长150 mm的立方体试块，不同孔隙率条件下透水混凝土的尺寸效应超过普通混凝土，且孔隙率越大，尺寸效应越显著，这是由边界“壁效应”产生的。因此，透水混凝土将各试件边长均减去骨料最大粒径的2/3后，取有效面积再进行强度计算。在10.1%，15.5%和20.6%孔隙率条件下，边长200 mm立方体试件换算系数分别为1.06，1.09和1.10；边长100 mm立方体试件换算系数分别为0.93，0.90和0.88。经有效面积修正后，透水混凝土抗压强度试件尺寸效应有所下降，但仍高于普通混凝土。
由透水混凝土抗压强度测定得到的应力—应变曲线，与普通混凝土相比有显著差异。张茂刚等[28]通过试验总结出了透水混凝土的应力—应变曲线特点：(1)未到达波峰而突然中断的曲线较多；(2)曲线中易出现不圆滑的波折，尤以孔隙率较大的试件更为明显。这说明透水混凝土内部孔隙易在静压加载过程中引发裂缝，使试件产生不均匀变形和突然性破坏，这种变形和破坏会随着孔隙率的增大而更趋显著。对透水混凝土应力—应变关系的试验研究也为其强度模拟奠定了重要的基础。
Akand等[29]基于软件建模的方法对透水混凝土强度破坏进行了研究。通过SEM捕捉透水混凝土内部的孔隙，并用ImageJ获得孔隙位置和大小的分布参数；在MATLAB中利用导出的参数重建空隙的微观结构，在重建结构中圆代表孔隙，圆外区域代表混凝土基体，其中圆的数量和百分率等于实际试件孔隙的数量和孔隙率，孔隙的位置虽然与实际试件不同，但与实际基体遵循相同的分布；然后借助ANASYS力学分析功能进行强度模拟。图5表示在ANASYS中创建的透水混凝土几何图形，图6表示应用位移变形使得混凝土基体产生裂纹和破坏的混凝土基体。研究结果表明，通过模型和试验获得的应力—应变曲线虽然不完全匹配，但十分相近。
图5 在ANASYS中创建的透水混凝土几何图形[29]
Fig.5 Permeable concrete geometry created in ANSYS[29]
图6 破坏后的透水混凝土基体[29]
Fig.6 Permeable concrete matrix after failure[29]
4 结 论
纵观国内外透水混凝土的研究现状,关注点主要集中于透水混凝土的制备和性能测定等试验方法的研究。在今后一段时间,应注重对透水混凝土微观结构的研究,以进一步解释其力学性能。此外,透水混凝土作为建设海绵城市的具体措施,应制定有关透水混凝土配合比设计、施工、养护、管理等方面的国家级规范标准,并根据工程需求的选择不同类型的透水混凝土,此将成为推广透水混凝土的要点。
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Review on Preparation and Properties of Permeable Concrete
Abstract：Material properties and mix proportions of permeable concrete have been reviewed. The methods of mathematical simulation and software modeling on researching compressive strength and pore structure of permeable concrete have been illustrated. The differences between permeable concrete and ordinary concrete about compressive strength calculation, size effect and stress-strain relationship have been compared and analyzed respectively. The two-dimension and three-dimension pore distribution of permeable concrete have been summarized, which provide a new idea to study pore structure of permeable concrete. In addition, great attention should be paid to researching microstructure of permeable concrete in the near future．
Key words：permeable concrete;mix proportion;pore structure;compressive strength
