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【来 源】 《硅酸盐通报》 2017年第1期P223-228页
【分 类 号】 TU528.37
【关 键 字】 透水混凝土 强度 增强料 透水系数
【摘 要】 增强料主要用于提高透水混凝土的抗压强度、抗折强度和抗渗性能。本文研究了增强料中的减水组分、早强组分以及增粘组分对透水混凝土性能的影响。通过改变各种组分的种类及掺量,研究了对透水混凝土的抗压强度、抗折强度以及透水系数和透水率的影响。试验结果表明,增强料中采用0.3%的聚羧酸减水剂,1.0%的早强剂和0.1%的增粘剂可明显提高透水混凝的各项性能。
1 引 言
透水混凝土作为一种生态友好型混凝土，正逐步应用于人们的生活中。其特殊的孔隙结构，具有透水、透气、吸声降噪、调节生态平衡等作用。20世纪七八十年代，欧美国家就开始了对透水混凝土的研究，并逐渐应用于公园道路、停车场等，取得了良好的效果。Abertay Dundee大学的Chris Jefferies和Wolfram Schluter对苏格兰中心广场的透水混凝土道路的透水性进行了研究，结果表明，透水混凝土在雨天的排水效果很好[1]；1987年，日本研究者申请了透水性混凝土路面材料专利并在国内多个城市进行推广应用[2]，取得了很好地生态效果。
透水混凝土的强度和透水性能是其基本性能。本文通过试验，研究了增强料中各组分对透水混凝土的强度和透水性能的影响，确定了各个组分的种类及掺量。通过SEM扫描电镜观察水泥浆体内部以及浆体-骨料界面过渡区的微观结构特征，分析了增强料提高透水混凝土强度的作用机理。该研究为高性能透水混凝土的配制及应用提供理论依据。
2 试 验
2.1 原材料及其性能
水泥：蒙西P·O 42.5级水泥。标准稠度用水量为27%，3 d、28 d抗压强度分别为27.3 MPa、46.7 MPa；粗骨料：碎石，粒径分别为2～5 mm、5～10 mm、10～15 mm，压碎指标合格；水：普通自来水，符合JGJ63-2006要求；增强料：由减水组分(萘系高效减水剂，减水率20%；聚羧酸高性能减水剂，减水率36%)、早强组分(主要成分为元明粉和氯化钠)、增粘组分(HX型，粘度为74440 mPa·s；FTN型，粘度为56400 mPa·s；JJX型三种增粘剂，粘度为39100 mPa·s)组成。
2.2 试验设备及方法
图1 透水系数测定装置
Fig.1 Water permeability coefficient device
透水混凝土的强度试验按GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行;透水混凝土的配合比设计参照CJJ/T135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》；扫描电镜：日本产S-3400N扫描电子显微镜。
透水系数的测定:采用图1所示的装置进行测试，将φ100 mm×50 mm的圆柱体试件装入圆柱形套筒底部，试件上下边缘采用紧箍件将其与套筒紧贴，防止水从侧面流出。向套筒内快速加满水，记录水面下降100 mm所用的时间。透水系数的计算公式为：V=H/T；V-透水系数(mm/s)；H-水位下降高度(mm)；T-水位下降至试件表面所用时间(s)。(本方法与CJJ/T135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》中的实验方法得到的结果基本相同)。
透水率的测定：在图1装置中，加入一定质量的水，称量90 s内透过试件流出的水的质量，计算得到透水率。计算公式为β=m2/m1。m1-加入水的质量(g)，m2-90 s流出水的质量(g)。
3 结果与讨论
3.1 减水组分对透水混凝土强度及透水性能的影响
减水剂加入混凝土拌合物后对水泥颗粒具有分散作用，能改善混凝土工作性能，减少单位用水量，在胶凝材料用量一定的情况下，可以显著提高混凝土的强度。因此，本试验选用萘系(减水剂A)和聚羧酸系(减水剂B)两种减水剂，试验用配合比及结果见表1、图2和图3。
表1 掺入减水组分的透水混凝土配合比及试验结果
Tab.1 Incorporation of reducing the water component of permeable concrete mix ratio test results
由图2和图3可以看出，减水剂的加入，使透水混凝土的抗压、抗折强度有了非常明显的提高，且随着掺量的增加而增加。这是由于减水剂的加入降低了透水混凝土的水胶比，骨料间胶结层的强度得到提高，从而提高了透水混凝土的强度[3]。
图2 减水剂A掺量对强度的影响
Fig.2 Effect of A water reducer volume on strength
图3 减水剂B对抗折强度的影响
Fig.3 Effect of B water reducer volume on strength
减水剂的种类及掺量与透水混凝土透水系数、透水率的关系如表1所示。由表1可以看出，减水剂的加入，使得透水混凝土的透水系数略微得到提高。由表1还可以看出，掺减水剂的透水混凝土的透水率相比基准组有一定程度的提高，但是提高效果不是很明显。这是由于减水剂的加入使水泥浆体包裹骨料更为严紧，从而增大了透水混凝土内部的孔隙率，提高了透水系数。
综上，增强料中应选用0.3%的聚羧酸减水剂。
3.2 早强组分对透水混凝土强度及透水性能的影响
由于透水混凝土的骨料是靠点接触的方式粘结在一起，因此，适当提高水泥浆体的早期强度对透水混凝土强度的发展具有有利的影响。本试验早强剂的掺量及试验配合比及试验结果见表2、图4。
表2 掺入早强组分的透水混凝土配合比及试验结果
Tab.2 Incorporation of permeable concrete early strength component of the mix ratio test results
图4 早强组分掺量对强度的影响
Fig.4 Effect of early strength agent volume on strength
早强剂的掺量与透水混凝土的抗压、抗折强度的关系如图4。由图4可以看出，早强剂的掺入对透水混凝土的早期强度提高非常明显，且随着掺量的提高，其提高幅度越大。当掺量为1.2%时，其7 d抗压强度提高了47.1%。使用早强剂的透水混凝土28 d强度相比基准组也有一定的提高，且提高幅度随着掺量的增大而增大。当掺量为1.0%时，其抗压强度提高了29.1%，抗折强度也有一定程度的提高。故加入早强剂的作用在于促进水泥早期水化速度，提高混凝土的早期强度，并且对后期强度无明显影响[4]。 对于透水混凝土而言，早期抗压强度的提高对其后期的抗压强度具有一定的促进作用。这是因为，早强剂对水泥早期水化的促进，使得在浆体-骨料的界面上，生成大量水化产物，呈不规则状覆盖在骨料表面，从而增强了粘结强度，促进了透水混凝土强度的发展。
早强剂的掺量与透水混凝土的透水系数、透水率的关系如表2所示，可以看出，早期强度对掺早强剂的透水混凝土的透水系数并无影响。这是因为，透水混凝土的透水性能主要是由内部孔隙率决定的，早强剂的加入只是促进早期强度的提高，对孔隙率并没有影响，因此，早强剂对透水性能没有影响。
综上所述，增强料中应选用1.0%的早强剂。
3.3 增粘组分对透水混凝土强度及透水性能的影响
增粘剂的作用在于增加水泥浆体的粘度[5]，使透水混凝土成型时骨料与骨料之间的粘结更为牢靠，对透水混凝土强度的增长有着促进作用。本试验选用三种增粘剂，试验所用配合比及结果见表3，图5。
表3 掺入增粘组分的透水混凝土配合比及试验结果
Tab.3 Incorporation of increasing viscosity component of the permeable concrete mix ratio test results
图5 增粘组分掺量对强度的影响
Fig.5 Effect of tackifier volume on strength
增粘剂的种类及掺量与透水混凝土的28 d抗压、抗折强度的关系如图5所示。由图可以看出，掺0.1%的增粘剂对透水混凝土的抗压、抗折强度有着非常显著的提高，这是由于增粘剂增强了水泥浆体与骨料之间的粘结力，从而提高透水混凝土的强度。而当掺量超过0.1%时，抗压和抗折强度呈下降趋势，这是因为部分水泥颗粒被增粘剂乳液包裹，阻碍了水泥颗粒的充分水化，使其强度降低[5]。对比三种增粘剂，当掺量同为0.1%时，掺HX型增粘剂的透水混凝土强度要高于掺FTN型和JJX型的强度，其对抗压强度和抗折强度分别提高了10.3%和22.7%。
改变增粘剂的种类及掺量时，透水混凝土的透水系数和透水率如表3所示。由表3可知，增粘剂的加入对透水系数和透水率都有一定程度的提高。原因是增粘剂增加了水泥浆的粘稠度，使得水泥浆体更加均匀的包裹骨料，骨料之间的胶结面积相对减小，增大了透水混凝土内部的总孔隙率。
综上所述，增强料中应选用0.1%的HX型增粘剂。
3.4 增强料对透水混凝土的性能的影响
将本试验得到的增强料用于透水混凝土中，所用配合比及试验结果分别见表4和表5，得到其主要性能指标如下(其中，标准值参考CJJ/T135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》)。
表4 掺入增强料的透水混凝土配合比
Tab.4 Mix proportion of permeable concrete mixed with Reinforced Concrete /(kg/m3)
表5 掺入增强料的透水混凝土试验结果
Tab.5 Experimental results of permeable concrete mixed with Reinforced Concrete
由表4和表5可以看出，与基准组相比，掺入增强料的透水混凝土容重得到增加，在强度和透水系数上都有很大提升。这是因为，在增强料的作用下，水泥浆体更加密实，骨料与浆体、骨料与骨料之间的粘结都变得更加紧密。而且，掺入增强料以后，透水混凝土的拌合用水量减少，水泥浆体的粘稠度增加，早期强度得到提高。在各组分的协同作用下，透水混凝土的强度和透水系数都得到了提高。
4 增强料对透水混凝土性能提高的机理
由透水混凝土的结构特点可知，其受力时通过骨料间的胶结点传递力的作用，由于骨料本身的强度较高，水泥胶凝层较薄，水泥凝胶体与粗骨料界面之间的胶结面积小，其破坏特征是骨料颗粒间的连接点处被破坏，因此在保证一定孔隙率的前提下，增加胶结点的面积，提高胶结层的强度是提高透水性混凝土强度的关键[6-7]。
图6 未掺增强料的试块受压破坏图
Fig.6 Specimen damage with no reinforcing material
图7 掺入增强料的试块受压破坏图
Fig.7 Specimen damage with no reinforcing material
掺入增强料的透水混凝土抗压强度得到明显提高，图6、图7分别是两种试件受压破坏时的断面图。由图6可以看出，未掺入增强料的透水混凝土，在受压时，骨料并没有被破坏，而是水泥-骨料界面受压开裂导致试件的最终破坏，试件破坏后呈现松散的状态。图7中加入增强料的透水混凝土，在受压时，界面的破坏裂缝明显减少，部分骨料在压力的作用下被破坏，导致试件的最终破坏，试件破坏后呈现锥形。从试件的破坏形态可以看出，掺加增强料的透水混凝土内部，水泥浆体和胶结层的强度都得到了提高。
图8、图9是用SEM扫描电镜观察未掺增强料和掺加增强料之后的浆体-骨料界面过渡区的形态。由图8和图9可以看出，相比不掺增强料的水泥浆体，掺加增强料的水泥浆体内部水化程度较高，生成的水化产物较多，从而增加了浆体内部的密实度，提高了胶结层的强度。
水泥浆体与骨料之间的粘结力主要来源于浆体-骨料界面过渡区的机械啮合力(水泥浆体和骨料内部晶体互相交错抱合而形成)。增大晶体间的接触面积，可以显著增加浆体-骨料间的机械啮合力，粘结强度就会提高[8]。由图8和图9中的浆体-骨料界面图可以看出，相比不掺加增强料的浆体-骨料界面区，掺入增强料的界面过渡区内部的C-S-H凝胶的毛刺以及小的针状钙矾石均匀的覆盖在骨料表面，使水泥浆体与骨料连成一个整体(其界面边界模糊)；晶体接触面积增大，晶体间的机械啮合力也会增大，从而显著提高了浆体-骨料之间的粘结强度。
图8 未掺加增强料的内部浆体-骨料界面
Fig.8 Interface diagram with no reinforcing material
图9 掺加增强料的内部浆体-骨料界面
Fig.9 Interface diagram with reinforcing material
5 结 论
(1)聚羧酸减水剂对透水混凝土的透水系数和透水率有一定的提高作用，而其对抗压、抗折强度则有大幅度的提高，掺量在0.3%时对抗压强度和抗折强度分别提高了35.7%和50%;
(2)早强剂对透水混凝土的早期强度有着显著的提高效果，掺量宜为1.2%，对7 d抗压和抗折强度的提高达到了30%和36%，效果最好；而早强剂对透水系数和透水率影响较小;
(3)增粘剂有利于骨料之间的粘结，适宜的掺量对透水混凝土的抗压、抗折强度有提高作用。掺量为0.1%的HX型增粘剂对抗压和抗折强度提高效果最好，分别达到了10.3%和22.7%；对透水性能也有一定程度的改进;
(4)增强料的加入，使得透水混凝土内部骨料之间的粘结力增强，显著提高透水混凝土的强度；同时也在一定程度上增加了孔隙率，提升透水性能。
参考文献：
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Effect of Reinforcing Agent Composition on Performance of Permeable Concrete
Abstract：The reinforcing agent is used for improving compressive strength, flextural strength and penetration of permeable concrete. The effects of water reducing composition, early strength compositiont and viscosity modifying compositon on the performance of permeable concrete were studied.The compressive strength, flexural strength, and the permeability coefficient and the water permeability of the permeable concrete were measured by changing types and content of the various components in the reinforcing agent. The experimental results show that the preformence of concrete with the reinforced agent by 0.3% of polycarboxylic superplasticizer, 1.0% of early strength increasing agent and 0.1% viscosity is more better.
Key words：permeable concrete;strength;reinforcing agent;water permeability coefficient
