透水混凝土性能及构造调控研究

 

    透水混凝土又称无砂混凝土，相比于传统混凝土，透水混凝土一般采用单级配骨料、无机胶凝材料、有机胶凝材料，经过特殊工艺制备而成。因其结构中存在大量连通孔隙，透气透水性均优于普通混凝土。随着中国城市化建设的大力发展，城市硬化路面占比大大提高，而早期城市建设规划中对于城市的蓄水、排水、循环利用等功能考虑不足或预估体量不足，以及城市化所造成的天然湖泊、森林面积缩减等种种因素导致如今城市普遍面临城市内涝，地表径流，水质污染等众多问题。在此背景下，建设具有渗水、滤水、蓄水功能的新型海绵城市理念应运而生。我市在近年来的城市建设中，如船厂公园、鲥鱼港公园、金井河公园的广场、园路等也尝试使用了透水混凝土铺装，然而，因对透水混凝土性能调控及配比经验不足，施工工艺不成熟等技术问题，加上现阶段市场针对透水混凝土的实际应用研究仍未完善，目前整体效果并不理想，存在面层骨料剥落、凝胶材料不匀、结浆不透水等影响整体感观的情况。为更好地满足景观及功能需求，上海同济大学材料科学与工程学院结合实际作了大量学术研究，旨在为透水混凝土的理论研究与应用提供参考。

 

 

 

灰色透水混凝土



透水混凝土人行道



透水混凝土广场



2 透水混凝土基本性能研究

 

2．1 透水混凝土功能性研究现状

 

透水混凝土主要具备透水、吸声降噪、再生废料应用与有害气体分解等方面的功能。

 

  1) 透水性。

 

    透水混凝土最重要的性能要求即透水性能，根据透水混凝土的基本原理，可知透水率与孔隙率成正比，因此骨料品种、骨料粒径、颗粒分布等对孔隙率影响显著的参数均会影响透水性。薛丽皎等人研究了骨料特征对透水性能的影响。研究表明，相比于卵石骨料，碎石骨料配制的透水混凝土其总孔隙率和透水系数更高;通过提高骨料粒径，能够显著增加透水混凝土的孔隙率及透水系数。因此在调控透水混凝土透水性的过程中，可以采用优化孔隙结构的基本思路进行，在配合比C/W：C/G： C =1：0.33：5.6 时，相同粒径范围内采用颚式破碎机破碎的石子透水率明显高于卵石，是因为碎石的棱角系数大于卵石，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况下，随着骨料粒径增大，透水混凝土中孔隙的尺寸也会逐渐增大，总孔隙率得到相应的提高，因而其透水率也越大。

 

   2)吸声降噪与其他性能。

 

    透水混凝土由于其多孔性可以使得噪声在传播过程中发生多次反射、碰撞，进而将声能转换为热能消耗掉。荆禄波等人通过实验研究得出在透水混凝土厚度为 5 cm 时就能达到优异的吸声降噪效果。在原材料的选用方面，透水混凝土具有优良的包容性。随着各种矿物掺和料，甚至市政工程固体废弃物焚烧底灰的添加，石灰石的开采，能源的消耗将得以大幅减少;适量纳米二氧化钛的加入可以使透水混凝土拥有分解有害气体的功能，从而加大了透水混凝土的环境友好性 。





2．2   透水混凝土力学性能研究

 

    由于透水混凝土的组成结构与普通混凝土存在很大的差异，因此影响其力学性能的主要因素也与普通混凝土不同，主要受到其组成成分、孔隙率与成型工艺等的影响。组成成分方面，采用反击破碎石、高早强水泥、高效减水剂均能够显著提高透水混凝土的力学性能。孔隙率是影响透水混凝土力学性能的重要因素，可通过调控粗骨料粒度分布和堆积密度，降低透水混凝土的孔隙率从而达到提高透水混凝土力学性能的效果，但是在实际应用中需要协同考虑透水性与力学性能的关系。成型工艺对于透水混凝土的性能至关重要，成型工艺有多种，例如:控制压力成型;控制贯入量成型;振动台成型;上置式振动成型;重型击实成型;插捣成型。研究表明不同成型工艺会对强度均匀性产生影响，其中上置式振动成型振动器频率为 50 Hz，激振力为 5 kN，振动时间取 30 s。这种工作模式接近振动压路机的方法在水泥浆合适的情况下得到的试件的整体孔隙率均匀，同时强度均匀性很好。

 

 

 

2．3   透水混凝土耐久性能研究

 

    抗冻性是评价透水混凝土耐久性的重要参数，以往国内学者的研究思路主要是通过计量冻融循环次数来达到衡量透水混凝土耐久性的目的;而在北方，冬季撒盐除冰作业的应用使得盐冻损坏对透水混凝土的影响增大，因此刘星雨着重研究了单边盐冻循环的质量损失问题。结果表明影响透水混凝土抗冻性的因素依次有:水灰比、骨料粒径、浆体骨料质量比、砂率、矿物掺和料等。哈尔滨工业大学的王宗鹏通过研究超疏水涂层对混凝土抗冻性的影响，得出引气与超疏水涂层处理相结合能够改善内部结构同时增强表面疏水性，从而有效提高抗冻性。而超疏水涂层对混凝土表面结冰性及疏冰性两方面的影响与倾斜角相关，具有倾斜角时，水滴可以轻易滚落，超疏水涂层提高了结冰势垒，涂层延缓了结冰时间，从减少了结冰量;另外，超疏水涂层有效阻止了混凝土表面孔内结冰现象，有效降低了冰与混凝土表面的粘结强度，从而具有良好的疏冰性。

 

 

 

3 透水混凝土性能调控的基本方法

 

    透水混凝土的透水率和强度是其两大基本性能，基于此可以从原材料、孔隙率、构造情况以及成型工艺等对其进行调控。

 

3．1 基于原材料调控透水混凝土性能在研究透水混凝土性能时，高分子聚合物乳液、矿物外加剂和化学外加剂等对于混凝土性能的影响较为显著。

 

1)高分子聚合物乳液。

 

    新拌混凝土的和易性同样是透水混凝土面临的重要问题之一，为提高拌合物的振动密实性能，增强骨料与浆体之间的粘聚力，可通过加入高分子聚合物乳液的方法得以实现。

 

2)  矿物外加剂。

 

    在普通混凝土中，通常可以通过添加高性能矿物外加剂如硅灰，提高混凝土强度。蒋正武等人研究了将硅灰加入透水混凝土中的情况，在保证拌合物和易性和成型工艺的前提下，增加硅灰会显著提高透水混凝土强度，同时能够保持一定的透水率。

 

3)化学外加剂。

 

    M． Sonebi 等人通过添加高性能减水剂，提高了透水混凝土的工作性。因为通过添加减水剂，能够显著降低浆体体系的水灰比，从而提高粘结浆体的强度，更高的界面粘结强度使透水混凝土的力学性能大幅度提高。

 

3．2  透水混凝土构造调控

 

    透水混凝土构造调控必须协同设计透水性和力学强度两方面的性能，能够有效进行构造调控的主要有:骨料级配设计、孔隙结构设计与水泥浆体体系设计等。

 

1)骨料级配设计。

 

    中南大学的张贤超以及田纳西理工大学的 L． K． Crouch，P． E．等人重点研究了骨料级配理论和离子干涉理论在透水混凝土中的具体应用，通过相关理论分析，建立了骨料基本特征参数与透水混凝土孔隙结构的关系。

 

2) 孔隙结构设计。

 

    孔隙率是影响透水混凝土透水性能和力学性能的主要因素，孔隙率受骨料级配及骨灰比的协同影响，骨料采用单级配时，孔隙率比采用多级配骨料高;骨灰比的提高意味着水泥用量的增加，透水混凝土的抗压强度虽然有一定的增强，但是其透水率却会有大幅下降。骨料级配基本相同的情况下，透水混凝土的抗压强度主要受到骨料与水泥浆体之间的粘结强度影响，而两者的粘结强度主要取决于水泥浆体层的厚度，为保证透水混凝土抗压强度的提高必然使得水泥浆体层厚度提高，因而透水混凝土的孔隙率随之减少使得透水率大幅下降。

 

3)水泥浆体体系设计。

 

    水灰比是影响混凝土强度最重要的因素之一，水灰比降低，水泥浆体的强度及粘结性能增加，透水混凝土整体力学性能会显著提高。通过优化胶凝材料组成，也能够显著调控透水混凝土的性能，增加高性能矿物外加剂如硅灰等，能够显著提高透水混凝土强度。在水泥浆体体系设计中，外加剂的引入是调控其性能的关键，通过掺加高效减水剂，能够大幅度降低水灰比，从而提高强度。为了使透水混凝土获得良好的强度及韧性，提高骨料之间的粘结性能，在水泥浆体体系中引入适量的聚合物胶粉或聚合物乳液均能实现这一目的。





3．3 透水混凝土工艺优化调整

 

    制备工艺对透水混凝土的性能具有多方面的影响，如水泥裹石法、“湿—湿”工艺、上置式振动成型法分别可对其抗压强度、强度均匀性、孔隙率以及平整度等性能做出不同程度的调整。在比较了不同的透水混凝土成型工艺后，张贤超发现采用浆体裹石法之后的透水混凝土，其抗压强度能得到 10% 的提高，透水率及其他基本性能也得到了明显改善。秦旭朝研究了新拌透水混凝土的工作性状态，结合其表观性状和结构特点对其工作性状态提出了一种评价分级体系，见表1;其中代表着水泥浆稠度过大，难以均匀包覆粗骨料的等级“A”和“B”，以及代表着水泥浆太稀，难以稳定胶结于粗骨料上的等级“D”和“E”均是不合格的。只有等级“C”方能合格。



4 结语

 

1)  透水混凝土是集各种功能性于一体的材料，它的力学性能和耐久性能可以通过控制原材料和外加剂以及增加超疏水涂层进行调控;

 

2)  高分子聚合物乳液、矿物外加剂以及化学外加剂等的加入可调节透水混凝土骨料的咬合摩擦力以及浆体—骨料之间的粘聚力;

 

3)骨料级配、骨灰比、水灰比等对透水混凝土的抗压强度和透水率等有不同程度的影响，在其构造调控中需协同设计;

 

4)  在透水混凝土的成型过程中采用浆体裹石法可提高其抗压强度达 10% ，同时显著改善其透水率及各项基本性能，新拌透水混凝土工作性状态评价分级制对其施工和验收均有较大的帮助。