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【作者機構】 沈陽農業大學水利學院
【來 源】 《硅酸鹽通報》 2017年第3期P864-869頁
【分 類 號】 TU528.2
【分類導航】 工業技術->建筑科學->建筑材料->非金屬材料->混凝土及混凝土制品->輕質混凝土
【關 鍵 字】 透水混凝土 配合比 孔隙結構 抗壓強度
【摘 要】 綜述了透水混凝土的原材料特性和配合比設計方法;闡述了研究透水混凝土抗壓強度和孔隙結構的數學模擬和軟件建模的方法;對比分析了透水混凝土與普通混凝土在抗壓強度計算、尺寸效應和應力-應變關系等方面的區別;歸納總結了透水混凝土孔隙分布的二維和三維圖像,為研究透水混凝土孔隙結構提供了新思路.最后,提出今后應注重對透水混凝土微觀結構的研究等建議.
1 引 言
近年來,針對我國出現城市內澇、非點源污染的現象,“海綿城市”建設理念應運而生。海綿城市是指城市能夠像海綿一樣,下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水,需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用[1]。透水混凝土正是符合“海綿城市”理念的一種重要的綠色建筑材料,一方面,能夠增加城市可透水、透氣面積,降低地表溫度,有利于緩解城市“熱島現象”；另一方面,可以有效地解決水質污染,水生物棲息地喪失等多種水生態問題。目前,透水混凝土已被廣泛應用于護坡、停車場、人行道、輕載道路等領域。本文重點對透水混凝土原材料特性、配合比設計以及孔隙結構、強度特性等方面的國內外研究現狀加以綜述。
2 透水混凝土的制備
制備透水混凝土應優先選用單粒級粗骨料,一般含少量或不含細骨料,粗骨料被膠結漿體包裹,通過相互之間的接觸點粘結為整體,形成蜂窩狀的多孔結構[2]。
2.1 原材料
2.1.1 骨料
由于透水混凝土的膠結漿體層較薄,應該嚴格控制粗骨料的特性,從而制備出具有足夠透水性和強度的透水混凝土。劉小康等[2]通過試驗研究了粗骨料級配對透水混凝土性能的影響。結果表明,透水混凝土的粗集料粒徑宜控制在10～20 mm之間,其28 d抗壓強度達到15 MPa,且孔隙率大于22%,滲透系數大于20 mm/s。然而,適當降低骨料粒徑到5～10 mm,可以增加骨料之間的接觸點,從而提高透水混凝土抗壓強度[3]。除了骨料粒徑,骨料類型對透水混凝土的孔隙和強度也有重要影響,這主要是由于骨料本身不同的干強度、顆粒形狀和材質等物理特性引起的[4]。
此外,在透水混凝土原材料中摻入適量的細骨料也可增加透水混凝土的抗壓強度。砂子的摻量常用砂率表示,即透水混凝土中砂子質量占砂與石總質量的百分率。吳冬等[5]研究表明,當砂率為4.8%時,透水混凝土28 d抗壓強度由23.0 MPa增加到33.8 MPa,盡管砂子的填充性使孔隙減少,但孔隙率仍然保持在合理的范圍之內(15%～30%),且滲透系數也高于透水的最低限度(≥1 mm/s)
2.1.2 膠結材料
膠結材料的主要作用是為骨料提供充足的包裹層并將骨料膠結為整體。膠結漿體中除了使用普通硅酸鹽水泥,還可以利用粒徑細微的礦物摻合料替代部分水泥,從而提高透水混凝土強度。Yang和Jiang[6]在試驗中同時摻入6%的硅灰和0.8%的高效減水劑,配制的透水混凝土28 d抗壓強度高達57.2 MPa,滲透系數也滿足透水的要求。Lian等[4]使用偏光顯微鏡對透水混凝土薄片進行觀察,發現摻有硅灰和高效減水劑的膠結漿體密實度高,與骨料的包裹界面好,從微觀的角度進一步證實了雙摻硅灰和高效減水劑能提高透水混凝土的抗壓強度。因此,也有研究將摻加適量礦物活性超細粉和高效減水劑的透水混凝土稱作高性能透水混凝土[7]。Yang和Jiang[6]研究還表明,摻入有機聚合物也能顯著提高透水混凝土的抗壓強度,但聚合物膠結作用很難保證透水性,而且聚合物的摻量高費用也大。由此可見,制備高性能透水混凝土時,雙摻硅灰和高效減水劑比單摻有機聚合物更具優勢。
2.2 配合比
2.2.1 水膠比
水膠比是影響透水混凝土性能的一個重要因素,一般介于0.25～0.40之間。若水膠比過小,膠結漿體過于干稠,混凝土拌合物和易性太差,膠結漿體不能充分包裹骨料表面,不利于提高混凝土的強度；若水膠比過大,稀的膠結漿體可能將透水孔隙部分或全部堵死,既不利于透水,也不利于強度的提高。而且水膠比還與外加劑的性能和混合摻合料有著密切的關系。因此,如何選擇最佳水膠比成為制備透水混凝土的關鍵。王武祥等[8]最早通過目測方法決定合適的水膠比；王蔚等[9]通過控制膠結材料流動度的方法間接地判斷最佳水膠比。這兩種方法雖然簡單卻不十分科學,得到水膠比的范圍也比較大。Nguyen等[10]提出了篩網排漿的試驗方法,此方法可以直接得到透水混凝土的最佳水膠比,相比前兩種方法更加科學實用。
2.2.2 骨膠比
骨膠比的大小直接影響骨料顆粒表面包裹的漿體薄厚程度,包裹層厚度對透水混凝土性能有較大影響,測量包裹層厚度的方法主要有手工測量法[11]和蠟封法[12]。Torres等[11]通過試驗表明,采用大骨膠比制備的透水混凝土包裹層最薄為2.57 mm,其28 d抗壓強度為3.2 MPa,孔隙率為31.2%,滲透系數為16.9 mm/s；采用小骨膠比制備時,包裹層最厚達5.59 mm,其28 d抗壓強度為18.6 MPa,孔隙率為18.9%,滲透系數為5.3 mm/s。可見,在配合比設計過程中,為保持包裹層的合理厚度,應選擇適當的骨膠比,一般介于4∶1～6∶1之間。
3 透水混凝土的性能研究
3.1 孔隙結構
孔隙率是表示透水混凝土孔隙結構的基本參數。孔隙是指混凝土總體積扣除固體骨架所占據的體積后的剩余部分,它由連通孔隙、半連通孔隙以及封閉孔隙組成,三者之和為全孔隙。全孔隙體積與試件總體積的百分比,稱為全孔隙率(或總孔隙率)。連通孔隙與試件總體積的百分比,稱為連通孔隙率(或有效孔隙率)。參考日本《多孔混凝土孔隙率試驗方案》,全孔隙率和連通孔隙率可以通過浮力稱重的方法測得[13]。Ibrahim等[14]強調區分全孔隙率和連通孔隙率是很有必要的,全孔隙率是控制抗壓強度的一個重要參數,而連通孔隙率與滲透系數有緊密聯系。
雖然浮力稱重法可以測出連通孔隙率,但是并不能直接描繪透水混凝土內部孔隙結構。為此,許燕蓮等[15]沿圓柱體透水混凝土試件橫向切割,將截面處理后重現了孔隙分布的二維圖像(圖1a)。從橫向切面孔隙分布圖中求出透水混凝土等效孔徑的大小和平面孔隙率(圖1b)。經過統計得出：對于骨料粒徑為10～20 mm、連通孔隙率為20%～30%的透水混凝土,其等效孔徑大小在10～20 mm之間,主要集中在13～16 mm范圍內,其平面孔隙率與試件的全孔隙率較為接近；Sumanasooriya等[16]沿縱向對透水混凝土進行切割,分別得到縱向切面孔隙分布圖(圖2a)、縱向切面漿體分布圖(圖3a)及孔隙率和漿體體積分數分別沿深度的變化趨勢(圖2b和圖3b)。可見,隨著深度增加,孔隙率降低而漿體體積分數增加,且最小孔隙率和最大漿體體積分數同時出現在透水混凝土最底部。分析表明,這是由于漿體過多導致沉淀產生的。為了進一步觀察透水混凝土內部的孔隙結構和孔的連通性,C′osic′等[17]重建了透水混凝土的三維孔隙結構(圖4)。通過量化孔隙體積發現透水混凝土中連通孔隙大約占總孔隙50%～70%。透水混凝土二維和三維結構的建立為研究透水混凝土的孔隙結構和滲透性提供了一種有效的模型,也為透水混凝土力學性能的數值模擬奠定了基礎。
圖1 (a)橫向切面孔隙分布圖(其中白色區域代表孔隙)；(b)等效孔徑示意圖[15]
Fig.1 (a)Pore distribution along the transverse section
(white areas represent pores)；(b)Sketch of the equivalent aperture[15]
圖2 (a)縱向切面孔隙分布圖(其中陰影區域代表孔隙)；(b)孔隙率沿深度的變化趨勢[16]
Fig.2 (a)Pore distribution along the longitudinal section
(shadow areas represent pores)；(b)Variation of porosity with depth[16]
圖3 (a)縱向切面漿體分布圖(其中陰影區域代表漿體)；(b)漿體面積分數沿深度的變化趨勢[16]
Fig.3 (a)Paste distribution along the longitudinal section
(shadow areas represent paste)；(b)Variation of paste area fraction with depth[16]
圖4 透水混凝土三維孔隙結構[17]
Fig.4 Three-dimension pore structure of permeable concrete[17]
此外,滲透系數是表征透水混凝土孔隙結構的另一個參數。滲透系數的測量方法按照水頭狀況分為常水頭法和降水頭法[18]。Qin等[19]對這兩種方法進行比較,發現降水頭法測值要高于常水頭法測值,這主要是因為降水頭法忽略了外加應力對滲透性的影響。透水混凝土的滲透系數常利用連通孔隙率表示[18],但此類關系式并沒有考慮迂曲度的影響。為此,Kuang等[20]和Zhong等[21]從不同角度分別對Kozeny-Carman方程進行修正。經過驗證,修正的Kozeny-Carman方程比以往的經驗公式能更有效地預測透水混凝土的滲透系數。
3.2 抗壓強度
普通混凝土抗壓強度由骨料強度和膠結漿體強度控制,而透水混凝土屬骨架多孔結構,其抗壓強度主要受到全孔隙的影響。已有研究常使用線性函數[22]或指數函數[23]等單一方程來表示透水混凝土全孔隙率對抗壓強度的影響,其相關系數相對較低,適用性有限。Lian等[24]根據Griffith微裂紋理論推導出新的復合方程見公式(1),該方程通過全孔隙率預測抗壓強度的相關系數R2達到0.99,比已有的單一方程能更好地表達透水混凝土的破壞強度,但仍沒有解決適用性的問題。Zhong等[25]在線性方程基礎上延伸出一個新的方程見公式(2),除了全孔隙率,此方程還綜合考慮骨料粒徑、漿體強度和骨膠比對透水混凝土抗壓強度的影響,從而可以預測普通甚至高強透水混凝土的抗壓強度,得到的相關系數R2均為0.82,相關性較好。
σ
(1)
σ=σ0(1-pφ)(
)q
(2)
其中,σ表示破壞應力,MPa；φ表示全孔隙率,%；A,m,n是常數；σ0表示孔隙率為0時混凝土強度，MPa;d0表示最小骨料粒徑，nm;p,q是常數(其中，q是隨膠結漿體強度增加而減小的常數)。
目前對透水混凝土抗壓強度的測定均采用普通混凝土的測試方法，我國按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002)[26]的規定執行，利用公式(3)計算透水混凝土的強度
(3)
其中:fcc表示混凝土立方體試件抗壓強度，MPa；F是試件破壞荷載，N；A為試件承壓面積，mm2。
然而，透水混凝土試件的承壓面積與普通混凝土有所不同，普通混凝土的承壓面積就是試件的外形尺寸，而透水混凝土孔隙部分并沒有承受壓力。因此，宋中南等[27]提出一個新指標“實材抗壓強度”來表征透水混凝土實體部分的強度。計算“實材抗壓強度”時，承壓面積是去除了孔隙部分所占的面積，即用試件外形面積與平面密實度的乘積來表示，具體見公式(4)
(4)
其中，f表示混凝土立方體試件的實材抗壓強度，MPa；A'為試件平面密實度，%。
普通混凝土抗壓強度測定規定邊長150 mm立方體試件為標準試件，用非標準試件測得的強度值均應乘以尺寸換算系數，對邊長200 mm立方體試件換算系數為1.05；對100 mm立方體試件換算系數為0.95[26]。在此基礎上，陳瑜等[7]對透水混凝土的尺寸效應進行了研究，結果表明：相對于邊長150 mm的立方體試塊，不同孔隙率條件下透水混凝土的尺寸效應超過普通混凝土，且孔隙率越大，尺寸效應越顯著，這是由邊界“壁效應”產生的。因此，透水混凝土將各試件邊長均減去骨料最大粒徑的2/3后，取有效面積再進行強度計算。在10.1%，15.5%和20.6%孔隙率條件下，邊長200 mm立方體試件換算系數分別為1.06，1.09和1.10；邊長100 mm立方體試件換算系數分別為0.93，0.90和0.88。經有效面積修正后，透水混凝土抗壓強度試件尺寸效應有所下降，但仍高于普通混凝土。
由透水混凝土抗壓強度測定得到的應力—應變曲線，與普通混凝土相比有顯著差異。張茂剛等[28]通過試驗總結出了透水混凝土的應力—應變曲線特點：(1)未到達波峰而突然中斷的曲線較多；(2)曲線中易出現不圓滑的波折，尤以孔隙率較大的試件更為明顯。這說明透水混凝土內部孔隙易在靜壓加載過程中引發裂縫，使試件產生不均勻變形和突然性破壞，這種變形和破壞會隨著孔隙率的增大而更趨顯著。對透水混凝土應力—應變關系的試驗研究也為其強度模擬奠定了重要的基礎。
Akand等[29]基于軟件建模的方法對透水混凝土強度破壞進行了研究。通過SEM捕捉透水混凝土內部的孔隙，并用ImageJ獲得孔隙位置和大小的分布參數；在MATLAB中利用導出的參數重建空隙的微觀結構，在重建結構中圓代表孔隙，圓外區域代表混凝土基體，其中圓的數量和百分率等于實際試件孔隙的數量和孔隙率，孔隙的位置雖然與實際試件不同，但與實際基體遵循相同的分布；然后借助ANASYS力學分析功能進行強度模擬。圖5表示在ANASYS中創建的透水混凝土幾何圖形，圖6表示應用位移變形使得混凝土基體產生裂紋和破壞的混凝土基體。研究結果表明，通過模型和試驗獲得的應力—應變曲線雖然不完全匹配，但十分相近。
圖5 在ANASYS中創建的透水混凝土幾何圖形[29]
Fig.5 Permeable concrete geometry created in ANSYS[29]
圖6 破壞后的透水混凝土基體[29]
Fig.6 Permeable concrete matrix after failure[29]
4 結 論
縱觀國內外透水混凝土的研究現狀,關注點主要集中于透水混凝土的制備和性能測定等試驗方法的研究。在今后一段時間,應注重對透水混凝土微觀結構的研究,以進一步解釋其力學性能。此外,透水混凝土作為建設海綿城市的具體措施,應制定有關透水混凝土配合比設計、施工、養護、管理等方面的國家級規范標準,并根據工程需求的選擇不同類型的透水混凝土,此將成為推廣透水混凝土的要點。
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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
