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【來 源】 《浙江建筑》 2017年第1期P61-65頁
【分 類 號】 TU528.01
【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->一般性問題->基礎理論
【關 鍵 字】 透水混凝土 透水性能 骨料級配 孔隙率 堵塞物質
【摘 要】 研究了骨料粒徑及級配、孔隙率、堵塞物質類別及粒徑對透水混凝土(Permeable concrete,PC)透水性能的影響。結果表明:PC的透水性能隨骨料粒徑與級配的改變而改變,4.75~9.50 mm單級配骨料的PC綜合性能最好,連續級配的PC力學性能和透水性能變化相反。透水系數隨著孔隙率的增大而增大,兩者呈冪函數關系。0.3~0.6 mm剛性砂礫對PC透水性能影響最大,0~2.36 mm范圍全粒徑級配的砂礫會在PC表面形成密實的堵塞層,使透水性能急劇下降;處于多粉塵和油污環境中的透水混凝土路面(Permeable concrete pavement,PCP)透水性能衰減較快,需及時清理才能保持合適的透水性能。
透水混凝土(Permeable concrete,PC)是由單一級配的粗骨料、水泥、水和添加劑等經特殊工藝拌制而成的含有眾多貫通孔隙的混凝土[1]。近年來,隨著城市內澇災害的頻繁發生,PC這種生態環保型的路面鋪裝材料越來越受到重視。與普通混凝土路面相比,透水混凝土路面(Permeable concrete pavement,PCP)具有良好的透水、透氣性能[2],因此它不僅能緩解城市洪澇災害,還具有補充地下水資源、調節城市溫濕度、增加行人舒適度等優點[3-4]。
目前國內對PC的制備工藝、配合比設計、力學性能等方面進行了比較全面的研究[5],但對于不同因素對PCP透水性能的影響方面的研究還不夠。本文研究骨料粒徑及級配、孔隙率、堵塞物質類別及粒徑等因素對PCP透水性能的影響。
1 原材料及試驗方法
1.1 原材料
水泥：太倉海螺水泥有限責任公司生產的P·O42.5級普通硅酸鹽水泥。
骨料：南京匯森石料廠生產的花崗巖碎石,不同粒徑的骨料技術性能見表1。
表1 骨料技術性能
減水劑：上海臣啟化工科技公司生產的聚羧酸緩凝高性能減水劑,摻量為0.3%時減水率為22%。
水：自來水。
1.2 成型工藝及養護方法
攪拌采用集料表面包裹法[6],即先將全部骨料和70%的水加入強制式攪拌機中預先攪拌60 s,然后加入50%的水泥和所有減水劑,繼續攪拌60 s,最后將剩余的50%水泥和30%的水加入攪拌機攪拌120 s。試件采用壓制法成型,將拌合物裝入定制的靜壓成型模具中,用壓力機施加壓力,成型壓力為1.5 MPa,恒壓時間為 10 s。測試試件為直徑110 mm、高100 mm的圓柱體,試塊與成型模具采用一體化設計,即在后續試驗中試塊不用從模具中取出。試件成型后帶模標準養護24 h后拆模,然后繼續在標準養護室中養護28 d至測試齡期。
1.3 研究內容
1.3.1 影響因素
本試驗考慮三種不同的影響因素,分別為：
1)骨料粒徑及級配 試驗中固定水灰比為0.3,集灰比為3.7,分別用不同粒徑的骨料單獨拌制透水混凝土,以及應用混料設計方法通過改變不同粒徑骨料的百分比來進行粒徑的級配試驗。
2)孔隙率 本試驗采用體積法對PC試塊進行配合比設計,骨料粒徑4.75～9.5 mm,試驗設計孔隙率為10%～30%，共5組,通過調整集灰比和水灰比來制作出不同孔隙率的試塊；每組配比制作2個試塊,集灰比相同，水灰比分別為0.25和0.30。不同配合比的試塊實測孔隙率及透水系數見表2。
表2 孔隙率對透水混凝土透水性能影響試驗配合比及結果
3)堵塞物質類別及粒徑 試驗中以目標孔隙率為20%的PC試塊為試驗對象,其初始透水系數為16.12 mm/s。選取不同粒徑的砂礫、黏土以及沾染油污的泥沙來測試PC在被不同物質堵塞后透水性能的變化,其中干燥黏土與水以及干燥泥沙與廢棄機油以4∶1的比例混合并拌合均勻,每次將堵塞物質各取1 g均勻涂抹在試塊表面,并用橡膠錘輕輕拍實后在自然環境中放置3 d,連續10次,以模擬PCP在實際使用中的堵塞過程。養護結束后先測定各試塊的透水系數,再將試塊放在水槽中用3 MPa高壓水槍沖洗堵塞面并稱量統計各類堵塞物質的穿透率。
1.3.2 孔隙率測定
PC中的孔隙主要有封閉孔隙、不連續孔隙和貫通孔隙三種,其中只有貫通孔隙是水的滲透通道,這也稱為PC的有效孔隙率。本試驗所測定的孔隙率為貫通孔隙,其方法是先將試塊在水中浸泡1 d,并稱量試塊浸水飽和狀態下的質量為 m1,然后將試件烘干至恒重后測定其質量為m2,根據式(1)計算PC試塊的孔隙率 P。
(1)
式(1)中：V為試塊的體積； ρ水為水的密度。
1.3.3 透水系數測定
圖1 自制透水儀
圖2 定制模具
利用自制的透水儀(圖1)采用“定水頭法”測定PC試塊的透水系數[7]。在制作試塊前,在模具內側面用玻璃膠每隔30 mm劃出一道圓圈(圖2),以保證測試過程中水流不會從試塊與模具接觸面的縫隙中流出而引起短流,提高測定結果的精確性。測試前先將試塊浸水飽和,測試過程中透水儀中水位取50 mm,記錄一定時間內燒杯中收集的水量,根據式(2)計算透水系數K(mm/s),每個試塊測定3次取平均值。
(2)
式(2)中：Q為滲流量，mm3； L為試塊的高度，mm； A為試塊橫切面面積，mm2； h為水頭高度差，mm； t為試驗持續時間，s。
1.3.4 抗壓強度測定
PC試塊的抗壓強度按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準(GB/T 50081—2002)》進行,測定試塊28 d的抗壓強度。
2 試驗結果分析
2.1 骨料粒徑及級配對PC透水性能的影響
由表3可見,PC的各項技術指標與骨料粒徑關系密切。大粒徑配比的PC 28 d抗壓強度下降的原因主要是骨料粒徑增大,骨料顆粒間的咬合點減少,由此產生的咬合摩擦力及其與水泥漿體的粘結力減小所致[8]；而此時PC的透水性能會顯著增強,這是因為骨料的粒徑會直接影響到PC的孔隙率和孔徑；隨著粗骨料粒徑的增大,成型后的PC逐漸從密實結構轉變為疏松的骨架結構,孔隙率和孔徑也隨之增大,水流通過的摩擦阻力和能量損失減小。從試驗結果中可看出透水系數和抗壓強度是一對矛盾的性能指標,綜合這兩個指標可得出,4.75～9.50 mm的單級配PC性能最佳。
表3 骨料粒徑對透水混凝土透水性能的影響
如表4所示,隨著2.36～4.75 mm粒徑骨料的減少和4.75～9.50 mm粒徑骨料的增多,PC的有效孔隙率和透水系數逐漸升高,抗壓強度逐漸降低。結合表3可知，在2.36～4.75 mm粒徑骨料占80%、4.75～9.50 mm粒徑骨料占20%時,有效孔隙率最小,抗壓強度最高。這是因為在此骨料比例下,小粒徑骨料大部分密實地填充到了大粒徑骨料的孔隙中,PC達到了堆積最緊密的狀態。當加入9.50～16.00 mm的粗骨料后,PC抗壓強度顯著降低,而透水性能則明顯增強,主要原因是大粒徑骨料會形成較大的孔徑,進一步減少了骨料間的咬合點和水流與孔壁的接觸面積。
2.2 孔隙率對PC透水性能的影響
圖3為實測孔隙率與透水系數之間的關系,從圖中可發現,兩者呈現明顯的冪函數關系,擬合后PC的透水系數與孔隙率的關系式如下：
圖3 孔隙率對透水性能影響
PC的透水系數隨著有效孔隙率的增大而增大,這是因為水流在通過PC內部貫通孔隙時,會與孔隙內壁及水流內部產生摩擦而消耗掉一部分能量,使水流速度逐漸降低[9]。孔隙率越小,貫通孔隙的內徑越小且迂回曲折,水流通過的路徑就越長,消耗的能量也會越多。隨著有效孔隙率的增加,貫通孔隙的數量及內徑都會增大,水流的實際過水斷面面積增加,大孔徑孔隙的相對粗糙度小于小孔徑孔隙的相對粗糙度,因此水流在滲透過程中受到的摩擦阻力就越小,從而導致水流速度加快。
表4 骨料級配對透水混凝土透水性能的影響
2.3 堵塞物質類別及粒徑對PC透水性能的影響
PCP建成后,地面交通、植被落葉和地表徑流所攜帶的泥沙會逐漸堵塞孔隙,致使PCP的透水系數降低甚至喪失透水能力[10]。對PCP堵塞物質進行取樣篩選,發現剛性顆粒狀的堵塞物質粒徑絕大部分在2.36 mm以下,更大粒徑的堵塞物質在日常路面清潔維護時會被清理掉,小粒徑的顆粒因鑲嵌在路面的孔隙中難以被清除而殘留下來,且粒徑越小滲入PC的深度越深[11]。堵塞物質粒徑及類別對PC透水性能的影響試驗結果見表5。
從圖4中可以看出,當堵塞物質為剛性的砂礫時,隨著砂礫粒徑的增大,PC透水系數先減小后增大。砂礫粒徑小于0.075 mm時,因粒徑太小且相互之間沒有粘結力,砂礫難以堵塞在貫通孔隙中,在試塊表面有一定水壓的情況下,86.65%砂礫會隨水流穿過孔隙。隨著粒徑的增大,砂礫會因孔徑不規則而堵塞堆積在孔隙中,使孔隙過水斷面面積減小,透水系數也迅速降低,由圖4可知0.3～0.6 mm粒徑砂礫對20%目標孔隙率的PC透水性能影響最大。當砂礫粒徑大于0.6 mm后,水流不能再將砂礫帶到貫通孔隙的深處,大部分砂礫聚集在透水混凝土表面,因大粒徑砂礫與砂礫、砂礫與PC之間所產生的孔隙也較大,水流在通過PC表層后迅速下滲,因此對透水性能影響較小。隨著水流的流動，0～2.36 mm范圍全粒徑級配砂礫中大粒徑砂礫會堵塞在PC表面孔隙中,使孔隙的孔徑減小,之后更小粒徑的砂礫又會堵塞在新形成的小孔隙中,這樣孔隙的橫截面進一步減小,粒徑較小的砂礫不能再隨水流進入貫通孔隙深處,這樣就會在PCP表面形成一定厚度的密實堵塞層,使透水系數急劇下降。
表5 堵塞物質類別及粒徑對透水混凝土透水性能的影響
圖4 不同粒徑及類別的堵塞物質對透水性能的影響
黏土是含砂礫很少而有黏性的土壤,由于其具有很強的可塑性,黏土在PC表面被行人踩踏和車輛碾壓后會嵌入孔隙中,并且干燥后會阻礙水分通過,當PCP表面有積水時,水流只能透過黏土緩慢下滲。修車鋪和餐飲區等特殊場所附近的泥沙往往帶有油污,這種泥沙進入孔隙中后會與孔隙壁緊密粘貼在一起并形成油膜,水流極難透過,使透水性能進一步降低。《透水水泥混凝土路面技術規程(CJJ/T 135—2009)》規定,PCP的透水系數應大于等于0.5 mm/s[12]。可見，長期被黏土和帶油污的泥沙堵塞的PCP透水性能會受到很大影響,必須及時清理才能保持合適的透水性能。
3 結 語
1)PC的透水性能和力學性能隨骨料粒徑與級配的改變而改變。含80%的2.36～4.75 mm骨料和20%的4.75～9.50 mm骨料連續級配的PC力學性能最好但透水性能不佳；4.75～9.50 mm單粒徑的PC綜合性能最好。
2)孔隙率與透水性能關系密切。透水系數隨著孔隙率的增大而增大,兩者呈現明顯的冪函數關系。
3)不同粒徑及類別的堵塞物質對PC透水性能影響不同。0.3～0.6 mm粒徑的剛性砂礫對PCP透水性能影響最大,0～2.36 mm范圍全粒徑級配的砂礫會在PC形成密實的堵塞層,使透水系數急劇下降；處于多粉塵和油污環境中的PCP透水性能會衰減得很快,需及時清理才能保持合適的透水性能。
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