透水地坪罩面劑，雙丙聚氨酯密封劑首選邦偉建材BW303，耐黃變性能好，使用進(jìn)口固化劑。
【來(lái) 源】 《硅酸鹽通報(bào)》 2017年第5期P1480-1485頁(yè)
【分 類(lèi) 號(hào)】 TU528
【分類(lèi)導(dǎo)航】 工業(yè)技術(shù)->建筑科學(xué)->建筑材料->非金屬材料->混凝土及混凝土制品
【關(guān) 鍵 字】 透水混凝土 凍融循環(huán) 質(zhì)量損失 動(dòng)彈模量
【摘 要】 透水混凝土的凍融破壞一直是一個(gè)影響其在北方地區(qū)大規(guī)模推廣的嚴(yán)重問(wèn)題,為解決這些問(wèn)題,分別用粉煤灰、乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)乳膠和聚乙烯纖維作為摻合料,通過(guò)用摻合料置換透水混凝土混合物中不同比例的水泥來(lái)分析摻合料比例的影響,對(duì)透水混凝土的滲透性、抗壓強(qiáng)度等基本物理性能作了驗(yàn)證試驗(yàn),采用快凍法以質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈模量來(lái)評(píng)價(jià)透水混凝土的凍融循環(huán)性能.試驗(yàn)結(jié)果表明,不同摻合料對(duì)透水混凝土的凍融循環(huán)性能均有一定的有利作用,但影響程度和作用機(jī)理不同.
1 引 言
透水混凝土又稱(chēng)無(wú)砂大孔混凝土，具有連續(xù)孔隙及高透水性，常被用于停車(chē)場(chǎng)、人行道等輕交通路面[1]。然而寒冷氣候條件下，尤其是我國(guó)東北、華北和西北地區(qū)的工程中，混凝土的凍融破壞一直是一個(gè)令人頭疼的問(wèn)題。而透水混凝土由于其易堵塞、低強(qiáng)度等特性，其受到寒冷水環(huán)境下凍融破壞的范圍和程度更有甚于一般混凝土。直接凝固在透水混凝土孔隙中的自由水體積膨脹，造成局部?jī)雒涢_(kāi)裂，使透水混凝土的力學(xué)性能如抗壓強(qiáng)度、彈性模量等顯著降低，甚至直接造成其質(zhì)量損失和結(jié)構(gòu)破壞[2]。針對(duì)無(wú)砂混凝土的凍融循環(huán)性能及其改進(jìn)方面，目前國(guó)內(nèi)的研究還較少。胡立國(guó)[3]向無(wú)砂混凝土摻加了硅灰和粉煤灰兩種礦物摻合料和聚羧酸高效減水劑，通過(guò)進(jìn)行凍融試驗(yàn)，以抗壓強(qiáng)度損失和質(zhì)量損失為指標(biāo)評(píng)價(jià)了無(wú)砂混凝土的抗凍性能，結(jié)果表明摻加這兩種礦物摻合料對(duì)無(wú)砂混凝土的抗凍性有明顯提高。劉星雨[4]定義了無(wú)砂混凝土鹽凍破壞評(píng)價(jià)方法，即以?xún)鋈谘h(huán)次數(shù)和質(zhì)量損失為指標(biāo)。而樊曉紅[5]、王玲玲[6]等對(duì)無(wú)砂混凝土的抗凍性能做了進(jìn)一步的研究，其結(jié)論與先前研究結(jié)果不盡相同。
研究表明，摻和料和粗集料之間的粘結(jié)強(qiáng)度是影響透水混凝土強(qiáng)度和抗凍融性能的最重要因素。國(guó)內(nèi)外已有很多學(xué)者對(duì)不同摻和料進(jìn)行研究。例如近年來(lái)有學(xué)者發(fā)現(xiàn)EVA(醋酸乙烯-乙烯共聚物)乳膠是一種高分子聚合物，可以對(duì)混凝土性能產(chǎn)生極大的提升，改良水泥混凝土耐磨、耐沖擊、耐凍融，并提高了彎曲和拉伸強(qiáng)度，主要用于道路用水泥改性劑和水泥砂漿增強(qiáng)劑[7]，但目前對(duì)EVA乳膠改性透水混凝土性能的研究相對(duì)較少；粉煤灰作為一種摻和料也可以改性透水混凝土[8]，既可以節(jié)約成本，又可以很好的利用工業(yè)廢料，但國(guó)內(nèi)外研究粉煤灰對(duì)透水混凝土的抗凍融性能的影響研究甚少；纖維摻入透水混凝土在不影響其透水性能的情況下，可以顯著改善其力學(xué)性能[9]；但缺少對(duì)抗凍融性能的研究。為了解決這些問(wèn)題，本課題組旨在尋找合適的摻和料及其比例來(lái)提高透水混凝土的抗凍融性能。研究包括粉煤灰、EVA(乙烯-醋酸乙烯酯)乳膠、聚乙烯纖維等摻合料，分析添加不同摻合料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度與抗凍融性的影響效果。通過(guò)用摻合料置換透水混凝土混合物中不同比例的水泥來(lái)分析摻合料比例的影響。
2 試 驗(yàn)
2.1 原材料
粗骨料：本次實(shí)驗(yàn)選用瓜子石，其表觀(guān)密度為2700 kg/m3，粒徑級(jí)配為5～10 cm；水泥：采用濟(jì)南生產(chǎn)的山水牌42.5普通硅酸鹽水泥；減水劑：氨基磺酸鹽系高效減水劑；摻合料：粉煤灰、高聚物液體或者絮狀纖維。
2.2 配合比
本實(shí)驗(yàn)設(shè)置空白對(duì)照組，目標(biāo)孔隙率20%，對(duì)三種摻合料，即粉煤灰、EVA乳膠和聚乙烯纖維分別進(jìn)行了研究和分析，每組三個(gè)同配比試件。聚乙烯纖維長(zhǎng)度為18～20 mm，彈性模量為110 GPa，抗拉強(qiáng)度2900 MPa，直徑25 μm，極限延伸率為3%。本文摻和料的種類(lèi)和置換水泥的比例如表1所示。9份含摻和料透水混凝土作為樣本試驗(yàn)組。所有的混凝土水灰比恒為0.27，骨料與水泥比為4∶1，水泥含量為450 kg/m3。試件模具尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，24 h后脫模并經(jīng)歷28 d齡期的養(yǎng)護(hù)。
表1 摻和料的摻量
Tab.1 Amount of adding admixtures
2.3 滲透系數(shù)測(cè)試
圖1 滲透試驗(yàn)裝置示意圖
Fig.1 Schematic of the penetration test
滲透系數(shù)是衡量透水混凝土一個(gè)重要指標(biāo)，它是單位水力梯度下通過(guò)單位面積的滲流量。本試驗(yàn)采用一種改進(jìn)的滲透系數(shù)測(cè)定裝置，即以凡士林涂抹透水混凝土試件表面，以封閉表面的孔隙并使其平整光滑，再以柔性橡膠墊增加其半徑，塞入與其尺寸相配的有機(jī)玻璃套管中。這種裝置可以最大限度得減少由于水從側(cè)壁間隙滲漏而造成的滲透系數(shù)測(cè)量誤差。首先測(cè)量試件尺寸，計(jì)算橫截面積。圖1所示為滲透試驗(yàn)裝置示意圖。具體步驟為將試件放入試驗(yàn)測(cè)定裝置，向裝置緩慢注水，直至灌滿(mǎn)。打開(kāi)下方出水閥門(mén)，并保持一段時(shí)間直至水流穩(wěn)定、氣泡排凈。讀取試件上下表面的壓力值hu和hd，得到水力梯度i:
i=
式中：s為試件高度，m；hu、hd為上下表面的壓力值；
讀取出水口的水流速度v，根據(jù)達(dá)西定律得出透水混凝土的滲透系數(shù)k：
k=
2.4 抗凍融性能
圖2 快速凍融機(jī)內(nèi)的試件
Fig.2 Test specimen in rapid freezing and thawing machine
由于透水混凝土為新型材料，國(guó)內(nèi)尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定透水混凝土的抗凍性能，故本試驗(yàn)中透水混凝土抗凍性能測(cè)試參照歐美標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)為：ASTM C 666-84，透水混凝土的凍融試驗(yàn)有快凍法和慢凍法兩種[10]。本試驗(yàn)中采用快凍法，單次凍融循環(huán)時(shí)間為4 h，并且凍融循環(huán)中的融化時(shí)間不能小于總時(shí)間的1/4。凍結(jié)最低溫度是(-18±2) ℃，融化最高溫度為(4±2) ℃。該溫度以所有傳感器測(cè)量平均值為準(zhǔn)。將透水混凝土試件養(yǎng)護(hù)28 d，在26 d時(shí)將透水混凝土試件去除放入(20+2) ℃的清水中浸泡兩天，浸泡水面高出試件頂面20～30 mm，之后在陰暗的室內(nèi)將透水混凝土試件晾干。然后，使用動(dòng)彈儀測(cè)量透水混凝土橫向基頻初始值和彈性模量，稱(chēng)量試件初始質(zhì)量，并編號(hào)。然后進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，每25次循環(huán)后檢查透水混凝土試件外觀(guān)，稱(chēng)量試件質(zhì)量，使用動(dòng)彈儀測(cè)量試件彈性模量。若質(zhì)量損失超過(guò)5%或彈性模量損失超過(guò)40%(小于初始值的60%)[11]，停止實(shí)驗(yàn)，否則繼續(xù)。圖2為實(shí)驗(yàn)時(shí)快速凍融機(jī)內(nèi)的試件。
由于降雨、降雪后，地表徑流會(huì)迅速通過(guò)連通的孔隙進(jìn)入路基及穿孔管排出，從而不會(huì)形成透水混凝土路面完全浸泡在水中的現(xiàn)象，作者認(rèn)為使用上述凍融試驗(yàn)方法不能完全真實(shí)還原自然凍融循環(huán)過(guò)程，但上述試驗(yàn)方法的條件更為嚴(yán)酷，可以反映透水混凝土在極端惡劣條件下的表現(xiàn)。
2.5 力學(xué)性能測(cè)試
抗壓強(qiáng)度按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)[12]進(jìn)行。
3 結(jié)果與討論
3.1 透水混凝土的基本物理性質(zhì)
試驗(yàn)得到各組試件凍融循環(huán)前的平均滲透系數(shù)和平均抗壓強(qiáng)度如表2所示。根據(jù)《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》，透水混凝土在工程使用中應(yīng)滿(mǎn)足滲透系數(shù)大于0.5 mm/s，可以看出，各組試件的平均滲透系數(shù)在2.04～2.25 mm/s之間，平均抗壓強(qiáng)度在20.6～25.1 MPa之間，均滿(mǎn)足透水性和抗壓強(qiáng)度的要求。
表2 各組試件平均滲透系數(shù)和平均抗壓強(qiáng)度
Tab.2 Average permeability coefficient and compressive strength of each group
3.2 透水混凝土宏觀(guān)破壞形態(tài)及原理
透水混凝土的凍融試驗(yàn)過(guò)程經(jīng)歷了表層粗骨料與水泥漿分離、粗骨料與水泥漿脫落、裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展3個(gè)明顯的宏觀(guān)破壞過(guò)程(如圖 3所示)，即試件經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后，表面骨料發(fā)生破損并開(kāi)始出現(xiàn)疏松、剝落，且隨著凍融次數(shù)的增加，情況逐漸加重，粗骨料與水泥漿產(chǎn)生分離，之后在粗骨料交界處出現(xiàn)可見(jiàn)的裂縫并不斷發(fā)展導(dǎo)致最終斷裂。由此可見(jiàn)透水混凝土的破壞發(fā)展過(guò)程和破壞形式均與普通混凝土存在巨大差異。
在凍融循環(huán)過(guò)程中，由于透水混凝土內(nèi)存在過(guò)冷的水和結(jié)冰的水，在結(jié)冰的水體積膨脹的情況下，過(guò)冷的水發(fā)生遷移，使得透水混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微小孔隙或使原本微小孔隙變大，使得透水混凝土連接層不穩(wěn)定，或者使一些連接物質(zhì)脫離。另一方面，透水混凝土構(gòu)件溫度存在一定的梯度，表面的溫度最低，內(nèi)部的溫度最高，從而產(chǎn)生凍脹力。在正負(fù)溫度反復(fù)交替作用下，猶如疲勞作用，使結(jié)冰生成的微裂縫不斷擴(kuò)大，最終導(dǎo)致透水混凝土破壞。
圖3 透水混凝土試件凍融試驗(yàn)的宏觀(guān)破壞發(fā)展過(guò)程(a)未凍融前;(b)表層粗骨料與水泥漿分離;(c)粗骨料與水泥漿脫落;(d)貫穿裂縫的產(chǎn)生
Fig.3 Destroying and developing process of pervious concrete with freeze-thaw cycle(a)before freeze-thaw cycle;(b)surface coarse aggregate and cement slurry separation;(c)coarse aggregate and cement paste loss;(d)through crack emerged
3.3 不同摻合料對(duì)透水混凝土的凍融循環(huán)性能的影響
在凍融循環(huán)性能試驗(yàn)中，分別測(cè)試了摻和粉煤灰、EVA乳膠和纖維等各組透水混凝土試件的質(zhì)量損失和動(dòng)彈模量的變化。試件凍融后質(zhì)量損失率按下式計(jì)算：
W=
×100%
式中：W為n次凍融循環(huán)后試件質(zhì)量損失率，%；G0為凍融循環(huán)前試件質(zhì)量，kg；Gn為凍融循環(huán)后試件質(zhì)量，kg。圖4為各組透水混凝土試件在凍融循環(huán)過(guò)程中質(zhì)量損失率變化。圖5為粉煤灰組相對(duì)動(dòng)彈模量變化示意圖。
動(dòng)彈模量的變化可以反映試件內(nèi)部的凍融損傷情況。本文以相對(duì)動(dòng)彈模量(凍融循環(huán)后實(shí)際測(cè)得的動(dòng)彈模量與初始動(dòng)彈模量的比值百分?jǐn)?shù))作為其評(píng)價(jià)指標(biāo)。
圖4 各組透水混凝土試件在凍融循環(huán)過(guò)程中質(zhì)量損失率變化
Fig.4 Percent mass loss of each group with number of freezing-thawing cycle
圖5 粉煤灰組相對(duì)動(dòng)彈模量變化
Fig.5 Dynamic modulus of fly ash group
(1)粉煤灰摻量對(duì)透水混凝土性能的影響分析
結(jié)合圖4和圖5可以看出，在凍融循環(huán)過(guò)程中，摻加粉煤灰的透水混凝土發(fā)生了一定程度的質(zhì)量損失，并且其質(zhì)量損失率略低于對(duì)照組的質(zhì)量損失率；而其動(dòng)彈模量與對(duì)照組相比總體趨勢(shì)較為一致，數(shù)值上比對(duì)照組的相對(duì)動(dòng)彈模量略大。隨著粉煤灰的摻量越大，質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈模量的損失越小，這表明摻加粉煤灰對(duì)透水混凝土的凍融循環(huán)性能具有一定的有利作用。從結(jié)果還可看出添加粉煤灰比例為10%的透水混凝土凍融循環(huán)性能效果最佳。
從微觀(guān)上看粉煤灰顆粒是一種半徑微小、表面光滑的球體，能夠填充到集料的微小孔隙以及集料和水泥間的孔隙之中，間接提高了透水混凝土的強(qiáng)度，同時(shí)提高透水混凝土拌合料的流動(dòng)性改良和易性；并且這種構(gòu)造使其在水化反應(yīng)中所需的水量較少，間接降低了水灰比。在凍融試驗(yàn)中，透水混凝土集料間的膠結(jié)料由于受到凍融循環(huán)產(chǎn)生的靜水壓和滲透壓作用而斷裂，造成集料由外向內(nèi)的剝落，而集料顆粒本身仍然保持完好。粉煤灰的摻入則改變了這一狀況。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析得到粉煤灰的主要成分為二氧化硅和氧化鋁，這些成分與水泥的水化反應(yīng)生成物發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成C-S-H凝膠，其方程式為：
xCa(OH)2+SiO2+(n-1)H2O=xCaO·SiO2·nH2O
xCa(OH)2+Al2O3+(n-1)H2O=xCaO·Al2O3·nH2O
這種效應(yīng)的產(chǎn)物使得透水混凝土集料間的細(xì)小孔隙被填充，增加了粘結(jié)面積。
(2)EVA乳膠摻量對(duì)透水混凝土性能的影響分析
圖6為EVA乳膠組相對(duì)動(dòng)彈模量變化。由圖4和圖6可以看出，摻加EVA乳膠的透水混凝土試件與對(duì)照組相比，在凍融循環(huán)過(guò)程中的質(zhì)量損失率得到了很大的降低，相對(duì)動(dòng)彈模量有所提高。隨著摻量的增加，在同次凍融循環(huán)下相對(duì)動(dòng)彈模量的值越大。這表明摻加EVA乳膠能有效提高透水混凝土的凍融循環(huán)性能并且在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)隨摻量增大這種作用略微提升。
通過(guò)Ohama模型[13]可知，在拌合過(guò)程中，高聚物會(huì)均勻分散在透水混凝土拌合物中，這些高聚物與水泥水化反應(yīng)生成的Ca(OH)2結(jié)合形成凝膠；隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，水分子的數(shù)量變少，水與高聚物的凝膠增多，這些凝膠被填充在水泥孔隙之中，并且高聚物分子彼此鏈接形成高聚物分子網(wǎng)，附著在粗骨料和粘結(jié)層表層形成密實(shí)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，極大的提高了粘結(jié)層的粘結(jié)能力并且增強(qiáng)透水混凝土的韌性和抗凍能力。除此之外，高聚物中還有有一些活性基團(tuán)能夠與Ca(OH)2反應(yīng)，改善其結(jié)構(gòu)，填充在透水混凝土內(nèi)部孔隙中，減少裂縫的產(chǎn)生，增強(qiáng)其抗凍能力。
圖6 EVA乳膠組相對(duì)動(dòng)彈模量變化
Fig.6 Dynamic modulus of EVA latex group
圖7 聚乙烯纖維組相對(duì)動(dòng)彈模量變化
Fig.7 Dynamic modulus of fiber group
(3)聚乙烯纖維摻量對(duì)透水混凝土性能的影響分析
圖7為聚乙烯纖維組相對(duì)動(dòng)彈模量變化。由圖4和圖7可以看出，在凍融循環(huán)過(guò)程中摻加聚乙烯纖維的透水混凝土試件的質(zhì)量損失比對(duì)照組明顯減小，相對(duì)動(dòng)彈模量總體變化趨勢(shì)較為一致，實(shí)驗(yàn)組試件的相對(duì)動(dòng)彈模量降低較少。并且隨著纖維摻量的增加，質(zhì)量損失率的增加速度稍低。這表明聚乙烯纖維能提升透水混凝土的抗凍性能。
微觀(guān)上，摻入纖維的透水性混凝土是多相(氣相、液相、固相)、多孔材料，其結(jié)構(gòu)組成為：水化水泥漿體、集料、聚乙烯纖維以及水泥漿體與集料間的過(guò)渡區(qū)。摻入聚乙烯纖維更有助于抑制和減少微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，從而提高了混凝土的抗凍融性能。同時(shí)聚乙烯纖維有一個(gè)顯著的特點(diǎn)：它的彈性模量隨溫度的降低而增加。因此，纖維彈性模量的提高，可以更大程度地抵消冰脹力；而在融化的時(shí)候，纖維彈性模量的降低，有助于釋放積蓄的膨脹能。纖維還抵抗凍融時(shí)產(chǎn)生的膨脹壓力與滲透壓力, 從而減少細(xì)裂縫的擴(kuò)展。有試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，摻加聚乙烯纖維的試件在75次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量開(kāi)始迅速下降，但是透水混凝土內(nèi)部孔隙巨大，細(xì)小的纖維大多只能依附在粗集料表面水泥凝結(jié)層上，所以這種抵抗凍融破壞的能力隨著循環(huán)次數(shù)的增多而達(dá)到“臨界點(diǎn)”隨后迅速減弱。
4 結(jié) 論
凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同摻合料對(duì)透水混凝土的抗凍性能均有不同程度的影響。
(1)摻加粉煤灰對(duì)透水混凝土的凍融循環(huán)性能具有一定的有利作用，添加粉煤灰比例為10%的透水混凝土凍融循環(huán)性能效果最佳;
(2)摻加EVA乳膠能有效提高透水混凝土的凍融循環(huán)性能，并且在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)隨摻量增大這種作用略微提升;
(3)聚乙烯纖維能提升透水混凝土的抗凍性能，但是抵抗凍融破壞的能力隨著循環(huán)次數(shù)的增多而達(dá)到“臨界點(diǎn)”隨后迅速減弱，隨著纖維摻量的增加，這種提升作用略好。
參考文獻(xiàn)：
[1] Geso
lu M,Güneyisi E,Khoshnaw G,et al.Abrasion and freezing-thawing resistance of pervious concretes containing waste rubbers[J].Construction & Building Materials,2014,73(73):19-24.
[2] 伏利鵬,楊建森,馮紫荻,等.聚丙烯纖維復(fù)合膠粉改性混凝土的抗凍性能[J].混凝土與水泥制品,2014(11):49-51.
[3] 胡立國(guó).透水混凝土的抗凍性研究[D].大連:大連交通大學(xué),2013.
[4] 劉星雨.透水混凝土抗凍性的影響因素研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2012.
[5] 樊曉紅.無(wú)砂透水混凝土抗凍性能研究[J].低溫建筑技術(shù),2010,32(12):18-19.
[6] 王玲玲,馬 家,陳彥文,等.無(wú)砂混凝土抗凍性研究[J].福建建材,2009(2):8-9.
[7] 劉紅衛(wèi),袁萬(wàn)明.國(guó)內(nèi)外VAE乳液的發(fā)展?fàn)顩r[J].中國(guó)膠粘劑,2005,14(2):46-48.
[8] 劉肖凡,白曉輝,王展展,等.粉煤灰改性透水混凝土試驗(yàn)研究[J].混凝土與水泥制品,2014(1):20-23.
[9] 秦子鵬,田 艷,朱建宏.纖維素纖維對(duì)透水混凝土性能影響的研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2012,10(4):66-68.
[10] Standard test method for resistance of concrete to rapid freezing and thawing[S].ASTM C 666/C 666M-03;ASTM International:West Conshohocken,PA,USA,2003.ASTM.
[11] 胡立國(guó).透水混凝土的抗凍性研究[D].大連:大連交通大學(xué),2013.
[12] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50081-2002[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003.
[13] 王培銘,趙國(guó)榮,張國(guó)防.聚合物水泥混凝土的微觀(guān)結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2014,42(5):653-660.
