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 源】 《硅酸鹽通報(bào)》 2017年第5期P1480-1485頁(yè)
【分 類 號(hào)】 TU528
【分類導(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)重問題,為解決這些問題,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,通過用摻合料置換透水混凝土混合物中不同比例的水泥來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_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，即以凍融循環(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。為了解決這些問題，本課題組旨在尋找合適的摻和料及其比例來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。通過用摻合料置換透水混凝土混合物中不同比例的水泥來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。打開下方出水閥門，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，稱量試件質(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5%或彈性模量損失超過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 透水混凝土宏觀破壞形態(tài)及原理
透水混凝土的凍融試驗(yàn)過程經(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)明顯的宏觀破壞過程(如圖 3所示)，即試件經(jīng)過凍融循環(huán)后，表面骨料發(fā)生破損并開始出現(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)可見的裂縫并不斷發(fā)展導(dǎo)致最終斷裂。由此可見透水混凝土的破壞發(fā)展過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)過程中，由于透水混凝土內(nèi)存在過冷的水和結(jié)冰的水，在結(jié)冰的水體積膨脹的情況下，過冷的水發(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)的宏觀破壞發(fā)展過程(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Ohama模型[13]可知，在拌合過程中，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，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。
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