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。
【作者機(jī)構(gòu)】 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院
【來(lái) 源】 《硅酸鹽通報(bào)》 2017年第3期P864-869頁(yè)
【分 類(lèi) 號(hào)】 TU528.2
【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->輕質(zhì)混凝土
【關(guān) 鍵 字】 透水混凝土 配合比 孔隙結(jié)構(gòu) 抗壓強(qiáng)度
【摘 要】 綜述了透水混凝土的原材料特性和配合比設(shè)計(jì)方法;闡述了研究透水混凝土抗壓強(qiáng)度和孔隙結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模擬和軟件建模的方法;對(duì)比分析了透水混凝土與普通混凝土在抗壓強(qiáng)度計(jì)算、尺寸效應(yīng)和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等方面的區(qū)別;歸納總結(jié)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(jié)構(gòu)提供了新思路.最后,提出今后應(yīng)注重對(duì)透水混凝土微觀結(jié)構(gòu)的研究等建議.
1 引 言
近年來(lái),針對(duì)我國(guó)出現(xiàn)城市內(nèi)澇、非點(diǎn)源污染的現(xiàn)象,“海綿城市”建設(shè)理念應(yīng)運(yùn)而生。海綿城市是指城市能夠像海綿一樣,下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水,需要時(shí)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(xiàn)象”；另一方面,可以有效地解決水質(zhì)污染,水生物棲息地喪失等多種水生態(tài)問(wèn)題。目前,透水混凝土已被廣泛應(yīng)用于護(hù)坡、停車(chē)場(chǎng)、人行道、輕載道路等領(lǐng)域。本文重點(diǎn)對(duì)透水混凝土原材料特性、配合比設(shè)計(jì)以及孔隙結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度特性等方面的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀加以綜述。
2 透水混凝土的制備
制備透水混凝土應(yīng)優(yōu)先選用單粒級(jí)粗骨料,一般含少量或不含細(xì)骨料,粗骨料被膠結(jié)漿體包裹,通過(guò)相互之間的接觸點(diǎn)粘結(jié)為整體,形成蜂窩狀的多孔結(jié)構(gòu)[2]。
2.1 原材料
2.1.1 骨料
由于透水混凝土的膠結(jié)漿體層較薄,應(yīng)該嚴(yán)格控制粗骨料的特性,從而制備出具有足夠透水性和強(qiáng)度的透水混凝土。劉小康等[2]通過(guò)試驗(yàn)研究了粗骨料級(jí)配對(duì)透水混凝土性能的影響。結(jié)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(qiáng)度達(dá)到15 MPa,且孔隙率大于22%,滲透系數(shù)大于20 mm/s。然而,適當(dāng)降低骨料粒徑到5～10 mm,可以增加骨料之間的接觸點(diǎn),從而提高透水混凝土抗壓強(qiáng)度[3]。除了骨料粒徑,骨料類(lèi)型對(duì)透水混凝土的孔隙和強(qiáng)度也有重要影響,這主要是由于骨料本身不同的干強(qiáng)度、顆粒形狀和材質(zhì)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(xì)骨料也可增加透水混凝土的抗壓強(qiáng)度。砂子的摻量常用砂率表示,即透水混凝土中砂子質(zhì)量占砂與石總質(zhì)量的百分率。吳冬等[5]研究表明,當(dāng)砂率為4.8%時(shí),透水混凝土28 d抗壓強(qiáng)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(nèi)(15%～30%),且滲透系數(shù)也高于透水的最低限度(≥1 mm/s)
2.1.2 膠結(jié)材料
膠結(jié)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(jié)為整體。膠結(jié)漿體中除了使用普通硅酸鹽水泥,還可以利用粒徑細(xì)微的礦物摻合料替代部分水泥,從而提高透水混凝土強(qiáng)度。Yang和Jiang[6]在試驗(yàn)中同時(shí)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(qiáng)度高達(dá)57.2 MPa,滲透系數(shù)也滿(mǎn)足透水的要求。Lian等[4]使用偏光顯微鏡對(duì)透水混凝土薄片進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)摻有硅灰和高效減水劑的膠結(jié)漿體密實(shí)度高,與骨料的包裹界面好,從微觀的角度進(jìn)一步證實(shí)了雙摻硅灰和高效減水劑能提高透水混凝土的抗壓強(qiáng)度。因此,也有研究將摻加適量礦物活性超細(xì)粉和高效減水劑的透水混凝土稱(chēng)作高性能透水混凝土[7]。Yang和Jiang[6]研究還表明,摻入有機(jī)聚合物也能顯著提高透水混凝土的抗壓強(qiáng)度,但聚合物膠結(jié)作用很難保證透水性,而且聚合物的摻量高費(fèi)用也大。由此可見(jiàn),制備高性能透水混凝土?xí)r,雙摻硅灰和高效減水劑比單摻有機(jī)聚合物更具優(yōu)勢(shì)。
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(gè)重要因素,一般介于0.25～0.40之間。若水膠比過(guò)小,膠結(jié)漿體過(guò)于干稠,混凝土拌合物和易性太差,膠結(jié)漿體不能充分包裹骨料表面,不利于提高混凝土的強(qiáng)度；若水膠比過(guò)大,稀的膠結(jié)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(qiáng)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(guān)系。因此,如何選擇最佳水膠比成為制備透水混凝土的關(guān)鍵。王武祥等[8]最早通過(guò)目測(cè)方法決定合適的水膠比；王蔚等[9]通過(guò)控制膠結(jié)材料流動(dòng)度的方法間接地判斷最佳水膠比。這兩種方法雖然簡(jiǎn)單卻不十分科學(xué),得到水膠比的范圍也比較大。Nguyen等[10]提出了篩網(wǎng)排漿的試驗(yàn)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(xué)實(shí)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(duì)透水混凝土性能有較大影響,測(cè)量包裹層厚度的方法主要有手工測(cè)量法[11]和蠟封法[12]。Torres等[11]通過(guò)試驗(yàn)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(qiáng)度為3.2 MPa,孔隙率為31.2%,滲透系數(shù)為16.9 mm/s；采用小骨膠比制備時(shí),包裹層最厚達(dá)5.59 mm,其28 d抗壓強(qiáng)度為18.6 MPa,孔隙率為18.9%,滲透系數(shù)為5.3 mm/s。可見(jiàn),在配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中,為保持包裹層的合理厚度,應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)墓悄z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(jié)構(gòu)
孔隙率是表示透水混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)?？紫妒侵富炷量傮w積扣除固體骨架所占據(jù)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(chēng)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(chēng)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(yàn)方案》,全孔隙率和連通孔隙率可以通過(guò)浮力稱(chēng)重的方法測(cè)得[13]。Ibrahim等[14]強(qiáng)調(diào)區(qū)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(qiáng)度的一個(gè)重要參數(shù),而連通孔隙率與滲透系數(shù)有緊密聯(lián)系。
雖然浮力稱(chēng)重法可以測(cè)出連通孔隙率,但是并不能直接描繪透水混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)。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(xiàn)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(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)得出：對(duì)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(nèi),其平面孔隙率與試件的全孔隙率較為接近；Sumanasooriya等[16]沿縱向?qū)ν杆炷吝M(jìn)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?jǐn)?shù)分別沿深度的變化趨勢(shì)(圖2b和圖3b)。可見(jiàn),隨著深度增加,孔隙率降低而漿體體積分?jǐn)?shù)增加,且最小孔隙率和最大漿體體積分?jǐn)?shù)同時(shí)出現(xiàn)在透水混凝土最底部。分析表明,這是由于漿體過(guò)多導(dǎo)致沉淀產(chǎn)生的。為了進(jìn)一步觀察透水混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)和孔的連通性,C′osic′等[17]重建了透水混凝土的三維孔隙結(jié)構(gòu)(圖4)。通過(guò)量化孔隙體積發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)的建立為研究透水混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)和滲透性提供了一種有效的模型,也為透水混凝土力學(xué)性能的數(shù)值模擬奠定了基礎(chǔ)。
圖1 (a)橫向切面孔隙分布圖(其中白色區(qū)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(qū)域代表孔隙)；(b)孔隙率沿深度的變化趨勢(shì)[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(qū)域代表漿體)；(b)漿體面積分?jǐn)?shù)沿深度的變化趨勢(shì)[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(jié)構(gòu)[17]
Fig.4 Three-dimension pore structure of permeable concrete[17]
此外,滲透系數(shù)是表征透水混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的另一個(gè)參數(shù)。滲透系數(shù)的測(cè)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(duì)這兩種方法進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)降水頭法測(cè)值要高于常水頭法測(cè)值,這主要是因?yàn)榻邓^法忽略了外加應(yīng)力對(duì)滲透性的影響。透水混凝土的滲透系數(shù)常利用連通孔隙率表示[18],但此類(lèi)關(guān)系式并沒(méi)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(duì)Kozeny-Carman方程進(jìn)行修正。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證,修正的Kozeny-Carman方程比以往的經(jīng)驗(yàn)公式能更有效地預(yù)測(cè)透水混凝土的滲透系數(shù)。
3.2 抗壓強(qiáng)度
普通混凝土抗壓強(qiáng)度由骨料強(qiáng)度和膠結(jié)漿體強(qiáng)度控制,而透水混凝土屬骨架多孔結(jié)構(gòu),其抗壓強(qiáng)度主要受到全孔隙的影響。已有研究常使用線(xiàn)性函數(shù)[22]或指數(shù)函數(shù)[23]等單一方程來(lái)表示透水混凝土全孔隙率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響,其相關(guān)系數(shù)相對(duì)較低,適用性有限。Lian等[24]根據(jù)Griffith微裂紋理論推導(dǎo)出新的復(fù)合方程見(jiàn)公式(1),該方程通過(guò)全孔隙率預(yù)測(cè)抗壓強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.99,比已有的單一方程能更好地表達(dá)透水混凝土的破壞強(qiáng)度,但仍沒(méi)有解決適用性的問(wèn)題。Zhong等[25]在線(xiàn)性方程基礎(chǔ)上延伸出一個(gè)新的方程見(jiàn)公式(2),除了全孔隙率,此方程還綜合考慮骨料粒徑、漿體強(qiáng)度和骨膠比對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響,從而可以預(yù)測(cè)普通甚至高強(qiáng)透水混凝土的抗壓強(qiáng)度,得到的相關(guān)系數(shù)R2均為0.82,相關(guān)性較好。
σ
(1)
σ=σ0(1-pφ)(
)q
(2)
其中,σ表示破壞應(yīng)力,MPa；φ表示全孔隙率,%；A,m,n是常數(shù)；σ0表示孔隙率為0時(shí)混凝土強(qiáng)度，MPa;d0表示最小骨料粒徑，nm;p,q是常數(shù)(其中，q是隨膠結(jié)漿體強(qiáng)度增加而減小的常數(shù))。
目前對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的測(cè)定均采用普通混凝土的測(cè)試方法，我國(guó)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)[26]的規(guī)定執(zhí)行，利用公式(3)計(jì)算透水混凝土的強(qiáng)度
(3)
其中:fcc表示混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)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(méi)有承受壓力。因此，宋中南等[27]提出一個(gè)新指標(biāo)“實(shí)材抗壓強(qiáng)度”來(lái)表征透水混凝土實(shí)體部分的強(qiáng)度。計(jì)算“實(shí)材抗壓強(qiáng)度”時(shí)，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(shí)度的乘積來(lái)表示，具體見(jiàn)公式(4)
(4)
其中，f表示混凝土立方體試件的實(shí)材抗壓強(qiáng)度，MPa；A'為試件平面密實(shí)度，%。
普通混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)定規(guī)定邊長(zhǎng)150 mm立方體試件為標(biāo)準(zhǔn)試件，用非標(biāo)準(zhǔn)試件測(cè)得的強(qiáng)度值均應(yīng)乘以尺寸換算系數(shù)，對(duì)邊長(zhǎng)200 mm立方體試件換算系數(shù)為1.05；對(duì)100 mm立方體試件換算系數(shù)為0.95[26]。在此基礎(chǔ)上，陳瑜等[7]對(duì)透水混凝土的尺寸效應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：相對(duì)于邊長(zhǎng)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(yīng)超過(guò)普通混凝土，且孔隙率越大，尺寸效應(yīng)越顯著，這是由邊界“壁效應(yīng)”產(chǎn)生的。因此，透水混凝土將各試件邊長(zhǎng)均減去骨料最大粒徑的2/3后，取有效面積再進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。在10.1%，15.5%和20.6%孔隙率條件下，邊長(zhǎng)200 mm立方體試件換算系數(shù)分別為1.06，1.09和1.10；邊長(zhǎng)100 mm立方體試件換算系數(shù)分別為0.93，0.90和0.88。經(jīng)有效面積修正后，透水混凝土抗壓強(qiáng)度試件尺寸效應(yīng)有所下降，但仍高于普通混凝土。
由透水混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)定得到的應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)，與普通混凝土相比有顯著差異。張茂剛等[28]通過(guò)試驗(yàn)總結(jié)出了透水混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)特點(diǎn)：(1)未到達(dá)波峰而突然中斷的曲線(xiàn)較多；(2)曲線(xiàn)中易出現(xiàn)不圓滑的波折，尤以孔隙率較大的試件更為明顯。這說(shuō)明透水混凝土內(nèi)部孔隙易在靜壓加載過(guò)程中引發(fā)裂縫，使試件產(chǎn)生不均勻變形和突然性破壞，這種變形和破壞會(huì)隨著孔隙率的增大而更趨顯著。對(duì)透水混凝土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的試驗(yàn)研究也為其強(qiáng)度模擬奠定了重要的基礎(chǔ)。
Akand等[29]基于軟件建模的方法對(duì)透水混凝土強(qiáng)度破壞進(jìn)行了研究。通過(guò)SEM捕捉透水混凝土內(nèi)部的孔隙，并用ImageJ獲得孔隙位置和大小的分布參數(shù)；在MATLAB中利用導(dǎo)出的參數(shù)重建空隙的微觀結(jié)構(gòu)，在重建結(jié)構(gòu)中圓代表孔隙，圓外區(qū)域代表混凝土基體，其中圓的數(shù)量和百分率等于實(shí)際試件孔隙的數(shù)量和孔隙率，孔隙的位置雖然與實(shí)際試件不同，但與實(shí)際基體遵循相同的分布；然后借助ANASYS力學(xué)分析功能進(jìn)行強(qiáng)度模擬。圖5表示在ANASYS中創(chuàng)建的透水混凝土幾何圖形，圖6表示應(yīng)用位移變形使得混凝土基體產(chǎn)生裂紋和破壞的混凝土基體。研究結(jié)果表明，通過(guò)模型和試驗(yàn)獲得的應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)雖然不完全匹配，但十分相近。
圖5 在ANASYS中創(chuàng)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(jié) 論
縱觀國(guó)內(nèi)外透水混凝土的研究現(xiàn)狀,關(guān)注點(diǎn)主要集中于透水混凝土的制備和性能測(cè)定等試驗(yàn)方法的研究。在今后一段時(shí)間,應(yīng)注重對(duì)透水混凝土微觀結(jié)構(gòu)的研究,以進(jìn)一步解釋其力學(xué)性能。此外,透水混凝土作為建設(shè)海綿城市的具體措施,應(yīng)制定有關(guān)透水混凝土配合比設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)、管理等方面的國(guó)家級(jí)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),并根據(jù)工程需求的選擇不同類(lèi)型的透水混凝土,此將成為推廣透水混凝土的要點(diǎn)。
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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
