透水性混凝土的主要性能及其影響因素綜述

1透水性混凝土力學(xué)性能及其影響因素

由于混凝土主要承受壓荷載，故在研究透水性混凝土的強(qiáng)度時，應(yīng)主要考慮透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。一般來說，透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度大于透水磚，但小于普通混凝土，一般為20～30MPa，而影響透水性混凝土力學(xué)性能的因素較為復(fù)雜。

1.1骨料

骨料是透水性混凝土的主要組成材料，骨料的各種性質(zhì)對透水性混凝土的強(qiáng)度影響很大。

多孔混凝土屬于骨架空隙結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的混合料采用開級配，粗集料較多，混凝土的強(qiáng)度來自于彼此之間較大的內(nèi)摩阻力和水泥膠漿的粘結(jié)力。透水性混凝土是典型的多孔混凝土，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的粘聚力較小，因而強(qiáng)度主要依靠內(nèi)摩擦角[1]。而骨料的形狀對透水性混凝土的內(nèi)摩擦角的影響較大，具體來說，卵石的內(nèi)摩擦角小于人工破碎的碎石，故以棱角較多的碎石作為骨料的透水性混凝土的強(qiáng)度高于以卵石作為骨料的透水性混凝土。

骨料的粒徑大小也會影響透水性混凝土的強(qiáng)度。骨料的粒徑越小，堆積密度越大，顆粒間的接觸點(diǎn)越多，配制而成的透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度就越高；反之，骨料的粒徑越大，比表面積越小，所形成的結(jié)構(gòu)中單位體積內(nèi)骨料顆粒之間的接觸點(diǎn)數(shù)量越少，膠結(jié)面積越小，抗壓強(qiáng)度就越低。根據(jù)Griffith的微裂紋理論[1]，將骨料的界面視為混凝土內(nèi)部的裂紋，也可以得到相同的結(jié)論。

王瑞燕[2]等人指出，根據(jù)透水性混凝土的抗折破壞斷面，當(dāng)水泥石強(qiáng)度較高且與集料界面黏結(jié)良好時，透水性混凝土抗折破壞主要表現(xiàn)為集料破壞，而集料級配對抗折強(qiáng)度的影響程度并不大。路面用透水性混凝土以抗折強(qiáng)度為設(shè)計目標(biāo)，采用單粒徑集料，可以同時保證混凝土的力學(xué)性能和透水性能。

砂率同樣會影響透水性混凝土的強(qiáng)度，且砂率與強(qiáng)度之間的關(guān)系是非線性的，付培江[3]指出，透水性混凝土的Z佳砂率在12%左右，即當(dāng)砂率為12%時，透水性混凝土的強(qiáng)度達(dá)到Z大值。當(dāng)砂率較小時，膠結(jié)材的用量相對較多，此時增加砂的用量，骨料表面仍能被充分包裹，顆粒之間仍能形成較強(qiáng)的膠結(jié)層，同時，砂用量的增加也提高了混凝土整體的剛度，因此，混凝土的強(qiáng)度得到提高。而當(dāng)砂率大于Z佳砂率時，粗、細(xì)骨料顆粒的總表面積較大，膠結(jié)材的用量相對較少，不足以在粗細(xì)骨料顆粒之間形成足夠厚的膠結(jié)層，導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度下降。

對于透水性混凝土而言，集料的強(qiáng)度也是影響其性能的重要因素之一。張朝輝[4]分別用不同強(qiáng)度的集料制備透水性混凝土，并測試其抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明，在配合比及集料粒徑不變的條件下，集料的強(qiáng)度越高，透水性混凝土的強(qiáng)度就越高。這是因?yàn)?，集料的?qiáng)度越高，試件在受壓時，集料所起的骨架作用越明顯；若集料的強(qiáng)度較低，即使膠結(jié)材料的強(qiáng)度很高，透水性混凝土的強(qiáng)度也不會顯著增加。這一結(jié)論與孫家瑛[5]的試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

1.2水灰比與骨灰比

水灰比與骨灰比是對混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計時的兩個重要參數(shù)，二者決定了透水性混凝土各組成材料間的比例關(guān)系。孟宏睿[6]分別采用0.30、0.33、0.35的水灰比制備透水性混凝土，并測定其抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明，當(dāng)骨料的粒徑相同時，隨著水灰比的降低，用卵石制備的透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度略有提高，用碎石制備的透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度先升高后降低，總體來說，在0.3～0.35范圍內(nèi)，水灰比對透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度影響不大。蔣正武[7]的研究結(jié)果顯示，當(dāng)水灰比不變，骨灰比分別為64:3、60:3、56:3時，隨著骨灰比的減小，由于骨料周圍的水泥漿膜層的稠度和厚度逐漸增大，透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯提高。

王培新[8]的研究結(jié)果顯示，當(dāng)水膠比在0.3左右，且骨料的用量為1550kg時，隨著水泥用量的增加，透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度均升高，但當(dāng)水泥用量超過400kg/m3后，透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的增長率開始下降。此外，水灰比與骨灰比對透水性混凝土的孔隙率有很大影響，進(jìn)而影響透水性混凝土的強(qiáng)度。付利彬[9]指出，隨著透水性混凝土孔隙率的增大，透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度都逐漸降低，而透水性混凝土的抗折強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度隨著抗壓強(qiáng)度的增大而升高，其抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度的比值關(guān)系也隨著孔隙率的變化而變化。

1.3硅灰、粉煤灰、礦渣、鋼渣等摻合料

硅灰、粉煤灰、礦渣等礦物摻合料能夠降低混凝土早期的水泥水化放熱，同時，還可以通過火山灰反應(yīng)，消耗混凝土中對強(qiáng)度不利的Ca(OH)2，產(chǎn)生二次C-S-H，而鋼渣也可以通過自身膠凝性，產(chǎn)生細(xì)小的水化產(chǎn)物，填充水泥漿體的孔隙和混凝土的界面過渡區(qū)。在混凝土中加入硅灰、粉煤灰、鋼渣等摻合料，不僅可以提高混凝土的后期性能，還能夠消耗工業(yè)固廢，節(jié)約水泥，具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)境雙重效益。

李子成[10]的研究結(jié)果顯示，當(dāng)粉煤灰的摻量為0%～30%時，隨著粉煤灰的摻量的增加，透水性混凝土7d齡期的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，28d齡期的抗壓強(qiáng)度逐漸升高；當(dāng)鋼渣的摻量為0%～25%時，隨著鋼渣摻量的增加，透水性混凝土7d齡期的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，28d齡期的抗壓強(qiáng)度先升高后降低，Z佳摻量在10%～15%；當(dāng)粉煤灰與鋼渣復(fù)摻，粉煤灰的摻量為15%～20%、鋼渣的摻量為10%～15%時，透水性混凝土28d齡期的抗壓強(qiáng)度較高。孟剛[11]的研究結(jié)果顯示，當(dāng)粉煤灰的摻量為0%～50%時，隨著粉煤灰摻量的增加，透水性混凝土7d齡期的抗壓強(qiáng)度先升高后降低，在摻量為30%時取得Z大值，而28d齡期的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

蔣正武[7]的研究結(jié)果顯示，當(dāng)硅灰的摻量為0%～10%時，隨著硅灰摻量的增加，不加減水劑的透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸下降，摻加減水劑的透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸升高。這主要是由于，硅灰的顆粒尺寸較小，比表面積較大，在沒有減水劑的情況下，漿體不足以將骨料完全包裹，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低；摻加減水劑后，混凝土的和易性提高，漿體與骨料的聯(lián)結(jié)更緊密，進(jìn)而混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度升高。黃楊程[12]的研究結(jié)果顯示，當(dāng)硅灰的摻量為6%時，透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度較高，同時能維持較高的孔隙率，使混凝土具有良好的透水性。

王培新[8]的研究結(jié)果顯示，與摻等量的粉煤灰的混凝土相比，摻礦渣的透水性混凝土早期的抗壓強(qiáng)度發(fā)展較快，且28d齡期的抗壓強(qiáng)度較高，這主要是由于礦渣的粒徑比粉煤灰小，早期活性比粉煤灰大，導(dǎo)致?lián)降V渣的透水性混凝土的早期強(qiáng)度比摻粉煤灰的透水性混凝土高。

1.4聚合物

在混凝土中加入聚合物乳液，能夠改善混凝土的和易性，從而提高混凝土的強(qiáng)度。吳紅斌[13]在不同水灰比的透水性混凝土中摻加了5%、10%的羧基丁苯乳液（SD622S），試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)SD622S乳液的摻量為5%時，透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度Z大。蔣正武[7]在透水性混凝土中摻加了2%、4%的聚合物乳液，試驗(yàn)結(jié)果顯示，透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度在聚合物乳液摻量為2%時Z高，而當(dāng)聚合物乳液摻量達(dá)到4%時，透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度略有下降。由此可見，聚合物乳液的摻量存在Z佳值。當(dāng)摻量小于Z佳值時，隨著聚合物乳液的摻量的增加，混凝土的和易性增加，從而漿體與骨料間的粘結(jié)更加緊密，抗壓強(qiáng)度升高。當(dāng)摻量超過Z佳值后，聚合物乳液將包裹水泥顆粒，阻礙其完全水化，此外，摻加乳液的同時會引入量的氣體，導(dǎo)致混凝土的Z終強(qiáng)度降低。陳瑜[14]指出，在相同的摻量下，摻加聚合物得到的透水性混凝土的抗折強(qiáng)度明顯大于摻加粉煤灰和礦渣的透水性混凝土。

除了加入聚合物乳液能夠提高透水性混凝土抗壓、抗彎折性能外，加入聚合物纖維，使混凝土的顆粒間的黏結(jié)更緊密，同時聚合物纖維也可以承受部分拉應(yīng)力，從而提高混凝土的抗折強(qiáng)度。滿都拉[15]將粗骨料中30%換成了再生集料，并分別向其中添加0.5%、1.0%、1.5%的聚丙烯纖維，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，混凝土的抗彎折強(qiáng)度提高。王永海[16]向混凝土中按體積比例摻入0.1%的聚丙烯纖維，發(fā)現(xiàn)雖然聚丙烯纖維對水泥漿體裂縫的發(fā)展有的束縛限制作用，但摻量過少時對透水性混凝土的抗彎拉強(qiáng)度影響不大。

1.5攪拌、成型工藝及養(yǎng)護(hù)條件

成型工藝對透水性混凝土的各項(xiàng)指標(biāo)均有顯著影響。目前國內(nèi)透水性混凝土路面的成型工藝主要包括攤平后用輕型碾壓機(jī)壓實(shí)和攤鋪刮平后振動輥壓整平這兩種方法。

蔣正武[6]分別采用加料法、水泥裹石法對混凝土進(jìn)行攪拌，結(jié)果表明，采用水泥裹石法攪拌的透水性混凝土的孔隙率較小，但是抗壓強(qiáng)度大幅提高。邢曉明[17]指出，振動成型工藝的要點(diǎn)在于控制好振動的時間，若振動時間過短，混凝土的內(nèi)部不緊密，導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度較低；若振動時間過長，會產(chǎn)生沉漿現(xiàn)象，影響透水性混凝土的透水系數(shù)；此外，由于透水性混凝土的孔隙率較大，可能導(dǎo)致水分蒸發(fā)過多，引起混凝土產(chǎn)生較大的收縮，所以在混凝土養(yǎng)護(hù)的過程中，要保持良好的環(huán)境濕度。

吳冬[18]等人分別用手工插搗和機(jī)械振搗的方法制備了透水性混凝土，從外觀上看，手工插搗制作的試塊的均勻性較好，但密實(shí)度差；機(jī)械振搗的試塊的密實(shí)度好，但下部的漿體比上部多，且振搗時間越長，下部漿體越多；通過對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用手工插搗10次、機(jī)械振搗10s的成型方法，可以使混凝土的強(qiáng)度與孔隙率達(dá)到一個比較好的結(jié)合點(diǎn)。

徐崇仁[19]等人分別采用插搗成型法、振動成型法、壓力成型法、振壓成型法這四種方法來制備混凝土，當(dāng)采用振動成型方法時，隨著振動時間的增加，透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度先增大后減??；當(dāng)采用壓力成型方法時，隨著成型壓力的增加，透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度先增大后減??；總的來說，插搗成型法得到的混凝土的抗壓強(qiáng)度較低，而振動成型法和壓力成型法的效果相當(dāng)，振壓成型法得到的透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度較大，這與張朝輝[20]的試驗(yàn)結(jié)果類似。