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，使用進口固化劑。
【來 源】 《硅酸鹽通報》 2017年第5期P1480-1485頁
【分 類 號】 TU528
【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
【關 鍵 字】 透水混凝土 凍融循環 質量損失 動彈模量
【摘 要】 透水混凝土的凍融破壞一直是一個影響其在北方地區大規模推廣的嚴重問題,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,對透水混凝土的滲透性、抗壓強度等基本物理性能作了驗證試驗,采用快凍法以質量損失率和相對動彈模量來評價透水混凝土的凍融循環性能.試驗結果表明,不同摻合料對透水混凝土的凍融循環性能均有一定的有利作用,但影響程度和作用機理不同.
1 引 言
透水混凝土又稱無砂大孔混凝土，具有連續孔隙及高透水性，常被用于停車場、人行道等輕交通路面[1]。然而寒冷氣候條件下，尤其是我國東北、華北和西北地區的工程中，混凝土的凍融破壞一直是一個令人頭疼的問題。而透水混凝土由于其易堵塞、低強度等特性，其受到寒冷水環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，造成局部凍脹開裂，使透水混凝土的力學性能如抗壓強度、彈性模量等顯著降低，甚至直接造成其質量損失和結構破壞[2]。針對無砂混凝土的凍融循環性能及其改進方面，目前國內的研究還較少。胡立國[3]向無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，通過進行凍融試驗，以抗壓強度損失和質量損失為指標評價了無砂混凝土的抗凍性能，結果表明摻加這兩種礦物摻合料對無砂混凝土的抗凍性有明顯提高。劉星雨[4]定義了無砂混凝土鹽凍破壞評價方法，即以凍融循環次數和質量損失為指標。而樊曉紅[5]、王玲玲[6]等對無砂混凝土的抗凍性能做了進一步的研究，其結論與先前研究結果不盡相同。
研究表明，摻和料和粗集料之間的粘結強度是影響透水混凝土強度和抗凍融性能的最重要因素。國內外已有很多學者對不同摻和料進行研究。例如近年來有學者發現EVA(醋酸乙烯-乙烯共聚物)乳膠是一種高分子聚合物，可以對混凝土性能產生極大的提升，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度，主要用于道路用水泥改性劑和水泥砂漿增強劑[7]，但目前對EVA乳膠改性透水混凝土性能的研究相對較少；粉煤灰作為一種摻和料也可以改性透水混凝土[8]，既可以節約成本，又可以很好的利用工業廢料，但國內外研究粉煤灰對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性能[9]；但缺少對抗凍融性能的研究。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混凝土抗壓強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
2.1 原材料
粗骨料：本次實驗選用瓜子石，其表觀密度為2700 kg/m3，粒徑級配為5～10 cm；水泥：采用濟南生產的山水牌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
本實驗設置空白對照組，目標孔隙率20%，對三種摻合料，即粉煤灰、EVA乳膠和聚乙烯纖維分別進行了研究和分析，每組三個同配比試件。聚乙烯纖維長度為18～20 mm，彈性模量為110 GPa，抗拉強度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后脫模并經歷28 d齡期的養護。
表1 摻和料的摻量
Tab.1 Amount of adding admixtures
2.3 滲透系數測試
圖1 滲透試驗裝置示意圖
Fig.1 Schematic of the penetration test
滲透系數是衡量透水混凝土一個重要指標，它是單位水力梯度下通過單位面積的滲流量。本試驗采用一種改進的滲透系數測定裝置，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玻璃套管中。這種裝置可以最大限度得減少由于水從側壁間隙滲漏而造成的滲透系數測量誤差。首先測量試件尺寸，計算橫截面積。圖1所示為滲透試驗裝置示意圖。具體步驟為將試件放入試驗測定裝置，向裝置緩慢注水，直至灌滿。打開下方出水閥門，并保持一段時間直至水流穩定、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，根據達西定律得出透水混凝土的滲透系數k：
k=
2.4 抗凍融性能
圖2 快速凍融機內的試件
Fig.2 Test specimen in rapid freezing and thawing machine
由于透水混凝土為新型材料，國內尚未有統一的標準方法測定透水混凝土的抗凍性能，故本試驗中透水混凝土抗凍性能測試參照歐美標準，標準為：ASTM C 666-84，透水混凝土的凍融試驗有快凍法和慢凍法兩種[10]。本試驗中采用快凍法，單次凍融循環時間為4 h，并且凍融循環中的融化時間不能小于總時間的1/4。凍結最低溫度是(-18±2) ℃，融化最高溫度為(4±2) ℃。該溫度以所有傳感器測量平均值為準。將透水混凝土試件養護28 d，在26 d時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，之后在陰暗的室內將透水混凝土試件晾干。然后，使用動彈儀測量透水混凝土橫向基頻初始值和彈性模量，稱量試件初始質量，并編號。然后進行凍融循環試驗，每25次循環后檢查透水混凝土試件外觀，稱量試件質量，使用動彈儀測量試件彈性模量。若質量損失超過5%或彈性模量損失超過40%(小于初始值的60%)[11]，停止實驗，否則繼續。圖2為實驗時快速凍融機內的試件。
由于降雨、降雪后，地表徑流會迅速通過連通的孔隙進入路基及穿孔管排出，從而不會形成透水混凝土路面完全浸泡在水中的現象，作者認為使用上述凍融試驗方法不能完全真實還原自然凍融循環過程，但上述試驗方法的條件更為嚴酷，可以反映透水混凝土在極端惡劣條件下的表現。
2.5 力學性能測試
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)[12]進行。
3 結果與討論
3.1 透水混凝土的基本物理性質
試驗得到各組試件凍融循環前的平均滲透系數和平均抗壓強度如表2所示。根據《透水水泥混凝土路面技術規程》，透水混凝土在工程使用中應滿足滲透系數大于0.5 mm/s，可以看出，各組試件的平均滲透系數在2.04～2.25 mm/s之間，平均抗壓強度在20.6～25.1 MPa之間，均滿足透水性和抗壓強度的要求。
表2 各組試件平均滲透系數和平均抗壓強度
Tab.2 Average permeability coefficient and compressive strength of each group
3.2 透水混凝土宏觀破壞形態及原理
透水混凝土的凍融試驗過程經歷了表層粗骨料與水泥漿分離、粗骨料與水泥漿脫落、裂縫的產生與發展3個明顯的宏觀破壞過程(如圖 3所示)，即試件經過凍融循環后，表面骨料發生破損并開始出現疏松、剝落，且隨著凍融次數的增加，情況逐漸加重，粗骨料與水泥漿產生分離，之后在粗骨料交界處出現可見的裂縫并不斷發展導致最終斷裂。由此可見透水混凝土的破壞發展過程和破壞形式均與普通混凝土存在巨大差異。
在凍融循環過程中，由于透水混凝土內存在過冷的水和結冰的水，在結冰的水體積膨脹的情況下，過冷的水發生遷移，使得透水混凝土內部產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定，或者使一些連接物質脫離。另一方面，透水混凝土構件溫度存在一定的梯度，表面的溫度最低，內部的溫度最高，從而產生凍脹力。在正負溫度反復交替作用下，猶如疲勞作用，使結冰生成的微裂縫不斷擴大，最終導致透水混凝土破壞。
圖3 透水混凝土試件凍融試驗的宏觀破壞發展過程(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 不同摻合料對透水混凝土的凍融循環性能的影響
在凍融循環性能試驗中，分別測試了摻和粉煤灰、EVA乳膠和纖維等各組透水混凝土試件的質量損失和動彈模量的變化。試件凍融后質量損失率按下式計算：
W=
×100%
式中：W為n次凍融循環后試件質量損失率，%；G0為凍融循環前試件質量，kg；Gn為凍融循環后試件質量，kg。圖4為各組透水混凝土試件在凍融循環過程中質量損失率變化。圖5為粉煤灰組相對動彈模量變化示意圖。
動彈模量的變化可以反映試件內部的凍融損傷情況。本文以相對動彈模量(凍融循環后實際測得的動彈模量與初始動彈模量的比值百分數)作為其評價指標。
圖4 各組透水混凝土試件在凍融循環過程中質量損失率變化
Fig.4 Percent mass loss of each group with number of freezing-thawing cycle
圖5 粉煤灰組相對動彈模量變化
Fig.5 Dynamic modulus of fly ash group
(1)粉煤灰摻量對透水混凝土性能的影響分析
結合圖4和圖5可以看出，在凍融循環過程中，摻加粉煤灰的透水混凝土發生了一定程度的質量損失，并且其質量損失率略低于對照組的質量損失率；而其動彈模量與對照組相比總體趨勢較為一致，數值上比對照組的相對動彈模量略大。隨著粉煤灰的摻量越大，質量損失率和相對動彈模量的損失越小，這表明摻加粉煤灰對透水混凝土的凍融循環性能具有一定的有利作用。從結果還可看出添加粉煤灰比例為10%的透水混凝土凍融循環性能效果最佳。
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度，同時提高透水混凝土拌合料的流動性改良和易性；并且這種構造使其在水化反應中所需的水量較少，間接降低了水灰比。在凍融試驗中，透水混凝土集料間的膠結料由于受到凍融循環產生的靜水壓和滲透壓作用而斷裂，造成集料由外向內的剝落，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。經過試驗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生成物發生二次水化反應，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
這種效應的產物使得透水混凝土集料間的細小孔隙被填充，增加了粘結面積。
(2)EVA乳膠摻量對透水混凝土性能的影響分析
圖6為EVA乳膠組相對動彈模量變化。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照組相比，在凍融循環過程中的質量損失率得到了很大的降低，相對動彈模量有所提高。隨著摻量的增加，在同次凍融循環下相對動彈模量的值越大。這表明摻加EVA乳膠能有效提高透水混凝土的凍融循環性能并且在試驗摻量范圍內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生成的Ca(OH)2結合形成凝膠；隨著水化反應的進行，水分子的數量變少，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，附著在粗骨料和粘結層表層形成密實的網狀結構，極大的提高了粘結層的粘結能力并且增強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能夠與Ca(OH)2反應，改善其結構，填充在透水混凝土內部孔隙中，減少裂縫的產生，增強其抗凍能力。
圖6 EVA乳膠組相對動彈模量變化
Fig.6 Dynamic modulus of EVA latex group
圖7 聚乙烯纖維組相對動彈模量變化
Fig.7 Dynamic modulus of fiber group
(3)聚乙烯纖維摻量對透水混凝土性能的影響分析
圖7為聚乙烯纖維組相對動彈模量變化。由圖4和圖7可以看出，在凍融循環過程中摻加聚乙烯纖維的透水混凝土試件的質量損失比對照組明顯減小，相對動彈模量總體變化趨勢較為一致，實驗組試件的相對動彈模量降低較少。并且隨著纖維摻量的增加，質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，其結構組成為：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。摻入聚乙烯纖維更有助于抑制和減少微裂縫的產生和發展，從而提高了混凝土的抗凍融性能。同時聚乙烯纖維有一個顯著的特點：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。纖維還抵抗凍融時產生的膨脹壓力與滲透壓力, 從而減少細裂縫的擴展。有試驗結果可見，摻加聚乙烯纖維的試件在75次凍融循環后質量損失率和相對動彈性模量開始迅速下降，但是透水混凝土內部孔隙巨大，細小的纖維大多只能依附在粗集料表面水泥凝結層上，所以這種抵抗凍融破壞的能力隨著循環次數的增多而達到“臨界點”隨后迅速減弱。
4 結 論
凍融循環實驗結果表明，不同摻合料對透水混凝土的抗凍性能均有不同程度的影響。
(1)摻加粉煤灰對透水混凝土的凍融循環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性能，并且在試驗摻量范圍內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次數的增多而達到“臨界點”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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