摘要: 介绍了透水性水泥混凝土的定义, 从原材料选定、配合比设计、基本性能测定等方面阐述了制备过程, 对其应用提出了展望。
关键词: 透水性水泥混凝土; 材料制备; 性能测定
中图分类号: TU528.1 文献标识码: A
随着我国经济的快速发展、交通基础建设步伐加快、平整铺设的各种道路在给人们的出行带来了极大方便的同时, 具有不透水路面的道路也给生态环境带来诸多负面的影响。由于混凝土铺筑的路面缺乏透水性和透气性, 雨水不能渗入地下, 致使地表植物由于严重缺水而难以正常生长; 具有不透气路面的道路很难与空气进行热量、水分的交换, 缺乏对城市地表温度、湿度的调节能力, 产生所谓的“ 热岛现象”。此外, 不透水的道路表面容易积水, 降低道路的舒适性和安全性。研究透水性混凝土的制备技术和相关性能的社会效益及意义显著, 并有着广阔的应用前景。
1 透水性水泥混凝土的定义
透水性混凝土一般定义为一种含有单级配的粗骨料、微量或无细骨料、少量水泥浆的混凝土材料, 通过配合设计与优化原材料性能来达到较高强度、高透水性、无离析等工程要求。透水性水泥混凝土是一种新型的路面结构, 具有雨天路面无滞水、无水膜, 以及吸音降噪等诸多优良特性。该类型水泥混凝土的配合比采用间断级配骨料, 形成粗骨料颗粒含量多、细骨料含量适当减少、孔隙率大的构造特点。与一般混凝土相比, 它具有导热系数小、水泥用量少、水的毛细现象不明显、较干硬、一般成型时需一定的成型压力等特点。
2 透水性水泥混凝土的制备
2.1 原材料的选定
(1) 水泥。水泥的活性、品种、数量是决定混凝土强度的关键因素。所以透水性混凝土要采用强度较高、混合材料掺量较少的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。本实验采用江苏省常州市溧阳水泥厂生产的32.5 级普通硅酸盐水泥, 采用《公路工程水泥混凝土试验规程》( JTJ 053- 94) 规定方法进行水泥物理和力学性质的检测。
(2) 骨料。有资料表明, 骨料粒径愈小, 骨料堆积的孔隙率愈大, 且颗粒间的接触点愈多, 强度偏高。为了使混凝土结构达到大孔隙率的状态,以满足高透水性的要求, 并达到一定的强度, 本实验中采用粒级为2.36mm～9.5 mm 单一粒级的石子。采用《公路工程集料试验规程》( JTJ 058-2000) 规定方法进行集料性质的检测。本实验采取不掺加细骨料的方法。
(3) 水为自来水。
2.2 配合比设计
2.2.1 配合比设计要求
(1) 满足一定的透水性要求;
(2) 达到一定的空隙率;
(3) 达到一定的强度要求。
2.2.2 各项技术参数的确定
(1) 空隙率的确定。据国内有关资料表明, 路面材料的空隙率小于4%时, 基本上是不透水的; 当空隙率大于15%时, 其渗水性非常好, 且对路面不会造成太大的危害。经验证明, 透水性混凝土空隙率低于15%起不到排水作用, 高于25%易引起材料的松散, 发生早期破坏。本试验确定目标孔隙率为20%。
(2) 渗透系数的确定。渗水性混凝土路面雨天排水是横向排水, 有资料表明, 日本对不同渗水方向渗透系数的比较结果认为: 水平方向的渗透系数比垂直方向约大2～3 倍, 这说明垂直方向渗下来的水在水平方向是能很快排走的, 关键在于垂直方向的渗透能力。本试验将透水混凝土垂直方向的透水系数定为>2 mm/s。
(3) 强度的确定。抗压强度定为15 MPa 左右, 抗折强度定为2 MPa左右。
2.2.3 配合比设计
(1) 水灰比的选择。水灰比既影响透水性混凝土的强度, 又影响其透水性。如果选定的水灰比过小, 水泥浆体过于干稠则不能充分包裹集料表面, 不利于透水性混凝土强度的提高; 反之, 水灰比过大, 水泥浆可能把透水孔隙部分或全部堵死, 既不利于透水, 也不利于强度的提高。本试验拟定水灰比为0.3。
(2) 集灰比的选择。根据本试验所选定的集料的粒级( 2.36 mm～9.5mm) , 拟定3 种集灰比, 分别为5∶1, 6∶1 及7∶1( 若集灰比过小, 水泥浆量有可能堵塞集料间的空隙, 而达不到所设定的孔隙率) 。通过试验结果分析得出合理的集灰比。
(3) 各材料用量的确定。透水性混凝土的配合比设计到目前为止还没有成熟的计算方法, 根据透水性混凝土所要求的孔隙率和结构特征,可以认为1 m3 混凝土的外观体积由骨料堆积而成。本试验假定透水性混凝土的密度为1 900 kg/m3。
2.3 试件的制备及养护
2.3.1 搅拌
混凝土施工工艺是保证其质量的关键, 在施工工艺中主要影响因素是透水性混凝土的搅拌。透水性水泥混凝土配制中水泥的用量相对普通混凝土低得多, 即粗骨料表面仅由一层很薄的水泥浆层包裹。这也就削减了水泥浆与骨料间的界面强度, 而混凝土的破坏主要发生在水泥浆与骨料间的界面处, 所以如何提高水泥浆与骨料的界面黏结强度是制备透水性混凝土的关键所在。
(1) 水泥裹石法。水泥裹石法是采取先用一部分拌和水将粗骨料刷洗干净并充分湿润, 使粗骨料表面产生全方位的范德华力, 再用这种集料去撞击水泥, 使充分分散的水泥颗粒均匀地吸附在其表面, 这就使界面有足够的内聚力的水泥浆与集料产生强而均匀的黏附力, 从而使组成拌和物的各粒子间的作用力充分发挥出来。
(2) 透水性混凝土的搅拌。搅拌机采用50L 型强制式搅拌机。投料与搅拌: 先用水将搅拌机润湿后加入石子, 再加入10%的水量至搅拌机中后开动机器搅拌20 s, 使石子表面均处于湿润状态。接着将所需水泥称好后加入到搅拌机中搅拌约90 s, 在搅拌机叶片的带动下, 水泥均匀地附着在石子表面。最后将剩余的拌和水一次加入到搅拌机中搅拌90 s 后出料。
(3) 不同集灰比形成拌和料的外观状态分析( 见图1) 。C- 1 拌和料:目测所有集料颗粒表面均形成水泥浆包裹层, 水泥浆在集料表面形成的包裹层较厚实。C- 2 拌和料: 目测所有集料颗粒表面均形成平滑的水泥浆包裹层, 而且包裹层有光泽、不流淌。C- 3 拌和料: 目测集料绝大多数颗粒表面亦形成均匀的水泥浆包裹层, 但水泥浆层相对前两种配比形成的浆层较薄, 有少部分不规则集料表面没有被水泥浆充分包裹住, 颗粒有部分外露。
通过对拌和料外观形态的对比分析得出: C- 2 拌和料的性能较好,有利于透水性混凝土的形成。
2.3.2 成型
因透水性混凝土拌和料为干硬性, 故成型时需采用一定的成型压力。而成型压力大小的确定要综合考虑以下方面的因素: 石子的强度、透水混凝土的空隙率。
(1) 成型压力的确定。根据不同压力作用下石子的破坏情况及筛分后的结果分析, 成型压力确定为2 MPa。
(2) 透水性混凝土的成型。将3 种配比的透水性混凝土拌和料分别装入边长为150 mm 的立方体试模内( 用于抗压试验) 和150 mm×150mm×550 mm 的试模中( 用于抗折强度试验) 。然后将试模放置于混凝土振动台上连续振动2 min。在振动过程中不断往试模中加料, 使拌和料高出试模约5 mm。振动完毕, 将试模移至混凝土抗压试验机下, 准备试压成型。采用成型压力为2 MPa。
(3) 透水性混凝土的湿表观密度的测定。称量试模同拌和物的总质量( 精确至0.1 kg) m2, 再称出试模的质量m1。用下式计算出透水混凝土拌和物的表观密度:ρ=( m2- m1) /V (1)式中, ρ为透水混凝土拌和物表观密度, kg/m3; m2 为试模和混凝土拌和物总质量, kg; m1 为试模的质量, kg; V 为试模的容积, 150 mm×150mm×550 mm。
测得结果为: 3 种配比的透水性混凝土湿表观密度分别为2 010 kg/m3,2 100 kg/m3, 2 250 kg/m3。
2.3.3 养护
拆模后的试件编好号后, 立即放入温度为20 ℃±5 ℃、相对湿度为90%以上的标准养护箱中养护。试件应放在养护箱中的架子上, 且试件彼此间隔保持在10 mm～20 mm。
2.4 测定透水性混凝土的基本性能
2.4.1 透水混凝土的孔隙率测定
(1) 所用仪器: 透水混凝土的孔隙率的测定采用自制的一个简易的玻璃容器, 见图2。
(2) 测定方法: 将养护至28 天的边长为150 mm 的立方体试件从养护箱中取出后用干抹布擦干表面。加10 L 的水至玻璃容器内, 并在玻璃容器上做标记记录水位的位置, 然后将水倒出。将试件轻轻放入容器内后, 加水至标记处, 记录加入的水体积V。用下列公式计算透水混凝土的孔隙率:P=[ 150×150×150-( 10- V) ] /150×150×150 ( 2)
(3) 结果记录并分析, 见表1。
从以上结果可得出结论: C- 2 透水性混凝土的孔隙率与所设定的目标孔隙率最接近。
2.4.2 透水混凝土的渗透性能测定
(1) 实验仪器: 自制一玻璃容器。容器由4 片尺寸为150 mm×150mm×300 mm 玻璃用玻璃胶胶结而成的两端开口的方框, 见图3。
(2) 实验步骤: 将试件四周用蜡封好, 然后将透水仪置于试件上方,透水仪和试件之间用半热的蜡条封好。待蜡条冷却后, 向透水仪中加入超过20 cm 刻度的水, 待水面下降至16 cm 刻度时开始计时, 下降至14
cm 再计时一次。透水系数按下式计算:T1=( 160- 140) /t1 ( 3)T2=160/t2 ( 4)式中, t1 为当水面通过试件渗漏, 下降到16 cm 时开始计时到水面下降至14 cm 时的时间; t2 为当水面通过试件渗漏, 下降到16 cm 时开始计时到水全部渗漏完毕时的时间。
(3) 结果记录见表2。
通过以上测试结果可以看出: 3 种不同集灰比配制成的混凝土都具有较高的渗透系数, 都满足配制要求, 且随着集灰比的增大, 混凝土的渗透能力也在增大。这是因为当骨料粒径一定、水泥用量一定时, 随着集灰比的增大, 集料间的空隙被水泥浆填充程度就越小, 所以混凝土的渗透能力就随着集灰比的增大而增大。
2.4.3 透水混凝土强度的测定
(1) 抗压强度。参照建材行业标准JC 446—91 测定试件的抗压强度。采用液压式混凝土压力机加压, 受压面积为150 mm×150 mm, 加荷速度为0.3 MPa/s～0.5 MPa/s, 抗压强度取3 个试件结果的平均值。
(2) 抗折强度。参照建材行业标准JC 446—91 测定试件的抗折强度。抗折强度取3 个试件结果的平均值。
(3) 强度测试结果: C- 1, C- 2, C- 3 的抗压强度分别为14.5 MPa, 10.6MPa, 7.5 MPa, 抗折强度分别为2.15 MPa, 1.95 MPa, 1.65 MPa。
从以上测试结果可以得出下面结论: 集灰比的增大使透水混凝土的抗折及抗压能力都有下降的趋势。这是因为在水泥用量不变的情况下,增大集灰比即增加了集料的用量, 则包裹集料的水泥浆体就变薄, 集料与水泥石之间的黏结强度就随之降低。而透水混凝土破坏特征是集料颗粒之间的连接点处破坏, 所以随着混凝土中集灰比的增大, 透水混凝土的强度会随之下降。
2.5 采用3 种不同配比的透水混凝土性能对比分析从表3 中给出的各项数据可得出:
(1) 在采用单一粒级的粗骨料、且不掺加细骨料的条件下配制透水
性水泥混凝土时, 配制所采用的集灰比对透水性混凝土的基本性能起着非常重要的影响。
(2) 当粗骨料粒级为2.36 mm～9.5 mm 时, 集灰比为6∶1 的配比配制而成的透水性混凝土的各项基本性能均符合配制要求。
3 应用展望
透水性水泥混凝土远期展望可以广泛应用于公路、城市道路、机场道路中, 且使用价值较高。近期可以用于停车场、人行道、园林道路及其他可能的工程结构, 因为此类工程结构中, 对混凝土的力学性能要求较低。比如在园林道路中修建透水性水泥混凝土路面, 一是可以迅速排除地表的积水; 二是可以使雨水渗入土中, 补充地下水位, 为园林中的树木花草补充水分, 减少排入河流的雨水量, 降低城市防洪压力, 其经济、社会效益是明显的。
4 结语
透水性水泥混凝土路面与传统的水泥混凝土路面有较大的区别, 它的制备和试验方法也有一些不同之处, 尚需对透水性水泥混凝土的耐磨性、抗冲击性、抗飞散性、抗冻性进行试验研究。同时, 我们也可以看到透水性水泥混凝土对于提高道路自身的吸音降噪、增加抗滑性、减轻城市的“ 热岛现象”有积极作用, 具有较为显著的社会效益。当然, 笔者对于透水性水泥混凝土也仅做了一些初步的研究工作, 进一步的工作尚在进行中, 可能一些没有料想到的问题或已经料想到但没有认为是主要问题的问题, 可能成为主要矛盾, 这将有待于在今后的试验室和现场的试验段中发现和解决。
参考文献
[ 1] 刘兰, 马瑞强. 透水性水泥混凝土路面分析[ J] . 建筑技术开发,2005, 32( 5) : 65- 67.
[ 2] A·M·内维尔.混凝土的性能[ M] .李国泮, 泽.北京: 中国建筑工业出版社, 1983.
