摘 要: 文章根据我国无砂透水性混凝土开发和应用的现状, 对无砂透水性混凝土抗压强度、透水性进行了试验研究, 分析了混凝土抗压强度和透水系数与水灰比、骨料粒径的关系, 提出了强度高达C50, 透水系数为2189mm / s的透水性混凝体最优配比方案。
关键词: 透水混凝土; 透水性混凝土路面砖; 抗压强度; 透水系数
中图分类号: TU528 文献标识码: A 文章编号: 1671 - 0959 (2007) 0120081203
目前国内研制的透水性混凝土路面砖的抗压强度一般在20～25MPa, 与国家建材行业标准《混凝土路面砖》规定的抗压强度最低值C30 (30MPa)有差距。本文在前人研究成果的基础上, 利用本地产水泥、添加外加剂、采用特殊生产工艺和成型方法, 进行了无砂高强透水性混凝土试验研究, 提出了强度高达C50, 透水系数为2189mm / s的透水性混凝体最优配比方案。
1 试验方法
关于大孔径混凝土的透水性, 我国还没有制定标准的测试方法。本文参照日本混凝土协会1998年提出的《多孔混凝土性能试验方法草案》对透水性混凝土的抗压强度、透水系数、孔隙率等性能进行试验研究。
1．1 试验设计
利用数理统计所提出的正交试验方法, 对透水砖的配比及性能的试验方案进行研究, 找出强度、透水性与配比关系。目前透水性混凝土的最佳水灰比通常介于0．25 ～0．35之间[ 1 ] , 故本方案拟选用0．27、0．3、0．33。骨胶比的大小影响混凝土的强度和透水性, 考虑较小粒径骨料的表面积较大, 为保持水泥浆的合理厚度, 本次试验采用的骨胶比定为4．0、4．5、5．0。因为选用的影响因素为三个,故正交试验方案的安排见表1。
1．2 原材料
水泥: 普通硅酸盐水泥, 强度等级为42．5。
骨料: 采用人工碎石, 粒径选用2．5～5．0mm, 5．0～10．0mm, 5．0～15．0mm的单一粒级。
外加剂: 选用天津泰克科技有限公司生产的XQB混凝土增强剂。
拌合及养护用水: 自来水。
1．3 试块制备
每组制备5个试件, 每个试件一次加压成型, 成型压力为2MPa。成型后表面覆盖塑料薄膜以防止水分散失, 经24h后,拆模放入标准养护室养护28d。本次试件为250mm ×250mm×60mm长方体(用于抗压强度测试)和直径100mm、高度200mm的圆柱体(用于透水系数测试)两种。
1．4 抗压强度测试
参照规范《混凝土路面砖》JC /T 446—2000测定试件的抗压强度, 受压面积120mm ×60mm, 加载速率为0．3～0．5MPa / s, 取5个试件的平均值。按我国道路场地设计规范, 本研究的透水性混凝土路面砖标准块规格尺寸的边长/厚度= 4117 < 5, 所以不必考虑抗折强度。
1．5 透水系数测试
目前, 我国对透水性混凝土透水系数的测试主要有两种方法。
一种是日本混凝土协会提出的“多孔混凝土性能试验方法草案”。这种方法主要参考《土壤透水性试验》, 试验时采用定水头的方法, 如图1左所示[ 2, 3 ]。根据达西定律测量混凝土的透水系数。试验时从透水套筒的上部注入水,水通过试件进入外套筒, 最后从溢水口流出。在持续加水的情况下, 当加入的水量与溢出的水量取得平衡时, 用量筒计量通过混凝土的出水量, 同时计量出水的时间, 然后通过公式(1)就可以计算透水系数K1 :K1 = QL / (AH△t) (1)
式中 K1 ———透水性混凝土的透水系数, mm / s;
Q———测试时间段△t内透过混凝土的水量, mm3 ;
L ———透水性混凝土试件的高度, mm;
A ———透水性混凝土试件的面积, mm2 ;
H———水头, mm;
△t———测试时间, s。
另一种方法是采用变水头的方法, 即从一定的水头高度开始, 以渗流速度V 表示透水性混凝土的透水系数, 如图1右所示。试验时, 在透水套筒内注入一定高度的水,水通过混凝土试件从试件的下表面流出, 通过测试试件表面水位下降一定高度所需的时间, 根据公式(2)计算透水系数K2 :
K2 = h / △t (2)
式中 K2 ———透水性混凝土的透水系数。mm / s;
H———水位变化高度, mm;
△t———测试时间, s。
本次试验采用定水头法测定透水系数, 结果见表2。
1．6 孔隙率和连通孔隙率测试
首先用卡尺测量并计算试件的外观体积V1 ; 将试件浸泡在水中使其饱和后, 称取试件在水中的重量W1 ; 将试件从水中取出, 控干内部吸入的水并擦干表面多余的水, 待重量恒定后称取试件在空气中的重量W2 ; 然后将试件在20℃ ±2℃、相对湿度60%的条件下自然放置24h, 称取试件在空气中的重量W3 ; 则透水性混凝土的总孔隙率P1 和连通孔隙率P2 分别按公式(3) 、(4)进行计算, 结果见表2。
P1 = [1 - (W3 - W1 ) /V1 ] ×100% (3)
P2 = [1 - (W2 - W1 ) /V1 ] ×100% (4)
2 试验结果
本试验各组试件的抗压强度、透水系数、孔隙率和连通孔隙率试验结果见表2, 表中各项数据均为每组5个试件平均值。
3 结 论
对以上试验结果进行分析得出以下结论:
1) 根据透水性混凝土结构模型可知, 透水性混凝土受力是通过骨料之间的胶结点传递力的作用。由于骨料本身的强度较高, 水泥凝胶层很薄, 水泥凝胶体与粗骨料界面之间的胶结面积小, 其破坏特征是骨料颗粒之间的连接点被破坏。因此, 在保证一定孔隙率的前提下, 增加胶结点的数量和面积, 增强胶结力是提高透水性混凝土强度的关键。骨料粒径越小, 比表面积越大, 所形成的结构骨架单位体积内骨料颗粒之间的接触点数量多, 胶结面积越大,从而提高透水性混凝土的整体强度[ 4 ]。由试验数据可知,即使水灰比相同, 但由于粒径减少, 胶结点的数量多、面积大, 抗压强度增大。
2) 本次研究采用强制式搅拌机和预拌水泥浆法进行搅拌, 即首先拌制比需要量大3～4倍的水泥浆, 然后将骨料与水泥浆一起搅拌, 保证每颗粒骨料上都包裹较多的水泥浆, 再使这些骨料通过一个以一定频率振动的筛子, 筛去多余的水泥浆, 这样留在骨料表面的水泥浆, 恰好是所需要的。采用这种方法, 可以保证搅拌的均匀性, 水泥浆的利用率也最大。正是由于这两条原因, 加之选用了适宜的外加剂, 使本次研制的透水性混凝土抗压强度之高在目前尚未见到类似报道。
3) 对于透水混凝土的强度而言, 在水灰比处于0127～0133之间时, 骨料粒径与骨胶比对强度影响显著, 因而在配制过程中, 骨胶比应取较小值, 骨料粒径适中。试验表明, 组号4 的强度指标最高(强度58128MPa, 透水系数2189mm / s) , 组号3的透水系数最好(强度24172MPa, 透水系数6154mm / s) 。
4) 无砂混凝土的透水性和抗压强度与混凝土的孔隙率有关。试验表明, 其透水性和强度是一对相互矛盾的指标,在配制透水混凝土时, 应注意协调二者之间的关系。
5) 对无砂透水性混凝土来讲, 粒径是影响其性能的一个重要因素。在进行配比设计时, 要合理选取粒径, 以使透水性混凝土的性能符合使用要求。随着骨料粒径的减小,虽然强度提高很快, 但透水系数、总孔隙率和连通孔隙率均有不同程度的下降。
6)作为路面材料,通常要求表层具有良好的耐磨性和__平整度, 处于表层的骨料颗粒很容易脱落, 使道路表面凹凸不平。为保证其具有良好的耐磨性和平整度, 综合考虑以上因素, 透水系数、总孔隙率和连通孔隙率均满足规范《混凝土路面砖》JC /T 446、2000要求, 以级配良好抗压强度高达C50的第4组作为终选方案。
参考文献:
[ 1 ] 孟宏睿, 许建国, 等. 大孔混凝土的透水性及其测定方法[ J ]. 混凝土与水泥制品, 2004 (2) : 43～44.
[ 2 ] 霍亮, 高建明. 透水性混凝土透水系数的试验研究[ J ].混凝土与水泥制品, 2004 (1) : 44～46.
[ 3 ] YANG J ing, J IANG Guo - liang. Experimental study on p roperties of pervious concrete pavement materials [ J ]. Cementand Concrete Research, Volume: 33, Issue: 3, March,2003, pp. 381～386.
[ 4 ] 刘叶峰, 朋改非, 等. 高强透水性混凝土材料试验研究研究[ J ]. 混凝土, 2005 ( 3) : 56～58.
