摘要: 介紹了透水性水泥混凝土的定義, 從原材料選定、配合比設(shè)計、基本性能測定等方面闡述了制備過程, 對其應(yīng)用提出了展望。
關(guān)鍵詞: 透水性水泥混凝土; 材料制備; 性能測定
中圖分類號: TU528.1 文獻標(biāo)識碼: A
隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展、交通基礎(chǔ)建設(shè)步伐加快、平整鋪設(shè)的各種道路在給人們的出行帶來了極大方便的同時, 具有不透水路面的道路也給生態(tài)環(huán)境帶來諸多負(fù)面的影響。由于混凝土鋪筑的路面缺乏透水性和透氣性, 雨水不能滲入地下, 致使地表植物由于嚴(yán)重缺水而難以正常生長; 具有不透氣路面的道路很難與空氣進行熱量、水分的交換, 缺乏對城市地表溫度、濕度的調(diào)節(jié)能力, 產(chǎn)生所謂的“ 熱島現(xiàn)象”。此外, 不透水的道路表面容易積水, 降低道路的舒適性和安全性。研究透水性混凝土的制備技術(shù)和相關(guān)性能的社會效益及意義顯著, 并有著廣闊的應(yīng)用前景。
1 透水性水泥混凝土的定義
透水性混凝土一般定義為一種含有單級配的粗骨料、微量或無細(xì)骨料、少量水泥漿的混凝土材料, 通過配合設(shè)計與優(yōu)化原材料性能來達到較高強度、高透水性、無離析等工程要求。透水性水泥混凝土是一種新型的路面結(jié)構(gòu), 具有雨天路面無滯水、無水膜, 以及吸音降噪等諸多優(yōu)良特性。該類型水泥混凝土的配合比采用間斷級配骨料, 形成粗骨料顆粒含量多、細(xì)骨料含量適當(dāng)減少、孔隙率大的構(gòu)造特點。與一般混凝土相比, 它具有導(dǎo)熱系數(shù)小、水泥用量少、水的毛細(xì)現(xiàn)象不明顯、較干硬、一般成型時需一定的成型壓力等特點。
2 透水性水泥混凝土的制備
2.1 原材料的選定
(1) 水泥。水泥的活性、品種、數(shù)量是決定混凝土強度的關(guān)鍵因素。所以透水性混凝土要采用強度較高、混合材料摻量較少的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。本實驗采用江蘇省常州市溧陽水泥廠生產(chǎn)的32.5 級普通硅酸鹽水泥, 采用《公路工程水泥混凝土試驗規(guī)程》( JTJ 053- 94) 規(guī)定方法進行水泥物理和力學(xué)性質(zhì)的檢測。
(2) 骨料。有資料表明, 骨料粒徑愈小, 骨料堆積的孔隙率愈大, 且顆粒間的接觸點愈多, 強度偏高。為了使混凝土結(jié)構(gòu)達到大孔隙率的狀態(tài),以滿足高透水性的要求, 并達到一定的強度, 本實驗中采用粒級為2.36mm～9.5 mm 單一粒級的石子。采用《公路工程集料試驗規(guī)程》( JTJ 058-2000) 規(guī)定方法進行集料性質(zhì)的檢測。本實驗采取不摻加細(xì)骨料的方法。
(3) 水為自來水。
2.2 配合比設(shè)計
2.2.1 配合比設(shè)計要求
(1) 滿足一定的透水性要求;
(2) 達到一定的空隙率;
(3) 達到一定的強度要求。
2.2.2 各項技術(shù)參數(shù)的確定
(1) 空隙率的確定。據(jù)國內(nèi)有關(guān)資料表明, 路面材料的空隙率小于4%時, 基本上是不透水的; 當(dāng)空隙率大于15%時, 其滲水性非常好, 且對路面不會造成太大的危害。經(jīng)驗證明, 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, 發(fā)生早期破壞。本試驗確定目標(biāo)孔隙率為20%。
(2) 滲透系數(shù)的確定。滲水性混凝土路面雨天排水是橫向排水, 有資料表明, 日本對不同滲水方向滲透系數(shù)的比較結(jié)果認(rèn)為: 水平方向的滲透系數(shù)比垂直方向約大2～3 倍, 這說明垂直方向滲下來的水在水平方向是能很快排走的, 關(guān)鍵在于垂直方向的滲透能力。本試驗將透水混凝土垂直方向的透水系數(shù)定為>2 mm/s。
(3) 強度的確定。抗壓強度定為15 MPa 左右, 抗折強度定為2 MPa左右。
2.2.3 配合比設(shè)計
(1) 水灰比的選擇。水灰比既影響透水性混凝土的強度, 又影響其透水性。如果選定的水灰比過小, 水泥漿體過于干稠則不能充分包裹集料表面, 不利于透水性混凝土強度的提高; 反之, 水灰比過大, 水泥漿可能把透水孔隙部分或全部堵死, 既不利于透水, 也不利于強度的提高。本試驗擬定水灰比為0.3。
(2) 集灰比的選擇。根據(jù)本試驗所選定的集料的粒級( 2.36 mm～9.5mm) , 擬定3 種集灰比, 分別為5∶1, 6∶1 及7∶1( 若集灰比過小, 水泥漿量有可能堵塞集料間的空隙, 而達不到所設(shè)定的孔隙率) 。通過試驗結(jié)果分析得出合理的集灰比。
(3) 各材料用量的確定。透水性混凝土的配合比設(shè)計到目前為止還沒有成熟的計算方法, 根據(jù)透水性混凝土所要求的孔隙率和結(jié)構(gòu)特征,可以認(rèn)為1 m3 混凝土的外觀體積由骨料堆積而成。本試驗假定透水性混凝土的密度為1 900 kg/m3。
2.3 試件的制備及養(yǎng)護
2.3.1 攪拌
混凝土施工工藝是保證其質(zhì)量的關(guān)鍵, 在施工工藝中主要影響因素是透水性混凝土的攪拌。透水性水泥混凝土配制中水泥的用量相對普通混凝土低得多, 即粗骨料表面僅由一層很薄的水泥漿層包裹。這也就削減了水泥漿與骨料間的界面強度, 而混凝土的破壞主要發(fā)生在水泥漿與骨料間的界面處, 所以如何提高水泥漿與骨料的界面黏結(jié)強度是制備透水性混凝土的關(guān)鍵所在。
(1) 水泥裹石法。水泥裹石法是采取先用一部分拌和水將粗骨料刷洗干凈并充分濕潤, 使粗骨料表面產(chǎn)生全方位的范德華力, 再用這種集料去撞擊水泥, 使充分分散的水泥顆粒均勻地吸附在其表面, 這就使界面有足夠的內(nèi)聚力的水泥漿與集料產(chǎn)生強而均勻的黏附力, 從而使組成拌和物的各粒子間的作用力充分發(fā)揮出來。
(2) 透水性混凝土的攪拌。攪拌機采用50L 型強制式攪拌機。投料與攪拌: 先用水將攪拌機潤濕后加入石子, 再加入10%的水量至攪拌機中后開動機器攪拌20 s, 使石子表面均處于濕潤狀態(tài)。接著將所需水泥稱好后加入到攪拌機中攪拌約90 s, 在攪拌機葉片的帶動下, 水泥均勻地附著在石子表面。最后將剩余的拌和水一次加入到攪拌機中攪拌90 s 后出料。
(3) 不同集灰比形成拌和料的外觀狀態(tài)分析( 見圖1) 。C- 1 拌和料:目測所有集料顆粒表面均形成水泥漿包裹層, 水泥漿在集料表面形成的包裹層較厚實。C- 2 拌和料: 目測所有集料顆粒表面均形成平滑的水泥漿包裹層, 而且包裹層有光澤、不流淌。C- 3 拌和料: 目測集料絕大多數(shù)顆粒表面亦形成均勻的水泥漿包裹層, 但水泥漿層相對前兩種配比形成的漿層較薄, 有少部分不規(guī)則集料表面沒有被水泥漿充分包裹住, 顆粒有部分外露。
通過對拌和料外觀形態(tài)的對比分析得出: C- 2 拌和料的性能較好,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為干硬性, 故成型時需采用一定的成型壓力。而成型壓力大小的確定要綜合考慮以下方面的因素: 石子的強度、透水混凝土的空隙率。
(1) 成型壓力的確定。根據(jù)不同壓力作用下石子的破壞情況及篩分后的結(jié)果分析, 成型壓力確定為2 MPa。
(2) 透水性混凝土的成型。將3 種配比的透水性混凝土拌和料分別裝入邊長為150 mm 的立方體試模內(nèi)( 用于抗壓試驗) 和150 mm×150mm×550 mm 的試模中( 用于抗折強度試驗) 。然后將試模放置于混凝土振動臺上連續(xù)振動2 min。在振動過程中不斷往試模中加料, 使拌和料高出試模約5 mm。振動完畢, 將試模移至混凝土抗壓試驗機下, 準(zhǔn)備試壓成型。采用成型壓力為2 MPa。
(3) 透水性混凝土的濕表觀密度的測定。稱量試模同拌和物的總質(zhì)量( 精確至0.1 kg) m2, 再稱出試模的質(zhì)量m1。用下式計算出透水混凝土拌和物的表觀密度:ρ=( m2- m1) /V (1)式中, ρ為透水混凝土拌和物表觀密度, kg/m3; m2 為試模和混凝土拌和物總質(zhì)量, kg; m1 為試模的質(zhì)量, kg; V 為試模的容積, 150 mm×150mm×550 mm。
測得結(jié)果為: 3 種配比的透水性混凝土濕表觀密度分別為2 010 kg/m3,2 100 kg/m3, 2 250 kg/m3。
2.3.3 養(yǎng)護
拆模后的試件編好號后, 立即放入溫度為20 ℃±5 ℃、相對濕度為90%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱中養(yǎng)護。試件應(yīng)放在養(yǎng)護箱中的架子上, 且試件彼此間隔保持在10 mm～20 mm。
2.4 測定透水性混凝土的基本性能
2.4.1 透水混凝土的孔隙率測定
(1) 所用儀器: 透水混凝土的孔隙率的測定采用自制的一個簡易的玻璃容器, 見圖2。
(2) 測定方法: 將養(yǎng)護至28 天的邊長為150 mm 的立方體試件從養(yǎng)護箱中取出后用干抹布擦干表面。加10 L 的水至玻璃容器內(nèi), 并在玻璃容器上做標(biāo)記記錄水位的位置, 然后將水倒出。將試件輕輕放入容器內(nèi)后, 加水至標(biāo)記處, 記錄加入的水體積V。用下列公式計算透水混凝土的孔隙率:P=[ 150×150×150-( 10- V) ] /150×150×150 ( 2)
(3) 結(jié)果記錄并分析, 見表1。
從以上結(jié)果可得出結(jié)論: C- 2 透水性混凝土的孔隙率與所設(shè)定的目標(biāo)孔隙率最接近。
2.4.2 透水混凝土的滲透性能測定
(1) 實驗儀器: 自制一玻璃容器。容器由4 片尺寸為150 mm×150mm×300 mm 玻璃用玻璃膠膠結(jié)而成的兩端開口的方框, 見圖3。
(2) 實驗步驟: 將試件四周用蠟封好, 然后將透水儀置于試件上方,透水儀和試件之間用半熱的蠟條封好。待蠟條冷卻后, 向透水儀中加入超過20 cm 刻度的水, 待水面下降至16 cm 刻度時開始計時, 下降至14
cm 再計時一次。透水系數(shù)按下式計算:T1=( 160- 140) /t1 ( 3)T2=160/t2 ( 4)式中, t1 為當(dāng)水面通過試件滲漏, 下降到16 cm 時開始計時到水面下降至14 cm 時的時間; t2 為當(dāng)水面通過試件滲漏, 下降到16 cm 時開始計時到水全部滲漏完畢時的時間。
(3) 結(jié)果記錄見表2。
通過以上測試結(jié)果可以看出: 3 種不同集灰比配制成的混凝土都具有較高的滲透系數(shù), 都滿足配制要求, 且隨著集灰比的增大, 混凝土的滲透能力也在增大。這是因為當(dāng)骨料粒徑一定、水泥用量一定時, 隨著集灰比的增大, 集料間的空隙被水泥漿填充程度就越小, 所以混凝土的滲透能力就隨著集灰比的增大而增大。
2.4.3 透水混凝土強度的測定
(1) 抗壓強度。參照建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC 446—91 測定試件的抗壓強度。采用液壓式混凝土壓力機加壓, 受壓面積為150 mm×150 mm, 加荷速度為0.3 MPa/s～0.5 MPa/s, 抗壓強度取3 個試件結(jié)果的平均值。
(2) 抗折強度。參照建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC 446—91 測定試件的抗折強度。抗折強度取3 個試件結(jié)果的平均值。
(3) 強度測試結(jié)果: C- 1, C- 2, C- 3 的抗壓強度分別為14.5 MPa, 10.6MPa, 7.5 MPa, 抗折強度分別為2.15 MPa, 1.95 MPa, 1.65 MPa。
從以上測試結(jié)果可以得出下面結(jié)論: 集灰比的增大使透水混凝土的抗折及抗壓能力都有下降的趨勢。這是因為在水泥用量不變的情況下,增大集灰比即增加了集料的用量, 則包裹集料的水泥漿體就變薄, 集料與水泥石之間的黏結(jié)強度就隨之降低。而透水混凝土破壞特征是集料顆粒之間的連接點處破壞, 所以隨著混凝土中集灰比的增大, 透水混凝土的強度會隨之下降。
2.5 采用3 種不同配比的透水混凝土性能對比分析從表3 中給出的各項數(shù)據(jù)可得出:
(1) 在采用單一粒級的粗骨料、且不摻加細(xì)骨料的條件下配制透水
性水泥混凝土?xí)r, 配制所采用的集灰比對透水性混凝土的基本性能起著非常重要的影響。
(2) 當(dāng)粗骨料粒級為2.36 mm～9.5 mm 時, 集灰比為6∶1 的配比配制而成的透水性混凝土的各項基本性能均符合配制要求。
3 應(yīng)用展望
透水性水泥混凝土遠(yuǎn)期展望可以廣泛應(yīng)用于公路、城市道路、機場道路中, 且使用價值較高。近期可以用于停車場、人行道、園林道路及其他可能的工程結(jié)構(gòu), 因為此類工程結(jié)構(gòu)中, 對混凝土的力學(xué)性能要求較低。比如在園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積水; 二是可以使雨水滲入土中, 補充地下水位, 為園林中的樹木花草補充水分, 減少排入河流的雨水量, 降低城市防洪壓力, 其經(jīng)濟、社會效益是明顯的。
4 結(jié)語
透水性水泥混凝土路面與傳統(tǒng)的水泥混凝土路面有較大的區(qū)別, 它的制備和試驗方法也有一些不同之處, 尚需對透水性水泥混凝土的耐磨性、抗沖擊性、抗飛散性、抗凍性進行試驗研究。同時, 我們也可以看到透水性水泥混凝土對于提高道路自身的吸音降噪、增加抗滑性、減輕城市的“ 熱島現(xiàn)象”有積極作用, 具有較為顯著的社會效益。當(dāng)然, 筆者對于透水性水泥混凝土也僅做了一些初步的研究工作, 進一步的工作尚在進行中, 可能一些沒有料想到的問題或已經(jīng)料想到但沒有認(rèn)為是主要問題的問題, 可能成為主要矛盾, 這將有待于在今后的試驗室和現(xiàn)場的試驗段中發(fā)現(xiàn)和解決。
參考文獻
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