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  • 透水混凝土耐久性研究進展

    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。


    【作者機構】 中建西部建設西南有限公司

    【來    源】 《商品混凝土》 2017年第5期P19-22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  耐久性  強度  抗凍耐久性  表面耐磨性  凈水作用

    【摘    要】 透水混凝土廣泛應用于公園、廣場、人行道以及停車場等處,它可以還原雨水循環,緩解雨水流失,改善熱循環,有效抑制城市“熱島效應”,還可以起到凈水的作用。本文通過透水混凝土的強度、抗凍耐久性、表面耐磨性和透水混凝土的凈水作用對透水混凝土的耐久性能進行研究。


    0 引言

    透水混凝土是歐美、日本等國家針對原城市道路的路面缺陷而開發使用的一種能讓雨水流入地下、有效補充地下水、緩解城市地下水位急劇下降等等的一些城市環境問題的優良鋪裝材料。上世紀 60 年代后期,日本實施“雨水返還地下戰略”,該舉措積極推動了透水混凝土的研究開發工作,日本學者在 1987 年還為以有機高分子樹脂為膠凝材料制造的透水混凝土路面材料申請了專利[1];2000 年初,日本透水混凝土累計建設面積達到 10 萬平方米[2]。上世紀中期,美國將高滲透性混凝土引入公路與機場跑道建設領域,用以改善機場跑道和公路的排水能力和安全性能;上世紀 80 年代,透水混凝土在美國實現商業化;1991 年底,佛州成立水泥混凝土協會,為透水混凝土進一步發展提供持續性引導和建議[3]。

    國內對透水混凝土的研究開展時間較國外晚,實際應用也比較少,技術水平相對來說也比較低。1993 年中國建筑材料研究院在原國家建筑材料工業局的資助下開始進行“透水混凝土與透水性混凝土路面磚的研究”,研制的透水性混凝土路面磚于 1995 年開始在試點工程中應用,并在 1998 年的部級鑒定會上通過專家委員會的一致認定,“透水性混凝土路面磚的技術性能達到國際領先水平”(建材鑒字 [19987 第27 號])[4]。2000 年清華大學的楊靜及蔣國梁將硅灰摻入透水混凝土,使其抗壓強度達到 35.5MPa,透水系數 2.9mm/s。2006 年長安大學的鄭木蓮對透水混凝土疲勞性能進行了系統研究,建立了不同應力水平和等效應力水平下的疲勞方程[5]。

    透水混凝土是由特定級配的水泥、水、骨料、外加劑、摻合料和無機顏料等按特定配合比經特殊工藝制備而成的具有連續空隙的生態環?;炷?span class="superscript" style="margin: 0px; padding: 0px; font-size: 10px; vertical-align: super;">[6]。透水混凝土大致可分為三種:水泥透水性混凝土、高分子透水性混凝土和燒結透水性混凝土。與不透水路面相比,透水路面可以還原雨水循環,緩解雨水流失,防止地面溫度上升,改善熱循環,有效抑制城市“熱島效應”,吸音效果好,透水性能優良,減少雨天夜間行車路面積水反光等優點,并能有效地消除地面上的油類化合物等對環境的污染危害。Des poutset Chausses 試驗室通過對透水混凝土的水質凈化作用研究后,認為透水混凝土的過濾作用能夠使懸浮污染性粒子濃度下降到 36%,鉛濃度下降到 21%,透水混凝土能貯存污染性粒子,使這些污染性粒子不被水沖到地面上[7]。

    透水混凝土的水膠比為 0.25~0.35(通常為 0.27[8],孔含量通常在 10%~30% 之間[9],滲透率在 0.2~3cm/s 之間[10],抗壓強度在 10~50MPa[11]??刂仆杆炷翍玫年P鍵工程性能是抗壓強度、孔隙率、滲透率、抗凍融耐久性和表面耐磨性[12]。

    1 透水混凝土性能

    透水混凝土中,骨料通過一薄層漿體相互連接,形成透水混凝土典型的多孔結構基質,這些孔相互連接形成聯通通道,使其具有透氣、透水的特性,如圖 1 所示。因為骨料間連接面積較小,骨料間的粘合強度也相應減少,這使得透水混凝土在破壞性應力的情況下很容易開裂、松散和散裂[13,14]。有文獻指出,通過在透水混凝土中加入少量沙子和超細纖維可以得到可觀的強度和凍融耐久性[15]。下面通過透水混凝土的強度、抗凍耐久性、表面耐磨性和透水混凝土的凈水作用對透水混凝土的耐久性能進行研究。

    圖 1 透水混凝土

    1.1 抗壓強度

    透水混凝土中的骨料是間斷級配的,或者在一個標準的尺寸范圍內,在硬化基質中含有許多連通的中型氣孔,由于這些中型孔的存在,使得透水混凝土和普通混凝土相比,具有溫和的靜強度和獨特的動態性能。因為透水混凝土中含有大量的孔隙,粗骨料之間的膠結全靠水泥漿體,又由于連接粗骨料的水泥漿體非常薄,導致透水混凝土中裂縫的分布受各相幾何結構的影響很大。上述這些連接點是透水混凝土中的薄弱環節,往往破壞點也發生在這些地方,使得透水混凝土與常規混凝土的最終行為有很大的不同[16]。

    有研究指出,影響透水混凝土強度的主要因素包括透水混凝土孔隙率、水膠比、漿體性能、粗骨料的尺寸和體積含量[17]。Ayda S. Agar-Ozbek 等人認為透水混凝土粗骨料的質地、形狀和尺寸對透水混凝土的強度耐久性有重要影響[16]。透水混凝土中骨料的性能對漿體的流變性和力學性能有很重要的影響[18]。因為骨料粒徑大小也可以影響透水混凝土的性能,所以骨料的粒徑大小是控制孔徑分布的一個主要因素。骨料粒徑的增大可以增大粒度中值,但是對單一尺寸骨料的漿體來說,當骨料尺寸變化時,總的來說對性能沒有太大的影響[19]。也有研究指出骨料的級配對透水混凝土的破壞方式有重要影響。當用粗骨料和相對來說較細的骨料分別制備透水混凝土時,從圖 2 中可以看出,和粗骨料制備透水混凝土相比,細骨料制備透水混凝土裂縫更多的貫穿界面過渡區,而在粗骨料的情況下,裂縫一定是沿著最小阻力的方向發展,但是當它遇到粗骨料,就會向著貫穿它的方向發展,而不是繞著粗骨料邊界延伸[16]。

    圖 2 不同骨料級配的透水混凝土部分破壞 CT 圖像

    1.2 抗凍耐久性

    圖 3 所示為透水混凝土的內部孔結構模型。由圖可知,骨料間的交接點在透水混凝土受力時傳遞力的作用,粗骨料界面間的水泥漿體膠結面相對較小,且水泥膠結層很薄,該區域成為透水混凝土的力學性能劣化區,所以保證透水混凝土的孔隙率,提高膠結層強度,增加交接點的面積成為提高透水性混凝土強度及抗凍耐久性的關鍵[1,20]。

    圖 3 透水混凝土的內部孔結構模型

    起初,一些學者認為透水混凝土具有較高的滲透率,它的孔不可能充滿水,因此,凍融破壞不可能發生在透水混凝土中。但是許多的實例證明,在特定的使用功能和使用條件下,和普通混凝土相比,即使在不飽和及部分飽和的狀態下,透水混凝土在寒冷氣候下更容易發生凍融破壞。

    在透水混凝土凍融試驗過程中發現透水混凝土的鹽凍破壞呈現兩種方式:一種是試件試驗面因水泥石剝落而損失的質量隨凍融次數逐次積累,直到試驗面剝蝕到一定程度,若繼續進行凍融試驗,骨料顆粒開始剝落,最終骨料大量脫落而破壞;另一種是試件剝落物的質量累積沒有表現出逐次增加的過程,而是在一次凍融循環中突然地增加,在隨后的凍融循環中表現為突然性碎裂[1]。試件破壞形式如圖 4 所示。

    圖 4 透水混凝土凍融循環最終破壞形式

    凍融早期質量損失累積增長速度較快,質量損失累積隨凍融循環次數增加的速度隨漿體骨料質量比的增加而減小,隨骨料粒級的增加而增加,礦粉、粉煤灰、減水劑、細砂的摻加顯著降低了這一增速,而硅灰的摻入以及水灰比的提高則加快了增加速度。Kevern 等人研究指出增加粗骨料的摻入量可以降低透水混凝土的抗凍融耐久性,在加入長纖維后,會提高它的抗凍融耐久性,但是它的滲透率會降低[21]。

    在使用的過程中,透水混凝土的空隙會被表面積聚的細骨料堵塞,這影響了透水混凝土中水的傳輸,導致凍融耐久性的降低。針對這一問題,日本采用高壓清洗和真空吸附相結合的方法,或采用壓力為 4~7MPa 的小型高壓清洗機清洗路面的措施,來解決因粉塵和泥沙的堵塞而造成的透水路面透水功能的下降問題,并使透水功能恢復到初期的 80%[22]。

    1.3 表面耐磨性

    骨料的種類可以很大的影響透水混凝土的表面耐磨性。Geadicke 等人在分別研究了用原始粗骨料和再生粗骨料生產的透水混凝土耐磨性、孔隙率和抗壓強度得出,在試塊孔隙率相同的前提下,和用原始粗骨料生產的透水混凝土相比,再生粗骨料生產的透水混凝土的滲透率將近降低了 20%,與石灰石碎塊和再生混凝土骨料相比,摻加小卵石的透水混凝土的表面抗磨性也將近降低了 20%[9]。Kever 等人研究指出,用塑料模具養護和選用大豆油作為養護薄膜可以增大透水混凝土抗磨性[23]。也有研究將再生混凝土骨料和再生混凝土砌塊骨料用于生產透水混凝土,他們將上述再生骨料的摻入量分為 0%、20%,40%,60%、80% 和 100% 五個梯度,在所有的摻量梯度內,摻入再生混凝土骨料的透水混凝土的表面耐磨性都有所提高,而對摻入再生混凝土砌塊骨料的透水混凝土來說,只有在摻量為 20% 時,透水混凝土的表面耐磨性才有所提高。研究者認為雖然再生骨料的性能要差于天然骨料,但是由于再生骨料表面多孔而且粗糙,在與水泥漿體混合時可以與其很好地膠結,從而增大透水混凝土的強度和表面耐磨性能[24]。

    1.4 凈水作用

    大量的研究顯示,透水混凝土的鋪裝不僅可以復原城市水文環境,又可以通過沉淀、離子交換、吸附以及微生物新陳代謝等作用,去除雨水徑流污染物,顯著提高徑流出水水質[25,26]。近年來,研究人員對透水混凝土鋪裝進行了大量的改性研究,經過改性的透水混凝土鋪裝可以更加有效地去除雨水徑流中重金屬、有機物、烴、營養物質(氮和磷)等污染物,可以更好地在源頭上控制雨水面源污染[27]。

    典型的透水混凝土鋪裝由透水混凝土面層、基層、底基層、路基組成,其中面層和基層均有凈化去除污染物能力,可以通過物理化學等方法改性面層和基層材料,強化徑流水質凈化效果[27]。透水混凝土面層的改性主要通過對水泥、粗骨料、配合比和面層表面處理實現。研究認為透水混凝土面層組分中對徑流污染物去除貢獻最大的材料為水泥,通過加入粉煤灰等工業廢棄物可以實現對透水混凝土膠凝材料的改性。這是因為粉煤灰中含有大量活性 Al、Si,具有多孔結構,比表面積較大,可以通過化學沉淀、靜電吸附以及離子結合的方式去除無機磷、無機氮、重金屬以及有機物等污染物質[28,29]。但是粉煤灰的摻入量不能過大,這是因為粉煤灰呈堿性,摻入水泥會導致 pH 和電導率增大,建議粉煤灰添加量為水泥質量的 10%~20%。另外,由于膨潤土的特殊結構使膨潤土層晶格具有靜電荷,可以吸附外部陽離子,從而凈化徑流污染物[30]。在透水混凝土中加入聚合物,可以同時提高透水混凝土的強度和對徑流污染物的去除率,Calkins 等將尼龍纖維摻入水泥中,可以增加透水混凝土的有效表面積,提高透水混凝土對 Cu 的吸附去除率[31]。在改性粗骨料方面,可以在透水混凝土中加入沸石來增大透水混凝土的凈水作用,這是因為沸石內部存在大量空穴,具有網狀結構,并且帶有負電,沸石可以通過分子篩作用、離子交換和吸附作用來去除金屬、氨氮以及有機物[32]。有研究指出[33],在透水混凝土中加入陶粒也可以達到凈化水質的作用。

    1.5 透水系數衰減

    透水混凝土路面透水系數衰減的規律方面,Balades 等指出,透水混凝土的堵塞通常發生在路面的表層幾厘米內,在通過潤濕后清掃、清掃后吸塵、僅吸塵以及高壓水沖洗和吸塵四種處理方式對比分析后認為,透水混凝土路面在第四種方式的作用下可以基本恢復透水路面的初始滲透率。

    2 結語

    透水混凝土具有多孔結構,孔結構是保證其基本功能的條件,但是孔隙率并不是越大越好,透水混凝土還有強度方面的要求,在合理設計透水混凝土配合比的條件下選用合適的骨料和添加劑,使得透水混凝土性能在相應的使用條件下達到強度、抗凍和耐磨等要求還需要深入研究。

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    [通訊地址]四川省成都市雙流向牧華路三段通瑞月光湖(610000)

    Research development of pervious concrete durability

    Han Weiwei, Chen Jing, Lu Jialin
    (China Construction Southwest Co., Ltd., Chengdu Sichuan 361027)

    Abstract:Pervious concrete is widely used in parks, squares, pavements and parking lots, which can restore rain cycle, alleviate rain loss, improve the thermal cycle and effectively restrain the urban heat island effect, as well as purify water. This article studies the durability of pervious concrete based on its strength, freeze-thaw durability, surface abrasion resistance and water purif i cation.

    Key words:pervious concrete; durability; strength; freeze-thaw durability; surface abrasion resistance; water purif i cation

    [作者簡介]韓唯偉(1990—),女,武漢大學碩士研究生,主要研究方向是水工建筑材料,現就職于中建西部建設西南有限公司。


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