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      海綿城市用彩色透水混凝土性能研究

      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。


      祝日新,畢萬利,孫明晶,楊學奇,尹延琪,黃佳明

      【作者機構】 遼寧科技大學高溫材料與鎂資源工程學院
      【來    源】 《新型建筑材料》 2017年第3期P31-34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】 海綿城市  彩色透水混凝土  強度  透水性
      【摘    要】 主要研究了海綿城市用彩色透水混凝土的強度和透水性的影響因素。結果表明:對于特定性能的彩色透水混凝土應選擇合適種類的集料和粒徑;為了保證透水混凝土的強度和透水性,配料時應采用間斷級配的方式進行、成型時應使用上置式的震動壓實成型機

      0 引言

      隨著城市化進程的不斷進行,城市中極易遇到洪澇災害、雨水徑流污染、水資源匱乏等問題?!昂>d城市”是新一代城市雨洪管理概念,是指城市在適應環境變化和應對雨水帶來的自然災害等方面具有良好的“彈性”或“韌性”[1]。

      與傳統混凝土材料相比,彩色透水材料能使水泥地面永久呈現各種色澤、圖案、質感,是一種防水、防滑、防腐的綠色環保地面裝飾材料。透水混凝土鋪裝作為城市可持續排水系統的一部分,對實現雨水徑流的收集、儲存、凈化和回用補充地下水具有重要意義[2]。同時我國菱鎂礦資源豐富,儲量達30億t之多[3],使用菱鎂礦的尾礦作為彩色透水混凝土的原料之一不僅可以回收大量礦物資源,提高礦產資源利用率,而且可以有效地緩解尾礦堆存帶來的生態環境問題[4],對發展礦山循環經濟,實現節能減排目標具有十分重要的意義。

      本文以彩色透水混凝土的力學性能和透水性為研究對象,對比分析了以菱鎂礦尾礦和以普通碎石作為粗集料制備出的彩色透水混凝土的性能差異,以及不同的顆粒級配對彩色透水混凝土的強度和透水性的影響。

      1 試驗

      1.1 原材料

      (1)水泥:遼陽千山水泥有限責任公司生產的P·O42.5水泥。

      (2)粗集料:采用遼寧鞍鋼碎石分廠的普通礦山碎石以及海城遠東集團菱鎂礦的尾礦,經破碎篩分成相應的粒徑后使用,其物理性能指標如表1所示。

      表1 粗集料的物理性能指標

      (3)綠泥石粉:主要采用遼寧省鞍山地區的礦山廢料——綠泥石,經破碎粉磨后成粉粒狀細料,將其作為細骨料填充到彩色透水混凝土的縫隙中,不僅可以增加透水混凝土的強度,同時使資源得到充分利用。綠泥石粉的粒徑為0~1 mm,細度模數1.93,含水率為4%。

      (4)膠結劑:本試驗所用膠結劑是采用先進的合成工藝設備設計而成的一種含SiO2與特殊功能單體合成的聚合物。能夠參與水泥的水化反應,大幅提高水泥水化體的抗壓和粘結強度,提高混凝土的抗凍融性能、耐久性和耐候性。其含固量40%~50%,延伸率≥150%,極限拉伸強度≥1.0 MPa,活性SiO2含量>85%。

      (5)顏料:選用了鐵紅和綠色2種顏色作為彩色透水混凝土的主要顏料。

      1.2 試驗配比設計

      本次試驗以硅酸鹽水泥為膠凝材料,采用間斷級配的粗骨料,配以綠泥石粉為細骨料進行填充,骨膠比為4.0~5.0、水膠比為0.28,混凝土拌合物較干硬,采用壓力成型[5],具體配合比設計如表2所示。

      表2 彩色透水混凝土的配合比設計 kg/m3

      注:A代表以普通碎石為粗骨料的樣品;B代表以菱鎂礦尾礦為粗骨料的樣品。

      1.3 制備工藝

      首先將水泥、骨料、外加劑和顏料混合攪拌60 s,然后再加入水攪拌均勻,將混合料裝入試模,插搗成型。

      1.4 性能測試方法

      1.4.1 力學性能試驗

      力學性能試驗包括抗壓強度與抗彎拉強度2項檢測指標,首先將彩色透水混凝土制備成型。其中抗壓強度檢測要求將試塊做成100 mm×100 mm×100 mm的立方體,抗彎拉強度要求將試塊制成100 mm×100 mm×400 mm的長方體,成型后帶模養護24 h,之后拆模得到待檢試塊。然后在室溫環境條件下進行自然養護,測試其養護齡期為7 d和28 d時的強度。試驗依據GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》作為試驗參考,在試驗過程中采用濟南市路昌試驗機制造有限公司生產的YES-2000型壓力試驗機作為測試彩色透水混凝土抗壓強度的主要加載設備,加荷速度為0.3~0.5 MPa/s。

      1.4.2 透水系數試驗

      本試驗參照CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術規程》作為試驗的標準,將φ100×50 mm的圓柱體試塊放入如圖1所示的滲透裝置中,并按式(1)計算出彩色透水混凝土的透水系數:

      式中:KT——水溫為T℃時試樣的透水系數,mm/s;

      Q——時間t s內滲出的水量,mm3;

      L——試樣的厚度,mm;

      A——試樣的上表面積,mm2;

      H——水位差,mm;

      t——時間,s。

      圖1 透水系數裝置

      2 試驗結果與分析

      不同配合比彩色透水混凝土性能測試結果如表3所示。

      表3 不同配合比彩色透水混凝土性能測試結果

      2.1 彩色透水混凝土強度的影響因素

      2.1.1 集料的種類對彩色透水混凝土強度的影響

      試驗中分別選用普通碎石和菱鎂礦尾礦作為粗骨料來制備“海綿城市”彩色透水混凝土。由表3可以看出,采用普通碎石作為粗集料制備出的彩色透水混凝土無論在抗壓強度亦或是抗彎拉強度上都要略高于以菱鎂礦尾礦作為骨料制備出的試塊。其原因主要是:彩色透水混凝土屬于多孔材料,較普通的混凝土而言存在著較多的空隙,因此彩色透水混凝土的強度大小主要取決于粗集料自身的強度以及與其產生膠結作用的膠凝材料的數量和膠結劑的特性。試驗所用的普通碎石的壓碎指標為9.95%,而菱鎂礦尾礦的壓碎指標為16.39%。因此,在保證混凝土試樣正常成型的情況下,采用普通碎石作為骨料的強度要大于采用菱鎂礦尾礦作為骨料時的混凝土的強度[6]。

      但同時從表3也可以看出,以菱鎂礦尾礦作為粗骨料進行的B7組試驗其28 d抗壓強度達到了18.4 MPa,抗彎拉強度達到了2.2 MPa。以普通碎石作為粗骨料的A7組試驗其28 d抗壓強度達到了26.2 MPa,抗彎拉強度達到了2.8 MPa,已經完全符合CJJ/T 135—2009標準要求。其應用的領域也將會更加的廣泛,不僅可以將其應用于社區內地面裝飾、城市廣場、游泳池周邊等人行道路,還可將其應用在自行車道、戶外停車場、以及高爾夫球場電車道等輕量級車載道路。

      2.1.2 集料粒徑對彩色透水混凝土強度的影響

      彩色透水混凝土的結構強度直接決定了骨料粒徑的選取,一般情況下骨料的粒徑不可過大[7]。若粒徑過大,則成型后的透水混凝土中會出現較多的空隙,導致結構的不穩定,其強度會大大降低,本次試驗中將骨料的粒徑控制在10 mm以內,但不得小于3mm。其原因是試驗所要求的透水混凝土不同于以往的普通混凝土,它不僅要具有一定的強度,還要具備相應的透水性,若所用骨料粒徑過小,則其透水效果就會大幅度降低。

      彩色透水混凝土的強度主要取決于膠凝材料、膠結劑與骨料之間形成的界面連接區域的強度。從表3可以看出,無論是以普通碎石作為集料或是以菱鎂礦尾礦作為集料制備的彩色透水混凝土,其強度與顆粒級配之間的關系是大體相同的。下面僅以普通碎石作為粗集料制備的彩色透水混凝土為例對骨料的顆粒級配對強度的影響進行研究。

      A1~A3組試驗中粗集料均采用的是單一粒徑的骨料,從表3中的A組試驗結果可以看出,集料的粒徑越小,集料顆粒之間的接觸面積越大,骨料與膠結材料的粘結點之間的數量也會越多,顆粒之間的接觸面也會增加,從而制備的彩色透水混凝土的強度就越高。A4~A7組試驗采用間斷級配的方式進行配料,將相鄰顆粒大小的粗集料按照一定的比例混合使用。經試驗后發現采用間斷級配的彩色透水混凝土強度(無論是抗壓強度還是抗彎拉強度)較單一級配有了明顯的提升,且間斷級配配料時隨著小粒徑骨料比例的增加,骨料壓碎值的增大,透水混凝土的抗壓、抗彎拉強度均有一定程度的增長,因為采用間斷級配的配料方案之后可以充分填充集料顆粒間的空隙,使集料間的接觸點更多,粘結力也會增加,最終致使透水混凝土的強度增大。但是在彩色透水混凝土中也不能為了提高強度而無限縮小骨料粒徑,因為骨料粒徑還會對孔隙率和透水系數產生一定的影響[8]。

      2.2 彩色透水混凝土透水系數的影響因素

      2.2.1 成型方式對彩色透水混凝土透水系數的影響

      本次試驗過程對多種成型方式進行了嘗試,包括人工插搗法、振動法、靜壓法等,其中振動法還包括上置式振動器振動成型法與下置式振動臺振動成型法2種方法。經試驗對比發現:人工插搗成型的試塊層次分布較均勻,但堆積松散;下置式振動臺振動成型法成型的試塊堆積緊密,但漿體容易在試塊底部沉積(如圖2所示)。

      圖2 過震返漿試塊

      若采用2種方式配合使用則需要很好地掌握振動的頻率與時間,否則在成型時水泥漿在振動外力及自身重力的作用下會從集料表面滑落,從而將透水混凝土的部分孔隙密實,尤其在試塊的底部很容易形成比較致密的水泥料漿層,嚴重影響了彩色透水混凝土的透水性能[9]。

      若采用如圖3所示的振動壓實成型機,通過使用上置式振動器邊加壓邊振動的方式成型可以使骨料的堆積更加緊密,在提高試塊強度的同時又保證了連通孔隙的形成(如圖4所示),同時這種上置式振動成型試塊與現場振動壓路機的施工工藝較為接近,很大程度上提高了材料的透水性能。

      圖3 振動壓實成型機

      圖4 上置式振動器振動成型試塊

      2.2.2 集料粒徑對彩色透水混凝土透水系數的影響

      從表3可以看出,采用單一級配的1~3組試驗,集料粒徑越小,集料顆粒之間的接觸點越多,接觸面積越大,越容易形成封閉孔隙,從而導致連續和半連續的有效孔隙率減少,進而導致透水系數也相應減小。在采用間斷級配的4~7組試驗中透水系數的變化沒有1~3組試驗那樣明顯。無論是單一級配還是間斷級配,在水泥用量一定的情況下,粒徑小的集料制備的透水混凝土雖然孔徑較小,但孔隙數量多,相反,當粒徑增大時雖然孔徑較大,但孔隙數量少。因此,將相鄰顆粒大小的粗集料按照一定的比例混合配制后,整體的孔隙率相差不大,基本保持在較穩定的范圍內,因此透水系數也維持在一個相對恒定的范圍內。

      3 結論

      (1)對于特定性能的彩色透水混凝土應選擇合適種類的集料和粒徑。如小粒徑集料過多會使透水系數下降而影響其排水性能,在無需承受較重壓力的輕量級道路上可使用菱鎂礦尾礦來代替普通碎石作為粗集料,達到礦山經濟的循環利用,實現尾礦的資源化、再生化。

      (2)為了保證試塊的緊密堆積程度,避免成型時試塊底部產生水泥漿體下沉的現象,成型時應使用上置式的振動壓實成型機,這樣既保證了材料的強度又使其具有優良的透水性能。

      (3)透水性混凝土的顆粒級配對混凝土強度的影響很大。為了達到較高的強度和良好的透水系數,彩色透水混凝土在配料時應采用間斷級配的方式進行。且此時隨著小粒徑集料比例的增加,透水混凝土的抗壓、抗彎拉強度均有一定程度的增長,透水系數也由于孔隙率的基本穩定而維持在0.42~0.53 mm/s范圍內。

      參考文獻:

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      [3] 劉永杰,孫杰璟,孟慶鳳.利用菱鎂礦尾礦制備鎂硅酸鹽水泥的研究[J].硅酸鹽通報,2013,32(6):1126-1130.

      [4] Andy Fourie.Preventing catastrophic failures and mitigating environmental impacts of tailings storage facilities[J].Procedia Earth and Planetary Science,2009(1):1067-1071.

      [5] 楊博,陳傳飛,楊曉華,等.透水磚及其生態型透水系統[J].新型建筑材料,2011(10):37-39,44.

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      [7] 甘冰清.透水混凝土的配合比設計及其性能研究[D].淮南:安徽理工大學,2015.

      [8] 王玉軍,翟愛良,高濤,等.再生磚骨料多孔混凝土強度和透水性能研究[J].混凝土,2016(2):90-98.

      [9] 張朝輝,楊江金,王沁芳,等.透水混凝土制備工藝研究[J].新型建筑材料,2008(9):1-4.


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