王嘯夫 趙 明

(1.同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201804； 2.廈門美益集團(tuán)有限公司，福建 廈門 361027)

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透水混凝土性能及構(gòu)造調(diào)控研究

王嘯夫1趙 明2

(1.同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201804； 2.廈門美益集團(tuán)有限公司，福建 廈門 361027)

結(jié)合透水混凝土的研究現(xiàn)狀，從功能與力學(xué)兩方面，分析了透水混凝土的基本性能規(guī)律，重點闡述了透水混凝土性能調(diào)控的規(guī)律與方法，提出透水混凝土工藝優(yōu)化調(diào)整思路，有利于提高透水混凝土的應(yīng)用效果。

透水混凝土，性能調(diào)控，構(gòu)造調(diào)控，力學(xué)性能

1 透水混凝土概述

透水混凝土又稱無砂混凝土，相比于傳統(tǒng)混凝土，透水混凝土一般采用單級配骨料、無機(jī)膠凝材料、有機(jī)膠凝材料，經(jīng)過特殊工藝制備而成。因其結(jié)構(gòu)中存在大量連通孔隙，透氣透水性均優(yōu)于普通混凝土。隨著中國城市化建設(shè)的大力發(fā)展，城市硬化路面占比大大提高，而早期城市建設(shè)規(guī)劃中對于城市的蓄水、排水、循環(huán)利用等功能考慮不足或預(yù)估體量不足，以及城市化所造成的天然湖泊、森林面積縮減等種種因素導(dǎo)致如今城市普遍面臨城市內(nèi)澇，地表徑流，水質(zhì)污染等眾多問題。在此背景下，建設(shè)具有滲水、濾水、蓄水功能的新型海綿城市理念應(yīng)運而生。毫無疑問，采用透水混凝土將解決相關(guān)環(huán)境問題，使新型城市與自然環(huán)境友好協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

為了使透水混凝土適用于不同環(huán)境、不同需求的城市路面，對透水混凝土性能的調(diào)控成為了關(guān)鍵。然而現(xiàn)階段針對透水混凝土的實際應(yīng)用研究仍未完善，在關(guān)鍵的性能調(diào)控與配合比設(shè)計方面仍有待提高。本文旨在為我國透水混凝土的基礎(chǔ)理論研究與應(yīng)用提供參考。

2 透水混凝土基本性能研究

透水混凝土在傳統(tǒng)混凝土基礎(chǔ)上，賦予了混凝土更為豐富的功能性。透水混凝土的組成與結(jié)構(gòu)也具有其特殊性，因此如何對其功能性、力學(xué)性能、耐久性能進(jìn)行設(shè)計與調(diào)控是重要的研究內(nèi)容，有必要就透水混凝土的基本性能研究進(jìn)行探討[1]。

2.1 透水混凝土功能性研究現(xiàn)狀

透水混凝土主要具備透水、吸聲降噪、再生廢料應(yīng)用與有害氣體分解等方面的功能。

1)透水性。透水混凝土最重要的性能要求即透水性能，根據(jù)透水混凝土的基本原理，可知透水率與孔隙率成正比，因此骨料品種、骨料粒徑、顆粒分布等對孔隙率影響顯著的參數(shù)均會影響透水性[2]。薛麗皎等人[3]研究了骨料特征對透水性能的影響。研究表明，相比于卵石骨料，碎石骨料配制的透水混凝土其總孔隙率和透水系數(shù)更高；通過提高骨料粒徑，能夠顯著增加透水混凝土的孔隙率及透水系數(shù)。因此在調(diào)控透水混凝土透水性的過程中，可以采用優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)的基本思路進(jìn)行[3]，在配合比C/W∶C/G∶C=1∶0.33∶5.6時，相同粒徑范圍內(nèi)采用顎式破碎機(jī)破碎的石子透水率明顯高于卵石，是因為碎石的棱角系數(shù)大于卵石，孔隙率也大于卵石，所以透水率也大于卵石；而在相同配合比的情況下，隨著骨料粒徑增大，透水混凝土中孔隙的尺寸也會逐漸增大，總孔隙率得到相應(yīng)的提高，因而其透水率也越大。

2)吸聲降噪與其他性能。透水混凝土由于其多孔性可以使得噪聲在傳播過程中發(fā)生多次反射、碰撞，進(jìn)而將聲能轉(zhuǎn)換為熱能消耗掉。荊祿波等人[4]通過實驗研究得出在透水混凝土厚度為5 cm時就能達(dá)到優(yōu)異的吸聲降噪效果。

在原材料的選用方面，透水混凝土具有優(yōu)良的包容性。隨著各種礦物摻和料，甚至市政工程固體廢棄物焚燒底灰[5]的添加，石灰石的開采，能源的消耗將得以大幅減少；適量納米二氧化鈦的加入可以使透水混凝土擁有分解有害氣體的功能，從而加大了透水混凝土的環(huán)境友好性[6,7]。

2.2 透水混凝土力學(xué)性能研究

由于透水混凝土的組成結(jié)構(gòu)與普通混凝土存在很大的差異，因此影響其力學(xué)性能的主要因素也與普通混凝土不同，主要受到其組成成分、孔隙率與成型工藝等的影響。

組成成分方面，采用反擊破碎石、高早強(qiáng)水泥[8]、高效減水劑均能夠顯著提高透水混凝土的力學(xué)性能?？紫堵适怯绊懲杆炷亮W(xué)性能的重要因素，可通過調(diào)控粗骨料粒度分布和堆積密度，降低透水混凝土的孔隙率從而達(dá)到提高透水混凝土力學(xué)性能的效果[9]，但是在實際應(yīng)用中需要協(xié)同考慮透水性與力學(xué)性能的關(guān)系。成型工藝對于透水混凝土的性能至關(guān)重要，成型工藝有多種，例如：控制壓力成型；控制貫入量成型；振動臺成型；上置式振動成型；重型擊實成型；插搗成型。研究表明不同成型工藝會對強(qiáng)度均勻性產(chǎn)生影響，其中上置式振動成型振動器頻率為50 Hz，激振力為5 kN，振動時間取30 s。這種工作模式接近振動壓路機(jī)的方法在水泥漿合適的情況下得到的試件的整體孔隙率均勻，同時強(qiáng)度均勻性很好。

2.3 透水混凝土耐久性能研究

抗凍性是評價透水混凝土耐久性的重要參數(shù)，以往國內(nèi)學(xué)者的研究思路主要是通過計量凍融循環(huán)次數(shù)來達(dá)到衡量透水混凝土耐久性的目的；而在北方，冬季撒鹽除冰作業(yè)的應(yīng)用使得鹽凍損壞對透水混凝土的影響增大，因此劉星雨[2]著重研究了單邊鹽凍循環(huán)的質(zhì)量損失問題。結(jié)果表明影響透水混凝土抗凍性的因素依次有：水灰比、骨料粒徑、漿體骨料質(zhì)量比、砂率、礦物摻和料等。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王宗鵬[10]通過研究超疏水涂層對混凝土抗凍性的影響，得出引氣與超疏水涂層處理相結(jié)合能夠改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)同時增強(qiáng)表面疏水性，從而有效提高抗凍性。而超疏水涂層對混凝土表面結(jié)冰性及疏冰性兩方面的影響與傾斜角相關(guān)，具有傾斜角時，水滴可以輕易滾落，超疏水涂層提高了結(jié)冰勢壘，涂層延緩了結(jié)冰時間，從而減少了結(jié)冰量；另外，超疏水涂層有效阻止了混凝土表面孔內(nèi)結(jié)冰現(xiàn)象，有效降低了冰與混凝土表面的粘結(jié)強(qiáng)度，從而具有良好的疏冰性。

3 透水混凝土性能調(diào)控的基本方法

透水混凝土的透水率和強(qiáng)度是其兩大基本性能，基于此可以從原材料、孔隙率、構(gòu)造情況以及成型工藝等對其進(jìn)行調(diào)控。

3.1 基于原材料調(diào)控透水混凝土性能

在研究透水混凝土性能時，高分子聚合物乳液[11]、礦物外加劑和化學(xué)外加劑等對于混凝土性能的影響較為顯著。

1)高分子聚合物乳液。新拌混凝土的和易性同樣是透水混凝土面臨的重要問題之一，為提高拌合物的振動密實性能，增強(qiáng)骨料與漿體之間的粘聚力，可通過加入高分子聚合物乳液的方法得以實現(xiàn)[12]。

2)礦物外加劑。在普通混凝土中，通?？梢酝ㄟ^添加高性能礦物外加劑如硅灰，提高混凝土強(qiáng)度。蔣正武等人[12]研究了將硅灰加入透水混凝土中的情況，在保證拌合物和易性和成型工藝的前提下，增加硅灰會顯著提高透水混凝土強(qiáng)度，同時能夠保持一定的透水率。

3)化學(xué)外加劑。M.Sonebi等人[13]通過添加高性能減水劑，提高了透水混凝土的工作性。因為通過添加減水劑，能夠顯著降低漿體體系的水灰比，從而提高粘結(jié)漿體的強(qiáng)度，更高的界面粘結(jié)強(qiáng)度使透水混凝土的力學(xué)性能大幅度提高。

3.2 透水混凝土構(gòu)造調(diào)控

透水混凝土構(gòu)造調(diào)控必須協(xié)同設(shè)計透水性和力學(xué)強(qiáng)度兩方面的性能，能夠有效進(jìn)行構(gòu)造調(diào)控的主要有：骨料級配設(shè)計、孔隙結(jié)構(gòu)設(shè)計與水泥漿體體系設(shè)計等。

1)骨料級配設(shè)計。中南大學(xué)的張賢超[14]以及田納西理工大學(xué)的L.K.Crouch, P.E.等人[15]重點研究了骨料級配理論和離子干涉理論在透水混凝土中的具體應(yīng)用，通過相關(guān)理論分析，建立了骨料基本特征參數(shù)與透水混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

2)孔隙結(jié)構(gòu)設(shè)計?？紫堵适怯绊懲杆炷镣杆阅芎土W(xué)性能的主要因素，孔隙率受骨料級配及骨灰比的協(xié)同影響，骨料采用單級配時，孔隙率比采用多級配骨料高；骨灰比的提高意味著水泥用量的增加，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度雖然有一定的增強(qiáng)，但是其透水率卻會有大幅下降。骨料級配基本相同的情況下，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度主要受到骨料與水泥漿體之間的粘結(jié)強(qiáng)度影響，而兩者的粘結(jié)強(qiáng)度主要取決于水泥漿體層的厚度，為保證透水混凝土抗壓強(qiáng)度的提高必然使得水泥漿體層厚度提高，因而透水混凝土的孔隙率隨之減少使得透水率大幅下降[16]。

3)水泥漿體體系設(shè)計。水灰比是影響混凝土強(qiáng)度最重要的因素之一，水灰比降低，水泥漿體的強(qiáng)度及粘結(jié)性能增加，透水混凝土整體力學(xué)性能會顯著提高。通過優(yōu)化膠凝材料組成，也能夠顯著調(diào)控透水混凝土的性能，增加高性能礦物外加劑如硅灰等，能夠顯著提高透水混凝土強(qiáng)度。在水泥漿體體系設(shè)計中，外加劑的引入是調(diào)控其性能的關(guān)鍵，通過摻加高效減水劑，能夠大幅度降低水灰比，從而提高強(qiáng)度。為了使透水混凝土獲得良好的強(qiáng)度及韌性，提高骨料之間的粘結(jié)性能，在水泥漿體體系中引入適量的聚合物膠粉或聚合物乳液均能實現(xiàn)這一目的[17]。

3.3 透水混凝土工藝優(yōu)化調(diào)整

制備工藝對透水混凝土的性能具有多方面的影響，如水泥裹石法、“濕—濕”工藝[4]、上置式振動成型法分別可對其抗壓強(qiáng)度、強(qiáng)度均勻性、孔隙率以及平整度等性能做出不同程度的調(diào)整。

在比較了不同的透水混凝土成型工藝后，張賢超[18]發(fā)現(xiàn)采用漿體裹石法之后的透水混凝土，其抗壓強(qiáng)度能得到10%的提高，透水率及其他基本性能也得到了明顯改善。

秦旭朝[19]研究了新拌透水混凝土的工作性狀態(tài)，結(jié)合其表觀性狀和結(jié)構(gòu)特點對其工作性狀態(tài)提出了一種評價分級體系，見表1；其中代表著水泥漿稠度過大，難以均勻包覆粗骨料的等級“A”和“B”，以及代表著水泥漿太稀，難以穩(wěn)定膠結(jié)于粗骨料上的等級“D”和“E”均是不合格的。只有等級“C”方能合格。

表1 新拌透水混凝土工作性狀態(tài)評價分級

4 結(jié)語

1)透水混凝土是集各種功能性于一體的材料，它的力學(xué)性能和耐久性能可以通過控制原材料和外加劑以及增加超疏水涂層進(jìn)行調(diào)控；

2)高分子聚合物乳液、礦物外加劑以及化學(xué)外加劑等的加入可調(diào)節(jié)透水混凝土骨料的咬合摩擦力以及漿體—骨料之間的粘聚力；

3)骨料級配、骨灰比、水灰比等對透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和透水率等有不同程度的影響，在其構(gòu)造調(diào)控中需協(xié)同設(shè)計；

4)在透水混凝土的成型過程中采用漿體裹石法可提高其抗壓強(qiáng)度達(dá)10%，同時顯著改善其透水率及各項基本性能，新拌透水混凝土工作性狀態(tài)評價分級制對其施工和驗收均有較大的幫助。

[1] Miklas Scholz,Piotr Grabowiecki.Review of permeable pavement systems[J].Building and Environment，2007(42)：3830-3836.

[2] 劉星雨.透水混凝土抗凍性的影響因素研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2012.

[3] 薛麗皎,陳麗紅,林友軍.骨料對透水混凝土性能的影響[J].陜西理工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2010(1):29-31.

[4] 荊祿波.低噪音多孔水泥混凝土路面研究[D].北京：北京交通大學(xué),2009.

[5] Wen-Ten Kuo,Chih-Chien Liu De-Sin Su.Use of washed municipal solid waste incinerator bottom ash in pervious concrete[J].Cement & Concrete Composites,2013(5)：158-160.

[6] Tawatchai Tho-in,Vanchai Sata Prinya Chindaprasirt.Pervious high-calcium fly ash geopolymer concrete[J].Construction and Building Materials,2011(9)：188-190.

[7] Shihui Shen,Maria Burton Bertram Jobson.Pervious concrete with titanium dioxide as a photocatalyst compound for a greener urban road environment[Z].2012.

[8] 程 娟.透水混凝土配合比設(shè)計及其性能的實驗研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué),2007.

[9] Omkar Deo,Narayanan Neithalath.Compressive behavior of pervious concretes and a quantification of the influence of random pore structure features[J].Materials Science and Engineering A,2010(11)：140-142.

[10] 王宗鵬.超疏水涂層對混凝土抗凍性及防冰性影響研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2015.

[11] Baoshan Huang,Hao Wu Xiang Shu.Laboratory evaluation of permeability and strength of polymer-modified pervious concrete[J].Construction and Building Materials,2009(15)：70-72.

[12] 蔣正武,孫振平,王培銘.若干因素對多孔透水混凝土性能的影響[J].建筑材料學(xué)報,2005(5):513-519.

[13] M.Sonebi,M T Bassuoni.Investigating the effect of mixture design parameters on pervious concrete by statistical modelling[J].Construction and Building Materials,2013(4)：99-100.

[14] 張賢超,尹 健,池 漪.透水混凝土性能研究綜述[J].混凝土,2010(12):47-50.

[15] L.K.Crouch,P E Pitt,Jordan Hewitt, etc.Aggregate effects on pervious Portland cement concrete static modulus of elasticity[J].JOURNAL OF MATERIALS IN CIVIL ENGINEERING,2007(9):117-119.

[16] Milani S.Sumanasooriya,Narayanan Neithalath.Pore structure features of pervious concretes proportioned for desired porosities and their performance prediction[J].Cement & Concrete Composites,2011(16):90-92.

[17] 徐仁崇,劉君秀,曾沖盛,等.采用Design-Expert軟件優(yōu)化透水混凝土配合比設(shè)計[J].新型建筑材料,2010(7):17-20.

[18] 張賢超.高性能透水混凝土配合比設(shè)計及其生命周期環(huán)境評價體系研究[D].長沙：中南大學(xué),2012.

[19] 秦旭朝.降噪排水多孔水泥混凝土材料性能及路面結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[D].西安：長安大學(xué),2011.

Study on performance and structural regulation of pervious concrete

Wang Xiaofu1Zhao Ming2

(1.MaterialsScienceandEngineeringSchool,TongjiUniversity,Shanghai201804,China; 2.XiamenMeiyiGroupLimitedCompany,Xiamen361027,China)

Combining with the research status of permeable concrete, from the function and mechanics two aspects, this paper analyzed the basic properties of permeable concrete, elaborated the rules and methods of permeable concrete performance regulation, put forward the permeable concrete process optimization adjustment, to improve the application effect of permeable concrete.

permeable concrete, performance control, structural regulation, mechanical property

1009-6825(2016)27-0108-03

2016-07-20

王嘯夫(1993- )，男，在讀碩士

TU528

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