透水性混凝土道路材料的開發(fā)應(yīng)用

透水性混凝土道路材料的開發(fā)應(yīng)用

1透水性路面材料的優(yōu)點(diǎn)隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市建設(shè)的加快，現(xiàn)代城市的土壤逐漸覆蓋著建筑物和混凝土路面。便捷的交通設(shè)施,平整鋪設(shè)的道路給人們的出行帶來了極大的方便,但這些不透水的路面也給城市的生態(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;不透氣的路面很難與空氣進(jìn)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。當(dāng)短時(shí)間內(nèi)集中降雨時(shí),雨水只能通過下水設(shè)施排入河流,大大加重了排水設(shè)施的負(fù)擔(dān)。與不透水的路面相比,透水性路面具有諸多生態(tài)方面的優(yōu)點(diǎn),具體表現(xiàn)在以下幾方面。(1)雨水能夠迅速地滲入地表,還原成地下水,使地下水資源得到及時(shí)補(bǔ)充;(2)提高地表的透氣、透水性,保持土壤濕度,改善城市地表生態(tài)平衡;(3)吸收車輛行駛時(shí)產(chǎn)生的噪聲,創(chuàng)造安靜舒適的交通環(huán)境。雨天能防止路面積水和夜間反光,改善車輛行駛、以及行人行走的舒適性與安全性;(4)透水性路面材料具有較大的孔隙率,能蓄積較多的熱量,有利于調(diào)節(jié)城市地表的溫度和濕度,消除熱島現(xiàn)象。由于透水混凝土路面材料具有以上諸多生態(tài)方面的優(yōu)良優(yōu)點(diǎn),在人類尋求與自然協(xié)調(diào)、維護(hù)生態(tài)平衡和可持續(xù)發(fā)展的思想指導(dǎo)下,歐美、日本等一些發(fā)達(dá)國家從80年代開始研究開發(fā)透水性路面材料,并將其應(yīng)用于廣場、步行街、道路兩側(cè)和中央隔離帶、公園內(nèi)道路以及停車場等,增加城市的透水、透氣空間,對調(diào)節(jié)城市微氣候、保持生態(tài)平衡起到了良好的效果。90年代以來,國內(nèi)對透水性混凝土路面材料開始進(jìn)行了研究,但是到目前為止仍沒有達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的程度。除了人們的認(rèn)識(shí)、地基處理、施工方法等原因之外,產(chǎn)品本身的性能也沒有達(dá)到十分完善的程度。與密實(shí)的混凝土道路材料相比,透水性混凝土的強(qiáng)度較低,為了使其具有透水性,在混凝土內(nèi)部必須保持一定的孔隙率,這樣就必然降低材料的強(qiáng)度?，F(xiàn)有的研究一般采用與普通混凝土相同的原材料,所配制的透水性混凝土其抗壓強(qiáng)度一般只能達(dá)到20MPa左右。而現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)對人行道路磚的強(qiáng)度要求優(yōu)等品為30MPa。本研究采用優(yōu)化骨料、調(diào)整配比、摻入礦物細(xì)摻料、有機(jī)增強(qiáng)劑等方法,使透水性混凝土的強(qiáng)度得到了提高,為該類生態(tài)型道路材料走向?qū)嵱没於ɑA(chǔ)。2透水性混凝土的結(jié)構(gòu)模型透水混凝土的配比特點(diǎn)是采用單粒級粗骨料作為骨架,水泥凈漿或加入少量細(xì)骨料的砂漿薄層包裹在粗骨料顆粒的表面,作為骨料顆粒之間的膠結(jié)層,形成骨架——空隙結(jié)構(gòu)的多孔混凝土材料,其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。由圖1可以看出,透水性混凝土是粗骨料顆粒間通過硬化的水泥漿薄層膠結(jié)而成的多孔堆聚結(jié)構(gòu),內(nèi)部含有較多的孔隙,且多為直徑超過1mm的大孔,因此具有良好的透水性,如圖2所示,但同時(shí)強(qiáng)度比普通混凝土低很多。根據(jù)結(jié)構(gòu)模型可知,透水性混凝土受力時(shí)通過骨料之間的膠結(jié)點(diǎn)傳遞力的作用,由于骨料本身的強(qiáng)度較高,水泥凝膠層很薄,水泥凝膠體與粗骨料界面之間的膠結(jié)面積小,因此其破壞特征是骨料顆粒之間的連接點(diǎn)處破壞。因此在保證一定孔隙率的前提下,增加膠結(jié)點(diǎn)的數(shù)量和面積,提高膠結(jié)層的強(qiáng)度是提高透水性混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵。3改善透水性混凝土強(qiáng)度的試驗(yàn)方案根據(jù)上述分析,本研究擬訂從優(yōu)化原材料、調(diào)整配比、摻入礦物細(xì)摻料和有機(jī)增強(qiáng)等幾方面的措施來提高透水性混凝土的強(qiáng)度。3.1粗骨料的粒徑骨料粒徑越小,比表面積越大,所形成的結(jié)構(gòu)骨架單位體積內(nèi)骨料顆粒之間的接觸點(diǎn)數(shù)量多,膠結(jié)面積越大,從而提高透水混凝土的整體強(qiáng)度。3.2水泥凝膠體強(qiáng)度由于包裹骨料的水泥漿層較薄,水泥凝膠體與骨料之間的過渡區(qū)所占比重較大,而水泥硬化體內(nèi)部含有較多的毛細(xì)孔和微裂縫,因此水泥凝膠體的強(qiáng)度及膠結(jié)能力較低。借鑒高性能混凝土中摻入平均粒徑只有0.1～1.2微米礦物細(xì)摻料,提高混凝土密實(shí)度、減小過渡區(qū)的經(jīng)驗(yàn),本研究在水泥漿中摻入少量的礦物細(xì)摻料,同時(shí)使用高效減水劑使其分散,填充于水泥凝膠體的毛細(xì)孔和微裂縫中,達(dá)到提高膠結(jié)強(qiáng)度的目的。3.3骨料顆粒與骨粒顆粒間的膠結(jié)強(qiáng)度作為路面材料,通常要求表層具有良好的耐磨性和平整度。按常規(guī)方法配制的透水性混凝土,水泥凝膠體與骨粒顆粒之間的膠結(jié)強(qiáng)度較低,處于表層的骨料顆粒很容易脫落,而使道路表面凹凸不平。為提高透水性混凝土表層的耐磨性以及凝膠體對骨料顆粒的握裹力,本研究采用有機(jī)增強(qiáng)劑,利用其微填充、阻裂和提高粘結(jié)力的作用,大大改善骨料與水泥凝膠體之間界面的性質(zhì),從而提高透水性混凝土表層的力學(xué)性能。4方法和結(jié)果分析4.1原材料本研究采用以下原材料。(1)水泥冀東525#R型普通硅酸鹽水泥。(2)骨骼材料采用表1所示的四種粒徑的骨料。其中骨料Ⅰ是用于基層的粗骨料,骨料Ⅳ是用于基層的細(xì)骨料;骨料Ⅱ、Ⅲ用于透水混凝土路面面層。(3)硅灰貴州遵義鐵合金廠產(chǎn)山鷹牌微硅粉,比表面積18000m2/kg左右,平均粒徑0.1μm。(4)高效減水劑北京城建集團(tuán)構(gòu)件廠產(chǎn)DFS-2高效減水劑(5)有機(jī)改性劑A劑(乙酸乙烯酯—乙烯共聚乳液)、B劑(聚乙烯醇縮甲醛)。4.2次面料、一次加壓試件的制作采用加壓成型工藝,成型壓力為1.5MPa。對于由基層和面層復(fù)合而成的試件,采用兩次布料,一次加壓的工藝。成型后表面覆蓋塑料薄膜以防止水分散失,24小時(shí)后拆模放入養(yǎng)護(hù)室,在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至28天齡期。試件的尺寸規(guī)格為:10cm×20cm×6cm(用于抗壓試驗(yàn)),10cm×30cm×6cm(用于抗折試驗(yàn)),10cm×10cm×6cm(用于測透水系數(shù))。4.3性能測試(1)抗折強(qiáng)度參照建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC446-91測定試件的抗壓強(qiáng)度。采用液壓式萬能壓力機(jī)加壓,受壓面積為120cm×60cm,加載速度為0.3～0.5MPa/s,抗折強(qiáng)度取5個(gè)試件結(jié)果的平均值。(2)液壓式的破型參照標(biāo)準(zhǔn)JC446-91測定試件的抗折強(qiáng)度。在液壓式萬能壓力機(jī)上進(jìn)行,采用“三點(diǎn)法”破型,跨距為24cm,加載速度約為0.1～0.2MPa/s,抗折強(qiáng)度取5個(gè)試件結(jié)果的平均值。(3)透水儀測量組采用自行設(shè)計(jì)的透水儀,見圖3。該設(shè)備為兩端開口的有機(jī)玻璃方框,尺寸為10cm×10cm×30cm。透水儀正面刻有刻度(單位:cm),可用于計(jì)量。測量前,先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,向透水儀中加水至超過20cm刻度。待水面下降至16cm刻度時(shí)開始計(jì)時(shí),下降至14cm再計(jì)時(shí)一次。透水系數(shù)按下式計(jì)算:V=H/Δt式中H——水位下降高度,20mm;Δt——水從160mm高度降至140mm的時(shí)間(s)。4.4試驗(yàn)結(jié)果及分析(1)硅灰與高效減水劑的配伍性由表2數(shù)據(jù)可見,與第1組未摻硅灰的混凝土相比,第2組單摻6%的硅灰后,強(qiáng)度并未提高反而略有下降,透水系數(shù)則降低了50%;第3組同時(shí)摻入硅灰和高效減水劑,混凝土的強(qiáng)度提高60%以上,而透水系數(shù)仍保持在2.9mm/s較高的水平。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,硅灰與高效減水劑同時(shí)摻入具有很好的增強(qiáng)作用。硅灰粒徑微細(xì),在水泥凝膠體中具有微填充作用,使骨料與水泥漿體的界面強(qiáng)度得到改善,宏觀上則表現(xiàn)出整體強(qiáng)度大幅度增加。但是硅灰必須和高效減水劑同時(shí)使用,才能發(fā)揮其增強(qiáng)效果。其原因是,在沒有減水劑摻入的條件下,水泥漿體容易形成絮凝結(jié)構(gòu),將一部分水包裹在絮團(tuán)之中,硅灰的顆粒更加微細(xì),表面能更大,摻入之后只能使絮凝結(jié)構(gòu)加劇,不僅起不到微填充作用,反而使凝膠體內(nèi)部含有更多的孔隙。而高效減水劑分子具有很強(qiáng)的表面活性作用,能夠打破漿體的絮凝作用,使微細(xì)的粉體顆粒充分分散在漿體中,使硅灰的細(xì)小顆粒填充到水泥凝膠體的毛細(xì)孔中,實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)效果。(2)a、b摻量對增強(qiáng)效果的影響表3、表4分別表示有機(jī)增強(qiáng)劑A、B的摻量變化對透水性混凝土強(qiáng)度的影響?？梢钥闯?隨著有機(jī)增強(qiáng)劑摻量的增加,透水性混凝土的強(qiáng)度也增加。表3中增強(qiáng)劑A的摻量在5～10%之間,強(qiáng)度增加效果不太明顯,當(dāng)摻量增長至15%后,強(qiáng)度猛然增加并趨于穩(wěn)定,所以A劑的最大摻量控制在10～15%之間比較合適。表4中增強(qiáng)劑B的摻量在15%～40%之間變化,增強(qiáng)效果都比較明顯,然而變化幅度比較小。因此B劑的最大摻量應(yīng)控制在15%以下,一方面是從透水性要求考慮,一方面也是為了降低材料的成本。有機(jī)增強(qiáng)劑對透水性混凝土的增強(qiáng)作用是通過在骨料與水泥凝膠體的界面區(qū)形成具有較高粘結(jié)力的膜,并堵塞砂漿內(nèi)的孔隙來實(shí)現(xiàn)的。水泥水化與有機(jī)物的成膜同時(shí)進(jìn)行,最后形成水泥漿與有機(jī)膜相互交織在一起的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)使得骨料顆粒與水泥凝膠體牢固地粘結(jié)在一起,從而使混凝土的強(qiáng)度大幅度增加。(3)混凝土集灰比對強(qiáng)度的影響由表5中的數(shù)據(jù)可以看出,使用較小粒徑的骨料Ⅲ,同時(shí)降低集灰比,即水泥用量相應(yīng)提高,抗折、抗壓強(qiáng)度可以得到一定提高,例如3-2A組試件的強(qiáng)度略高于3-1A,3-2B組的強(qiáng)度高于3-1B組;但是如果只單純地降低骨料粒徑,而集灰比不變,則混凝土的強(qiáng)度反而降低,表5中3-3A組、3-3B組試件的強(qiáng)度測定值就說明了這一點(diǎn)。其原因是采用較小粒徑的骨粒,骨料的比表面積增大,如果水泥用量不變,則包裹骨料的水泥漿體減小,骨料與水泥石之間的粘結(jié)強(qiáng)度降低,所以混凝土整體強(qiáng)度降低。所以在采用較小粒徑骨料的同時(shí),適當(dāng)增加水泥用量,使得水泥漿足以包裹骨料,形成良好的界面粘結(jié)狀態(tài),則混凝土單位體積內(nèi)骨料之間的粘結(jié)點(diǎn)增多,能夠使整體強(qiáng)度有所增加。5透水混凝土材料在防壓劑中的應(yīng)用由以上試驗(yàn)結(jié)果及其分析,可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。(1)由于透水