（材料学专业论文）多孔水泥混凝土路面材料制备方法及性能研究.pdf

摘要 作为一种生态环保型建筑材料，多孔水泥混凝土是由特殊的配合比设计和制 备工艺制成的具有大量连通孔隙的混凝土，既有一定的强度，又有一定的透水透 气性。以它为铺装材料的透水性路面能够提高道路排水效率、减小城市内涝的可 能性，提高汽车行驶的安全性和舒适性，吸收降低交通噪声，缓解城市热岛效应。 本文的研究内容主要有以下几方面： 第一，分析了多孔水泥混凝土的结构特点，借鉴填充包裹理论，提出了完整 可靠的配合比设计方法。通过对比试验研究，分别确定了一次加料法搅拌工艺和 捣实成型工艺的合理性。 第二，提出了多孔水泥混凝土的强度形成理论，并针对水灰比、孔隙率与强 度的关系进行了研究，推荐5 l o m m 的单粒径级配集料对应的水灰比最佳取值范 围为0 2 2 , - - 0 2 6 ，目标孔隙率范围为1 5 也0 。以试验证明粉煤灰和硅灰对多孔 水泥混凝土的增强作用，并根据试验结果得出结论，粉煤灰单掺的最佳比例为 2 0 ，硅灰单掺的最佳比例为6 ，粉煤灰、硅灰双掺的最佳比例为1 0 、6 。 第三，探索聚丙烯纤维在多孔水泥混凝土的增强效应，提出纤浆比为纤维掺 量的控制指标。通过试验验证在掺入聚丙烯纤维后，多孔水泥混凝土的强度尤其 是抗折强度增长比较明显，脆性降低，韧度增加。在聚丙烯纤维的掺量、规格、 品种不同时，其增强效果将有所差异。 第四，对多孔水泥混凝土的降噪、透水性能进行了研究，通过驻波管法测定 吸声系数的试验，提出吸声性能最佳的有效孔隙率范围和厚度值，此外对透水性 能也进行了试验分析。 关键词：多孔水泥混凝土；孔隙率；轮胎一路面噪声；聚丙烯纤维；吸声系数； 渗透系数 a b s t r a c t t h ep o r o u sc o n c r e t ei sal 【i n do fe n v i r o n m e n t a l l y - f r i e n d l yc o n c r e t e 、析t h c o n t i n u o u sp o r o s i tm i x e dw i t hs p e c i a l t e c h n o l o g y i th a s c e r t a i n i n t e n s i y a n d p e r m e a b i l i t yo fa i ra n dw a t e r p e r v i o u sp a v e m e n t ，w h i n eu s e st h ep o r o u sc o n c r e t e ，c a l l p e r m i tr a i n a n ds t o r mw a t e rr u no f ft o p e r c o l a t et h r o u g i tr a t h e rt h a nf l o o d s u r r o u n d i n ga r e a so rs t o r md r a i n s ，e n h a n c ed r i v i n g s a f e t ya n dc o m f o r tb yp r e v e n t i n g w a t e rs p r a y , b y d r o p l a n i n ga n dd e c r e a s eo fs k i d d i n gd u i n gr a i n ，n o i s er e d u c t i o na n d a l l e v i a t et h ee f f e c to fu r b a nh e a ti s l a n d t h ec o n c l u s i o n sc a nb ed r a w ni n v e s t i g a t i o na sf o l l o w i n g ： f i r s t ，t h ep a p e ra n a l y s i st h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep o r o u sc o n c r e t e ，t h e p h r 7 s i c a l a n dm a c h a n i c a l p r o p e r t i e s o ft h e s em i x t u r e sw e r es t u d i e di n d e t a i l c o m p r e s s i v ea n df l e x u r a ls t r e n g t hw e r e b o t hs t u d i e di nd e t a i l s e c o n d ，t h ep a p e ra l s oo u t l i n et h er e s e a r c ho nt h ea c o u s t i cp r o p e r t yo fp o r o u s c e m e n tc o n c r e t e ，b o t hm e c h a n i s mo ft i r e p a v e m e n ti n t e r a c t i o nn o i s ea n dn o i s e p r o p a g a t i o nw e r es t u d i e d t h ea c o u s t i ca b s o r p t i o nc o e f f i c i e n to fp o r o u sc e m e n t c o n c r e t ew e r ed e t e r m i n e du s i n ga ni m p e d a n c et u b e i ts t u d i e st h er e l a t i o n sa m o n go f w er a t i o ，p o r o s i t ya n ds t r e n g t h ，r e c o m m e n d st h eb e s tr a n g eo fw er a t i oo 2 2 o 2 6 ，t h e g o a lp o r o s i t y15 - 2 0 w h a t sm o r e ，u s i n gp u l v e r i z e df u e la s ha n ds i l i c af u m et o e n h a n c et h es t r e n g t ho ft h ep o r o u sc o n c r e t e ，t h ep a p e rr e c o m m e n d st h eb e s tr a t i oo f p u l v e r i z e df u e l2 0 a n ds i l i c af u m e6 ，a n dt h et w os m a l l e r - s i z e da g g r e g a t em i n e r a l m i x t u r eb e s tr a t i oi s10 一6 t h i r d ，t h ep a p e ra n a l y z e st h es t r e n g t h ye f f e c to ft h ep o l y p r o p y l e n ef i b e ro nt h e p o r o u sc o n c r e t e ，a n dd r i v et h ei n d e xo ff l b e r c e m e n t s l u r r yt oc o n t r o lt h ed o s a g e t h e e x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tp o l y p r o p y l e n ef i b e rc a ns p e a c i a l l ye n h a n c et h es t r e n g t ho f b e n d i n g w h e nt h ed o s a g e ，v a r i e t ya n ds p e c i f i c a t i o n sc h a n g e s ，t h ee f f e c td i s s i m i l a r 诵t h o t h e r s f o r t h ，n o i s er e d u c t i o na n dd r a i n a g ea n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nf u n c t i o no ft h e p o r o u sc o n c r e t ea r es t u d i e di nd e t a i l t h ep a p e r a l s op r o p o s e st h er a t i o n a lp o r o s i t ya n d t h i c k n e s s a n dd os o m er e s e a r c ho fp e r m e a b i l i t yt o e 币c i e n t k e y w o r d s ：p o r o u sc e m e n tc o n c r e t e ；p o r i s i t y ；p o l y p r o p y l e n ef i b e r ；t i r e - p a v e m e n t i n t e r a c t i o nn o i s e ；a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t ；p e r m e a b i l i y tc o e f f i c i e n t 长安大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着经济社会的极大发展，我国城市化的脚步正在快速进行。与此同时，城市道路 网迅速密集化、延伸化。然而，便捷的交通设施在给人们的出行带来极大方便的同时， 这些坚硬致密的地表铺装却也给城市的生态环境带来极大的损害。首先，夏天高温时， 黑色的沥青路面反光率很低，大面积吸收光能转化为大量热量，气温动辄达到4 0 ，庞 大的城市工业与民用空调系统在耗电量剧增的同时，又进一步导致了高温天气的持续； 其次，传统的路面材料讲究的是坚固耐用和长效性，但其致密不透水性阻断了雨雪等自 然降水渗透至下层土壤以补充地下水资源，大部分雨水只能通过城市排水系统管网排出 城市区域，并在长距离的地表径流中遭到各种污染，未能加以有效利用；而城市地下水 的过量抽取，导致城市地下水位越来越低，引发大面积的地面沉降；再者，城市各类汽 车保有量的不断增加，给城市居民带来了难以忍受的频繁、刺耳的交通噪音，破坏人们 正常的工作和生活环境，而传统路面铺装材料不能有效地吸收和降低噪音，难以缓解交 通噪音污染。另外，在下雨过后，传统路面上往往笼罩一层水膜，使路面抗滑性降低， 影响行车安全性，此外，如若发生短时间内的大到暴雨，现有路面排水系统来不及迅速 排除大量雨水，城市会面临巨大的泄洪压力，甚至出现大面积的内涝，造成严重的经济 损失卜5 1 。 由上述分析可以看出，传统路面铺装材料的弊端日益凸显出来，公路尤其是城市道 路需要一种既能满足路用性能，同时又能保护城市生态环境的路面材料。多孔水泥混凝 土就是这样一种生态环保型的新型混凝土，它经由特殊的配合比设计方法和工艺流程制 备而成，具有大量连通孔隙。它既具备一定的力学强度满足路用性能，又具有一定的透 水透气性，可以避免传统不透水路面对环境造成的不利影响。与传统路面材料相比，多 孔水泥混凝土路面的优势在于： ( 1 ) 有效补充和保护地下水资源的快速枯竭 当前，我国大多数城市的生活供水主要来源于地下水，而传统路面铺装阻断了雨雪 等自然降水对地下水资源的补充，直接导致了城市地下水的过量抽取，由此带来的后果 是，许多大中城市已经出现大面积的地面沉降。如果铺筑以多孔水泥混凝土为路面材料 的透水性路面，自然降水就能够沿着其连通孔隙迅速的下渗至下层土壤，从而有效的补 第一章绪论 充和保护地下水资源。 ( 2 ) 在吸声降噪方面的作用 多孔水泥混凝土可以视作一种刚性骨架的多孔性材料，从声学角度来看，它具有一 定的吸声性，相关原理可作如下描述：当声波到达多孔水泥混凝土表面时，将引起孔隙 中的空气运动( 振动) ，由于孔壁的摩擦作用和气流的粘滞阻力，部分声能就会转化为 热能，从而降低声波的声压级；同时，空气和孔壁的热交换也会损耗部分热量，声能得 以衰减。从目前城市噪声环境的构成来看，交通噪声是主要的噪声源之一，包括车辆动 力噪声和轮胎路面噪声。汽车行驶在多孔水泥混凝土路面上时，由于多孔水泥混凝 土的连通孔隙及良好表面构造深度的存在，轮胎花纹在受挤压或形变恢复时其间空气有 了对流的孔隙通道，从而减少了空气爆破和泵吸噪声，有效降低了轮胎路面噪声。 另外，城市生活中的其他噪声在投射到多孔水泥混凝土表面时，也会有一定程度的弱化。 综上所述，多孔水泥混凝土路面具有一定的吸声降噪性能1 6 】。 ( 3 ) 缓解城市热岛效应 城市热岛效应( u r b a nh e a ti s l a n de f f e c t ) 是指城市中的气温明显高于外围郊区的现 象。在近地面温度图上，郊区气温变化很小，而城区则是一个高温区，就象突出海面的 岛屿，由于这种岛屿代表高温的城市区域，所以就被形象地称为城市热岛。现今城市生 活的能量消耗越来越大，城市热岛现象也越发严重。传统路面尤其是以沥青为结合料的 黑色路面大量吸热，不仅无法调节气温，更直接导致路表温度的升高。而多孔水泥混凝 土内部发达的孔隙结构能够储存部分水分，在水分自然蒸发的过程中能够吸收大量的 热，使地表温度降低，从而有效缓解城市热岛现象。 ( 4 ) 提高城市道路排水系统排水效率和提高行车安全性 传统路面在持续的降雨天气下，只能依靠路面横坡度使雨水横向漫流至边缘汇水系 统，再经由城市排水管网排除，耗时较长，尤其在暴雨时，城市的泄洪压力巨大，传统 路面的排水效率远远不够，常常出现大片积水和漫流的现象，既影响交通，又容易导致 城区内涝，造成巨大的经济损失。多孔水泥混凝土路面由于自身良好的透水性能，可以 使雨水迅速下渗汇集至专门的排水通道排除，保证汽车行驶的通畅性和安全性。 虽然近年来我国的一些研究机构和市政建设部门在多孔水泥混凝土路面的研究和 应用方面已经取得了一定的成果，但从总体上看还处在起步阶段，与美日等发达国家相 比，研究的层次和深度和应用的范围还有比较大的差距。从环境保护的角度看，多孔水 2 长安大学硕士学位论文 泥混凝土路面有利于改善和保护城市生态环境，符合可持续发展的科学理念。因此进一 步深入研究多孔水泥混凝土路面材料有着重要的现实意义。 1 2 国内外多孔水泥混凝土的研究及应用现状 1 2 1 国外研究及应用现状 由于多孔水泥混凝土路面具有上述的诸多环保优点，欧美、日本等一些发达国家早 在上世纪中叶就开始研究开发多孔水泥混凝土路面材料，并随着相关技术的成熟，将其 广泛应用于广场、人行道以及停车场等，如图1 1 所示。这些工程在调节城市微气候、 保护城市生态环境方面收到了良好的效果。目前，以日美为代表的发达国家对于多孔水 泥混凝土路面材料的研究与应用水平较高，而且，高强高性能多孔水泥混凝土方面的研 究与应用也走在世界前列。 ( a ) 人行道( b ) 公园小径 (c)操场(d)停车场 图1 1 多孔水泥混凝土的工程应用 日本在上世纪7 0 年代左右通过借鉴欧美在多孔水泥混凝土方面的研究及应用经验 和自主研发，提出了“雨水还原政策，开始推广多孔水泥混凝土在公园、人行道、住 宅小区、停车场以及高速公路的路肩、中央分隔带等工程领域的应用。后来，由于降雨 3 第一章绪论 较多而道路交通又比较发达，传统路面排水不畅和汽车刹车安全性的问题凸显出来，于 是，日本在9 0 年代以后开始尝试利用多孔水泥混凝土铺设透水性路面，以摆脱路面排 水不畅和城市地下水过度抽取的困境。1 9 9 3 年日本近畿地方建设局在和歌山地区修筑了 一段多孔水泥混凝土路面试验段，施工通车三个月后对其透水性、降噪性以及路表温度 等指标进行追踪调查，结果证明这段多孔水泥混凝土路面的使用达到了预想的目的。自 此以后，日本开始大范围的将多孔水泥混凝土用作城市道路路面材料，并提出了完整的 设计和施工技术规范。 美国和欧洲在多孔水泥混凝土方面的研究及应用水平与日本相若，并根据各自的应 用要求而进行相关的工程建设。例如，法国侧重于将其应用于路缘排水设施和路肩，另 外国内有6 0 的网球场铺面是利用多孔水泥混凝土建成；美国的大多数州已经有了多孔 水泥混凝土排水基层的设计及施工规范，以解决城市道路排水的问题；德国则提出到在 2 0 1 0 年前实现多孔水泥混凝土路面在其国内城市道路的覆盖率达到9 0 以上。此外， 多孔水泥混凝土还可以用于植被护坡等工程，为河道两岸创造优良的水文生态环境 l s ，9 1 0 1 。 1 2 2 国内研究及应用现状 国内在多孔水泥混凝土方面的研究起步较晚，与欧美日等发达国家和地区相比，我 国当前的相关研究水平还比较低，对高强高性能多孔水泥混凝土的研究就更落后于世界 先进水平，应用的工程范围和技术水平也较低。 我国自上世纪9 0 年代引入多孔水泥混凝土的概念以来，最初一段时间主要是将其 作为透水砖材料来研究，因为透水砖主要用于公园、操场等轻荷载工程，人们比较注重 它的透水性能，所以制出的透水砖强度较低，2 8 d 抗压强度一般在2 0 m p a 以下【l 。到了 9 0 年代末，随着混凝土技术的进步，各种外加剂和增强剂大量涌现，为大幅度提升多孔 水泥混凝土强度提供了可能。相关研究部门和一些大学院校的科研人员相继进行了多孔 水泥混凝土路面材料的研究。长安大学的王秉纲教授和郑木莲博士在1 9 9 9 年做过多孔 水泥混凝土排水基层的相关研究，给出了水泥稳定碎石排水基层的建议级配，采用正交 试验法和均匀设计法分别对振动成型和插捣成型多孔水泥混凝土进行研究，并提出相应 的配合比设计方法。东南大学的霍亮、陶卓辉等利用硅灰等矿质超细粉和有机增强剂， 显著提高了多孔水泥混凝土的力学性能，按其提出的制备方法得到的试件抗压强度和抗 折强度一般都能达到3 0 m p a 和2 5 m p a 以上。另外，他们还对多孔水泥混凝土的透水、 4 长安大学硕士学位论文 降噪、吸热等环保功能进行了初步的研究 1 2 , 1 3 1 。 1 3 存在问题与主要研究内容 1 3 1 存在问题 近年来我国也积累了多孔水泥混凝土的工程应用经验，但其应用范围大部分都局限 与公园园径、停车场、人行道、步行广场等轻交通荷载的工程领域。因为就眼下多孔水 泥混凝土的研究现状，很难保证具备足够的力学强度及耐久性以用于中等交通乃至重交 通道路，况且造价也是一大制约因素。多孔水泥混凝土的原材料组成及配合比设计方法、 成型工艺目前来看并不成熟，而其降噪、降温等环保指标等都还有待进一步的深入研究。 寻找相关的技术途径解决这些问题，将有利于多孔水泥混凝土在我国公路与城市道路工 程中的应用和推广。 1 3 2 研究内容 1 提出稳定可靠的多孔水泥混凝土配合比设计方法： ， 2 成型工艺对于多孔水泥混凝土的影响，包括孔隙结构和力学强度等； 3 聚丙烯纤维对多孔水泥混凝土的增强效果； 4 粉煤灰及硅灰的掺法掺量对于多孔水泥混凝土性能的影响： 5 多孔水泥混凝土抗冻、耐磨性能的分析及评价； 6 多孔水泥混凝土的降噪、透水性能。 5 第二章试验原材料及试验方法 第二章原材料及试验方法 2 1 原材料及其基本性质 2 1 1 水泥 多孔水泥混凝土对水泥的品质并无特别要求。本研究采用陕西秦岭r o 4 2 5 普通硅 酸盐水泥，其化学成分和物理力学指标分别见表2 1 和表2 2 。n a 2 0 表2 1 水泥化学成分( ) c a o s i 0 2 a 1 2 0 3f e 2 0 3m g os 0 3 n a ，o k 2 0 l o i p 0 4 2 56 3 5 12 0 6 35 0 94 2 81 4 72 2 61 3 0 【注】：l o i 为烧失量。 表2 2 水泥物理力学性能 密度比表面积凝结时间( m i n ) 抗压强度( m p a )抗折强度( m a ) ( g c m 3 )( m 2 k g )初凝 终凝3 d2 8 d 3 d2 8 d p o 4 2 53 1 03 7 51 1 51 7 02 8 05 3 55 08 7 2 1 2 粗集料 粗集料的品质是影响多孔水泥混凝土力学性能的重要因素，因此对集料的强度、级 配、品种、颗粒形状等要求都是十分严格的。国内外已有的研究成果显示，5 1 0 m m 单 粒径级配制备的多孔水泥混凝土的综合性能最好【1 2 】【1 3 】，所以，本研究所用粗集料是 5 1 0 m m 单粒径的石灰岩碎石，其各项技术指标如表2 3 ： 表2 3 粗集料技术指标 针片状颗含泥量表观密度紧密堆积密紧密堆积空隙率 压碎值( ) 粒含量( ) ( ) ( k g c m 3 )度( k g c m 3 ) ( ) 碎石 7 77 2o 52 5 4 71 5 7 43 8 2 2 1 3 水 干净无杂质的普通自来水即可。 2 1 4 粉煤灰 西安灞桥热电厂提供的低钙i 级粉煤灰( u f a ) ，密度2 2 9 c m 3 ，需水量比0 9 5 ，细 度1 2 ，化学成分见表2 4 。 6 长安大学硕士学位论文 2 1 5 硅灰 本研究选用西安霖源公司提供的硅灰( s f ) ，密度为2 2 6 9 c m 3 ，硅灰中粒径小于l p m 的占8 0 以上，平均粒径在0 1 0 3 p r n 。其化学成分如表2 4 所示。 表2 4 粉煤灰、硅灰的化学成分( ) s i 0 2a 1 2 0 3 c a o m g o s 0 3f e 2 0 3n a 2 0k 2 0 l o i u f a5 7 8 42 7 1 83 2 61 1 lo 1 86 4 33 2 l s f 9 0 0 0 4o 8o 6o - 30 30 84 7 2 1 6 减水剂 选用西安红旗外加剂厂生产的g j 1 高效减水剂，具有非引气、高效减水和增强的 功效。 2 1 7 聚丙烯纤维 选用西安融森商贸有限公司提供的s t s 聚丙烯纤维，包括单丝和网状两种规格，其 技术指标分别如表2 5 和表2 6 所示。 表2 5s t s 聚丙烯单丝纤维技术指标表2 6s t s 聚丙烯网状纤维技术指标 原料成分聚丙烯 断裂延伸率 - 2 8 当量直径 2 0 t u n 弹性模量 3 3 0 0 m p a 熔点1 6 7 吸水性无 耐酸碱性强 抗拉强度 3 6 5 m p a 比重0 9 1g c m 3 2 2 制备方法 密度 0 9 1 9 c m 3 耐酸碱性强 弹性模量 3 5 0 0 m p a 吸水性、导电性无 抗拉强度5 6 0 m p a 当量直径 1 0 0 l _ t m 熔点 1 6 0 - - 1 8 0 产品形状束状网 断裂延伸率 l o 2 5 2 2 1 搅拌工艺 本研究采取两种搅拌方法进行对比研究。一种是一次加料法，即首先将胶结材与集 料混拌6 0 s ，待搅拌均匀后，再加水和高效减水剂进行混拌，一边加水一边搅拌，时间 为1 2 0 s ，最后将拌和好的混合料浇注到模具里；另一种是浆体裹石法，就是先把水、胶 7 第二章试验原材料及试验方法 结材和外加剂等混合均匀搅拌6 0s ，再加入集料搅拌1 2 0s 。 2 2 2 成型工艺 多孔水泥混凝土的结构不同于普通水泥混凝土，而成型工艺直接影响到混合料成型 后的结构特点，因此普通水泥混凝土的成型工艺并不适用于多孔水泥混凝土。例如，普 通水泥混凝土通常采用振动成型，其目的是使混凝土尽可能地密实，以提高混凝土的强 度和耐久性。但对于多孔水泥混凝土则不可行。因为其内部连通孔隙率很大，如果采用 振动成型，水泥浆体在振动作用的影响下会沿着连通孔隙下渗并堆聚在试件底部，造成 底部孔隙的堵塞，不仅影响吸声性能和透水性能，而且由于底部浆体富余，则上层浆体 偏少而对集料粘结力不足，从而影响整体的强度。本研究提出的多孔水泥混凝土的配合 比设计方法是以浆体流动度为重要控制指标，即在浆体流动性适宜的情况下，采用静压 成型和捣实成型两种成型方式进行比较研究。 2 2 3 养护工艺 多孔水泥混凝土孔隙率大，容易散失水分，因此在试件成型好后，要立刻使用塑料 薄膜覆盖其表面以防水分散失过多，一昼夜过后才可以拆模，然后再在标准条件下养护 至一定龄期。标准养护条件是：相对湿度为9 0 以上，温度为2 0 3 。 2 3 性能测试方法 2 3 1 抗压强度 本研究中多孔水泥混凝土的抗压强度试验参考g bt 0 5 5 3 0 5 t 1 4 】中普通水泥混凝土 立方体抗压强度试验方法进行。按照规范，试验步骤如下：制备边长为1 0 0 m m 的正立 方体多孔水泥混凝土试件，一昼夜后拆模，随即放入养护室中在标准条件下养护。到规 定龄期时取出试件，检查尺寸及形状，保持试件的干湿状态不变，并且在破型前应擦干 试件表面。取同龄期的3 个试件为一组，每组的3 个试件必须同条件制作和养护。考虑 到多孔水泥混凝土的强度较普通水泥混凝土为小，压力机的加荷速度取值为0 5 m p a s 。 多孔水泥混凝土立方体试件抗压强度f 。u 按式( 2 1 ) 计算： p f e n = 0 9 5 ( 2 1 ) 以 其中：0 9 5 一采用非标准试件时的尺寸换算系数； f c u 一多孔水泥混凝土立方体抗压强度( m p a ) ； 8 长安大学硕士学位论文 a 一受压面积( m 2 ) ； p 一极限荷载( n ) 。 每组3 个试件所测值的算术平均值取为最终的测定值。假如有任何一个测值与中值 的差值超过中值的1 5 ，那么就取中值为测定值；如果有两个测值与中值的差值超过中 值的1 5 ，那么此组试验数据作废，另行试验。 2 3 2 抗折强度 路用水泥混凝土的抗折强度是最重要的力学性能指标，尤其对于多孔水泥混凝土来 说，起胶结作用的浆体量较少，其结构的匀质性对弯拉应力更为敏感。本研究中多孔水 泥混凝土的抗折强度试验参考g bt 0 5 5 8 0 5 中普通水泥混凝土抗折强度试验方法进行。 按照规范，试验步骤如下：制备1 0 0 m m x1 0 0 m m x4 0 0 m m 的棱柱体多孔水泥混凝土试 件，一昼夜后拆模，随即放入养护室中在标准条件下养护。到规定龄期时取出试件，检 查尺寸及形状，保持试件的干湿状态不变，并且在破型前应擦干试件表面。取同龄期的 3 个试件为一组，每组的3 个试件必须同条件制作和养护。多孔水泥混凝土抗弯拉强度 的测试采用三分点处双点加荷法。混凝土小梁试件的抗折强度f f 按式( 2 2 ) 计算： f f _ o s 5 嚣 ( 2 2 ) 其中： 、 o 8 5 一采用非标准试件时的尺寸换算系数； f f 一抗折强度( m p a ) ； l 一支座间距离( i 姗) ； p 一极限荷载( n ) ； h 一试件高度( 吼) ； b 一试件宽度( r a m ) 。 每组3 个试件所测值的算术平均值取为最终的测定值。假如有任何一个测值与中值 的差值超过中值的1 5 ，那么就取中值为测定值；如果有两个测值与中值的差值超过中 值的1 5 ，那么此组试验数据作废，另行试验。 2 3 3 抗冻性能 本研究参考普通水泥混凝土的快速冻融法试验方法进行多孔水泥混凝土抗冻性能 试验。室内成型1 0 0 m m x1 0 0 m m x 4 0 0 m m 的棱柱型多孔水泥混凝土试件，一昼夜后拆 9 第二章试验原材料及试验方法 模，随即放入养护室中在标准养护条件下养护。至2 8 d 龄期后，取出试件。以3 个同条 件制作和养护的试件为一组。多孔水泥混凝土试件进行冻融循环的注意事项如下： ( 1 ) 每次冻融循环应当在2 h 5 h 内完成，而且试件用于融化的时间不应小于整个冻 融时间的1 4 ； ( 2 ) 试件的冻结和融化完成时，其中心温度应分别控制在1 8 2 和5 2 。中 心温度以测温标准试件的实测温度为准； ( 3 ) 在试验箱内，各个位置上的试件从3 降至一1 6 c 所用的时间，不应少于整个受 冻时间的一半，每个试件从- 1 6 升至3 所用的时间也不得少于整个融化时间的一半， 试件内外温差不应超过2 8 ； ( 4 ) 冻结和融化之间的转换时间不应超过l o m i n ； ( 5 ) 如果试验因故中断，应将试件在受冻状态下保存在原试验箱内，达不到这个要 求的话，则须使试件处在融解状态下的时间不超过两个循环。 对于如何评价多孔水泥混凝土的抗冻性能，本研究未采用公路工程水泥及水泥混 凝土试验规程规定的相对动弹性模量、质量损失率及相对耐久性指数，而是采用较为 直观的冻融循环前后抗折强度的变化率来表征，即采用式( 2 3 ) 所示的抗冻系数，作为多 孔水泥混凝土抗冻性能的评价指标。 f k = i 1 2 ( 2 3 ) “ 其中，k 一抗冻系数( ) ； f l 一冻融循环前试件的抗弯拉强度( m p a ) ； f 2 一冻融循环后试件的抗弯拉强度( m p a ) 。 按照上述要求不间断的进行2 5 次冻融循环后，将试件取出，与一直在养护在标准 条件下的平行试件一同测试抗弯拉强度并记录结果。 2 3 4 孔隙率 多孔水泥混凝土中的孔隙可以分为三种：第一种是封闭的孔隙，其对多孔水泥混凝 土的吸声性能和透水性能有不利影响；第二种是开口但不连通的孔隙，这种孔隙对透水 性能没有贡献，但对吸声性能则可能会有一定的贡献；第三种孔隙是贯穿混凝土且连通 的孔隙，它的存在是多孔水泥混凝土吸声性能和透水性能的主要保证，笔者把后两种孔 隙统归为多孔水泥混凝土的有效孔隙。事实上，封闭孔隙率占总孔隙率的比重很小，而 1 0 长安大学硕士学位论文 有效孔隙率又是关键指标，因此，本研究将有目标孔隙率与有效孔隙率直接挂钩进行对 比，后边章节中提到的实测孔隙率即是实测有效孔隙率。多孔水泥混凝土有效孔隙率的 测定方法1 1 6 1 如下： ( 1 ) 测量试件的外形尺寸并计算其体积，记作v o ； ( 2 ) 称出试件浸水饱和状态下的水中质量，记作m l ； ( 3 ) 称出试件在饱和面干状态时的重量，记作m 2 ； ( 4 ) 按式( 2 4 ) 计算试件的有效孔隙率，记作p ( 精确到0 0 1 ) ： p = 1 一掣】1 0 0 ( 2 4 ) p 嗡y q 其中p w 指水的密度，一般取1 0g c m 3 。 2 3 5 吸声系数 吸声系数是反映吸声材料吸声性能的重要指标。测定材料的吸声系数通常有两种方 法：混响室法和驻波管法。前者是用来测量声波无规入射时的吸声系数，后者则主要用j 来测量声波垂直入射时的吸声系数。驻波管法常用于多孔吸声材料【1 7 1 ，因此本研究采用 该种方法测量多孔水泥混凝土的吸声系数。测量方法和步骤参考国标g b j 8 8 - - 8 5 驻波， 管法吸声系数与声阻抗率测量规范中的有关规程，另外根据驻波管的量程确定测试频 率按1 3 倍频程取值，即1 6 0 、2 0 0 、2 5 0 、3 1 5 、4 0 0 、5 0 0 、6 3 0 、7 0 0 、8 0 0 、9 0 0 、1 0 0 0 、 1 2 5 0 、1 6 0 0 、2 0 0 0 h z ，另考虑轮胎路面噪声以中高频为主，本研究加测中高频段 的两个频率7 0 0 、9 0 0 h z 。 2 3 6 渗透系数 笔者通过试验验证，在大孔隙材料中水流存在明显的横向渗流现象，路用透水仪所 测出的路面透水系数c ( m v l 5 s ) 并不适合评价多孔水泥混凝土的透水性能。因此，本 研究采用渗透系数k 来评价多孔水泥混凝土的透水性能。渗透系数是表征材料透水能力 的重要参数。渗透系数的测定按照试验原理的不同一般分为常水头法和变水头法，相应 的测量装置也分为常水头渗透仪和变水头渗透仪两种，二者的差别只在于形式和测量精 度上的不同。根据日本的研究经验，常水头渗透仪一般适合用来测量渗透性较好的材料 的渗透系数，而变水头渗透仪一般适合用来测量渗透性较差的材料的渗透系数【1 8 1 。因 此，本研究使用常水头渗透仪对多孔水泥混凝土渗透系数进行测定，具体内容见第五章。 第三章多孔水泥混凝土配合比设计方法与制备工艺研究 第三章多孔水泥混凝土配合比设计方法与制备工艺研究 3 1 概述 多孔水泥混凝土是一种环保型的混凝土材料，一定的连通孔隙率决定了它具有透水 性和吸声性，但其用到主要的组成材料与普通水泥混凝土相差无几。只不过普通水泥混 凝土在其设计与制备过程中力求减少孔隙率，尽可能地使材料致密化以形成高强度、高 耐久性；而多孔水泥混凝土通过采用不同的设计方法和材料配比，使它在满足基本路用 性能的同时，仍然能实现一定的连续的孔隙结构，保证一定的透水性和吸声性。 目前，在我国市政建设中铺设多孔水泥混凝土路面己受到国家有关部门和许多研 究、设计、生产单位的高度重视和欢迎。以国内目前的研究及应用水平来看，多孔水泥 混凝土还受到强度的限制，只能应用于人行道、公园道路、或运动场等轻荷载工程领域。 如果多孔水泥混凝土的强度及耐久性能能得到进一步提升，那么它的应用范围会更广， 从而创造更大的生态效益。 本章将提出多种掺合料的多孔水泥混凝土的配合比设计方法，对比研究不同的制备 工艺，着眼点在于保证一定孔隙结构的同时，最大程度地提高多孔水泥混凝土的力学强 度和耐久性能。 3 2 多孔水泥混凝土配合比设计方法 3 2 1 配合比设计原则 目前国内的一些科研院所借鉴日本的经验，提出了几种多孔水泥混凝土的配合比设 计方法，但总的说来并不成熟。由于多孔水泥混凝土的环保功能要依赖一定的孔隙率实 现，所以在保证力学强度的前提下如何实现既定的目标孔隙率最关键。 本研究提出的配合比设计方法的基本思路类似于碾压混凝土的填充包裹理论。填充 包裹理论可以简单描述为：集料在紧密堆积的状态下，被胶结材浆体均匀的包裹粘结在 一起，硬化后形成了多孔堆聚的结构，剩余的空隙就形成了混凝土内部连通的孔隙【1 9 l 。 3 2 2 配合比设计参数的确定 多孔水泥混凝土的特殊性就在于其孔隙结构，因此本研究采用体积法【2 0 1 计算多孔水 泥混凝土各材料用量配比，以保证目标孔隙率和实测孔隙率尽可能的一致。 1 2 长安大学硕士学位论文 体积法进行多孔水泥混凝土配合比计算的的重要设计参数如下： ( 1 ) 粗集料的用量以及其在紧密堆积状态下的空隙率 测得粗集料的紧密堆积密度p 和颗粒表观密度p o ，求出粗集料的空隙率v ，可知每 立方米多孔水泥混凝土中粗集料的用量值同其紧密堆积密度值相同，考虑到实际情况应 当乘以0 9 8 ( 折减系数) 。 ( 2 ) 目标孔隙率 多孔水泥混凝土目标孔隙率的确定应根据实际使用要求来确定。例如用于植生护 坡，则对透水透气性要求较高而对强度要求较低，可以采用较大的目标孔隙率。本研究 多孔水泥混凝土用作路面材料，必须具有一定的强度，兼顾其透水性与吸声性，目标孔 隙率取值一般在l5 也0 。 ( 3 ) 水灰比 水灰比对多孔水泥混凝土性能的影响十分显著，这主要是从孑l 隙结构和强度两个方 面体现的。一方面，水灰比的大小直接影响到浆体的流动度，水灰比过大则浆体流动度 大，浆体容易沿着集料间空隙流落滴淌，积聚在试件的底部，影响正常孔隙结构的形成 而导致透水性和吸声性变差。而水灰比过小则浆体流动性小，浆体稠度大，不易流淌均 匀包裹集料，也会影响孔隙结构的连续性；另一方面，水灰比过大时浆体积聚在试件底 部，上部集料由于缺乏足够的浆体包裹而粘结力不足，试件强度降低，反之水灰比过小 时浆体流动性较差，难以均匀的包裹集料，试件强度也会因此而降低。 所以，合适的浆体流动度是保证多孔水泥混凝土性能的重要指标。需要说明的是， 在浆体流动度相同的情况下，不同级配的集料由于各自堆积形成的空隙结构不同，制备 的试件强度及孔隙率会有较大的差别。本研究通过试验验证，5 l o m m 单粒径集料在紧 密堆积的情况下，内部空隙结构是类似的，即同材料配制的浆体在流动度相同时，该级 配集料成型的所有试件强度及孔隙率、孔隙均匀性相近。 本研究基于浆体最佳流动度确定水灰比最佳值的方法如下： ( 1 ) 在最初进行多孔水泥混凝土混凝土的试拌与调整时，可根据经验以及成型后试 件的孔隙结构来判断水灰比是否合适。对于新拌的多孔水泥混凝土拌和物，如果水泥浆 能够均匀包裹在粗集料颗粒表面，没有出现浆体下滴的现象，手捏成团不分散，有微少 浆体挤出，而且颗粒有类似金属的光泽，成型后试件底部没有浆体堵塞孔隙的现象，说 明水灰比较合适，取此值进行水泥浆体流动度试验( 跳桌法) ，测其流动度值，即为对 1 3 第三章多孔水泥混凝土配合比设计方法与制备工艺研究 应该级配的浆体最佳流动度。然后以该水灰比为基准，其他水灰比通过调整减水剂掺量 的以达到相同的流动度。 ( 2 ) 在基准水灰比确定以后，保持粗集料和水泥用量不变，选定几组不同的水灰比 分别拌制多孔水泥混凝土，养护至一定龄期后分别测其抗压或抗折强度，确定最大强度 所对应的水灰比，即为最佳水灰比。 3 2 3 体积法配合比计算 依据前面章节所述，已知粗集料的紧密堆积密度p ，空隙率为v ，目标孔隙率为p ， 则有： 1 立方米多孔水泥混凝土中粗集料的质量可表达为式( 3 1 ) m g 2 0 9 8 p( 3 1 ) 而浆体体积则由式( 3 2 ) 得出 v 咖= v p( 3 2 ) 上式变形可得式( 3 3 ) 丝+ 堕= v p ( 3 3 ) p c p 。 代入水灰比w c 的值，即可分别算得各材料用量。 当掺用粉煤灰( u f a ) 、硅灰( s f ) 、减水剂和聚丙烯纤维或其他材料时，按照掺量 换算对应的体积，分别计算各种原材料的用量即可。 3 2 4 试拌与调整 为更好的说明本文提出的配合比设计方法，以下通过试验确定浆体最佳流动度与基 准水灰比，步骤如下： ( 1 ) 试拌多孔水泥混凝土，找出拌和物状态最佳、试件孔隙结构最好的一组水灰比 采用0 2 0 , 4 ) 4 5 间的若干个值作为水灰比，分别进行多孔水泥混凝土的试拌，试拌 观察结果如表3 1 ： 1 4 长安大学硕士学位论文 表3 1 多孔水泥混凝土拌和物状态观测结果 试件编号水灰比拌和物状态试件外观 10 2 0 太过干涩无法成型 20 2 5 很干硬 3 0 3 0干硬 表面清晰可见未水化水泥颗粒 4o 3 5 较干硬，易分散有部分易松动粗集料颗粒 50 4 0 粘结好，手捏成团有微浆析出孔隙分布均匀，粗集料颗粒粘结牢固 60 4 5 浆体富余较多试件底部孔隙部分被沉降凝固后的浆体堵塞 可以看出，当w e = o 4 0 时，拌和物状态最好，成型的试件外观良好，孔隙结构均 匀，即其对应的浆体流动度最佳。 ( 2 ) 确定最佳流动度时各水灰比的减水剂掺量 以w e = 0 4 0 调制水泥净浆( 水泥5 0 0 9 ，水2 0 0 9 ) ，按照标准稠度用水量的搅拌方 法放在水泥净浆搅拌机中进行搅拌。搅拌均匀后，及时将其装入放在跳桌中心的半截圆 模上然后启动跳桌，跳1 0 下后即停止，记录此时的流动度值并以该值为标准，其他水 灰比的水泥净浆通过增减减水剂用量的方法调整至标准流动度。表3 2 是不同水灰比时 浆体流动度调整的试验结果。 表3 2 不同水灰比的水泥净浆流动度调整试验 w e m 。( g )m c ( g )减水剂掺量( g ) 流动度( m m ) 状态 0 4 02 0 05 0 007 0 一7 2 最佳状态 0 3 51 7 55 0 00 2 ( 1 0 4 )7 0 7 2 最佳状态 0 3 0 1 5 0 5 0 0 0 4 ( 2 1 6 )7 0 一7 2最佳状态 0 2 81 4 05 0 00 4 6 ( 2 3 0 )7 0 7 2 最佳状态 o 2 61 3 05 0 00 5 4 ( 2 7 1 )7 0 7 2 最佳状态 o 2 41 2 05 0 0o 6 5 ( 2 9 5 )7 0 刁2 最佳状态 0 2 2l l o5 0 00 8 ( 4 0 7 )7 m 刁2 最佳状态 0 2 01 0 05 0 01 0 ( 5 0 2 )7 0 7 2 最佳状态 综上所述，本研究提出的多孔水泥混凝土配合比设计流程如图3 1 所示： 1 5 第三章多孔水泥混凝土配合比设计方法与制备工艺研究 根据拌和 拌制多孔混凝土拌和物 物状态和以目标孔隙率， 试件成型粗集料堆积密 后孔隙结度，w c 为指标 构选择最 1r 佳状态确定最佳拌和物状态时的w c 1r 以最佳w c 拌制的水泥净浆 确定胶结材最佳流动度 1| 以不同w c ，外掺 确定不同w c 、外掺料时减水剂用量料拌制的净浆进 行胶结材流动度 试验，不断调整减 1r 水剂用量以达到 拌制多孔水泥混凝土 标准流动度 进行孔隙率，抗 1 r 压抗折强度、透确定最佳配合比 水系数等指标 的测试并分析， 选取较低的水 灰比值 图3 1 多孔水泥混凝土配合比设计流程图 3 3 制备工艺的比较研究 3 3 1 搅拌工艺的比较研究 取目标孔隙率2 0 ，w c = 0 4 0 、w c = 0 2 6 时的多孔水泥混凝土分别采用一次加料 法和浆体裹石法成型试件( 捣实成型) ，测其相关数据如表3 3 ： 1 6 长安大学硕士学位论文 表3 3 不同搅拌工艺下试件强度及孔隙率试验结果 一次加料法水泥裹石法 测试指标 w c = 0 4 0w c = 0 2 6w c = 0 4 0w c = 0 2 6 7 d 抗压强度 1 1 7