（材料学专业论文）植物生长型多孔混凝土的制备、性能与抗冻性研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 多孔混凝土( p o r o u sc o n c r e t e ， 英文名简写为p o c ) 一般以单一粒径粗集料、水泥、 掺合料、外加剂、水为原材料，经过适当的搅拌成型工艺制备而成。由于多孔混凝土具有 宏观多孔堆聚状结构，使其具有多方面的生态环保应用价值。可广泛应用于河堤护坡、道 路边坡、水质净化、公路路面、噪声吸收、水域生物栖息等工程之中。对于应用于河堤护 坡、道路边坡工程上的植物生长型多孔混凝土，一般要求抗压强度不低于1 5 m p a 、空隙率 介于2 5 3 0 $ 之间。 本论文首先研究了多孔混凝土的剖备成型工艺。多孔混凝土在搅拌过程中，应先将粗 集料表面润湿，然后分批交替地加入水泥( 含掺合料) 、水( 含溶解于其中的外加剂) ，搅 拌时间控制在4 m i n 左右；当水泥浆体均匀地包裹在粗集料表面、集料表面光圆发亮、浆体 不流淌迁移时，表明水灰比适宜，此时多孔混凝土混合料可以分层浇筑成型，振动时间应 控制在2 0 s 左右。最适宜于多孔混凝制各成型的水泥浆体流动度介于1 9 0m 2 2 0m 之 间。在水泥浆体中加入粉煤灰、特细砂、矿粉等掺合料有利于降低浆体的收缩率；当粉煤 灰和矿粉的掺量低于1 5 时，对提高浆体强度有利；但特细砂的掺入对浆体强度不利。在 水泥浆体中混合掺入粉煤灰、特细砂、矿粉，不但可以降低浆体的收缩率，而且可以提高 浆体的抗压强度。 在本论文试验中，通过选用不同级配的粗集料，以不同的集胶比( 粗集料与胶凝材料 的质量比，a b ) 、水胶比( 水与胶凝材料的质量比，w b ) ，按不同的配合比制备多孔混凝 土，研究其性能。试验结果表明：粗集料级配、集胶比、水胶比是影响多孔混凝土性能的 主要因素。在一定的集胶比和水胶比情况下，多孔混凝土抗压强度随粗集料粒径的增大而 减小，空隙率随粗集料粒径的增大而增大；单一级配粗集料比连续级配粗集料更适宜于配 制多孔混凝土。集胶比对多孔混凝土的强度和空隙率都有影响。集胶比增大时，多孔混凝 土中水泥浆体用量减少，租集料之间空隙的填充程度降低，因此会导致多孔混凝土抗压强 度降低，空隙率增大；反之亦然。水胶比主要决定了多孔混凝土的成型特性，对应于每一 种粗集料和水泥用量，都有一种最佳水胶比。对于植物生长型多孔混凝土，为了满足抗压 强度大于1 5 m p a 、空隙率介于2 5 3 0 之间的要求，粗集料粒径宜控制在1 0 2 0m 之 间，集胶比( a b ) 介于4 7 之间，最佳水胶比( w b ) 介于0 2 0 0 3 2 之间。 本论文借鉴普通混凝土抗冻性理论，引入冻土力学关于冻土中水分迁移的机理，模拟 多孔混凝土应用于河堤护坡工程上时淹水冻结的实际情况，开发制定出了在冷冻机内放置 保温试件箱、冻结锋面由试件表面向土体内部推移的多孔混凝土抗冻性试验方案，适合于 评价植物生长型多孔混凝土的抗冻性。试验结果表明，抗压强度在1 5 m p a 以上、不掺加粉 煤灰的多孔混凝土抗冻性良好，能够广泛应用于我国华东、华中、华南、西南等冬季最低 气温不算太低、冰冻期较短地区的河堤护坡工程上。 关键词：多孔混凝土生态环保材料集料级配抗压强度空隙率抗冻性 摘要 a b s t r a c t p o r o u sc o n c r e t e 伊o c ) i sm a d eo fs i n g l e s i z e dc o a r s ea g g r e g a t e 、p o r t l a n dc e m e n t 、 a d m i x t u r e s 、c h e m i c a la d m i x t u r e s 、w a t e re t a l i ts h o u l db ep r o p e r l ym i x e db e f o r ec a s ti n m o u l d b e c a u s eo fi t sl a r g e p o r es t r u c t u r e ，p o ch a v em u c he c o l o g i c a la n de n v i r o n m e n t a l v a l u e i tc a nb ew i d e l yu s e di nf i v e rs i d e 、h i g h w a ys i d e 、w a t e rp u r i f i c a t i o n 、p a v e m e n t 、 v o i c ea b s o r p t i o n 、o r g a n i s ma d a p t a b l es t r u c t u r e a n ds oo n i nt h ee a s eo f b eu s e da sg r e e n i n g c o n c r e t ew h i c hp l a c e di nr i v e rs i d eo rh i g h w a ys i d e ，p o c sc o m p r e s s i v es t r e n g t hs h o u l db e h i g b e rt h a n1 5 m p 乱a tt h es a m et i m ei t sv o i dc o n t e n ts h o u l db ea tt h er a n g eo f 2 5 a n d3 0 ， g e n e r a l l ys p e a k i n g f i r s t l y t h em i x i n ga n dc a s t i n gt e c h n o l o g yb er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r w h i l em i x i n g ， c o u s ea g g r e g a t es h o u l db ew e t t e da tf i r s t ，t h e np u ti np o r t l a n dc e m e n t ( i n c l u d ea d m i x t u r e s ，i f u s e ) 、w a t e r ( i n c l u d ec h e m i c a la d m i x t u r e s ，i fu s e ) a l t e r n a t e l y m i x i n gt i m es h o u l db e c o n t r o l l e dw i t h i na b o u t4 r a i n ；i tw a sa s s u m e ds a t i s f a c t o r yi f ( a ) aw e t m e t a l l i ca p p e a r a n c eo f t h em i x t u r ei si m p a r t e d ；( b ) n oc e m e n tp a s t ef l o wa w a yf r o mt h ea g g r e g a t ep a r t i c l e s ；( c ) p o r o u sc o n c r e t ed o e sn o tc r u m b l eo rv o i d - f r e ea f t e rb e i n g h a n d f u ls q u e e z e da n dr e l e a s e d a t t h i st i m e ，t h ec o n c r e t em i x t u r ec o u l db ep l a c e d ，a n dv i b r a t i n gt i m es h o u l db ec o n t r o l l e d w i t h i na b o u t2 0 s o p t i m u mf l o wv a l u eo fc e m e n tp a s t ew h i c hm a d ep o cc o u l db e c o n v e n i e n t l yp l a c e di sa tt h er a n go f1 9 0 r a ma n d2 2 0 r a m i fu s ef l ya s h 、s l a gf u n l ea n d f i n e - s a n di np a s t e ，i t ss h r i n k a g ew o u l db ed e c r e a s e ds h a r p l y b e l o wt h ea d d i n ga m o u n to f 1 5 ，f l ya s ha n ds l a gf i l m ew i l lb e n e f i tt ot h ei n c r e a s eo fp o c sc o m p r e s s i v es t r e n g t h , b u t f i n e s a n di sn o t i fa d df l ya s h 、s l a gr u n i c 、f i n e - s a n di n t op a s t ea tt h es a n l et i m e ，n o to n l yt h e s h r i n k a g eo fp a s t ew o u l d b ed e c r e a s e d ，b u ta l s ot h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fp a s t ew o n l db e i n c r e a s e d ， i nt h i sp a p e r , t h ep r o p e r t i e so fp o ca r er e s e a r c h e dw i t hd i f f e r e n tm i xp r o p o r t i o nw h i c h u s ed i f f e r e n ta g g r e g a t e b i n d e rr a t i o ( a b ) 、d i f f e r e n tw a t e r - b i n d e rr a t i o ( w b ) a n dd i f f e r e n t s i n g l e - s i z e dc o a r s ea g g r e g a t e s 1 1 1 er e s u l ti st h a tc o a r s ea g g r e g a t e ss i z e 、a ba n dw ba r et h e m a i nf a c t o r sw h i c ha f f e c tp o c sp e r f o r m a n c e s w i t ht h e 船l t l ea 值a n dw b p o c s c o m p r e s s i v es t r e n g t hd e c r e a s ew h e nt h es i z eo fc o a r s ea g g r e g a t ei n c r e a s e ，w h i l ep o c sv o i d c o n t e n ti n c r e a s ei nt h i sc a s e s i n g l e s i z e dc o a r s ea g g r e g a t e sa r ef i t t e rt h a nc o n t i n u o u s g r a d e c o a r s ea g g r e g a t e s a ba f f e c tp o c ss t r e n g t ha n dv o i dc o n t e n ta tt h es a m et i m e m e na b i n c r e a s e ，t h ec o n t e n to f p a s t ei np o cd e c r e a s e ，w h i c hw i l lc a u s ep o c sc o m p r e s s i v es t r e n g t h d e c r e a s ea n dv o i dc o n t e n ti n c r e a s e ，o t h e r w i s et h er e s u l tw i nb ej u s tc o n v e r s e l y w 甩i sa m a i n l yf a c t o ri nt h ep r o c e s so fp l a c i n g ；r e l a t et oe v e r yk i n d so fc o a r s ea g g r e g a t e sa n da b ， t h e r ei sao p t i m u mw bf i tf o ri t a sf a r 船g r e e n i n gc o n c r e t ei sc o n c e m e d ，s e l e c t lo m m - 2 0 r a mc o a r s ea g g r e g a t e bv a r yb e t w e e n4 - - - - 6a n dw ，br a n g ef r o mo 2 6t oo 3 2 w i l lf i tf o ri t sp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s i nt h i sp a p e r ，f r o s tr e s i s t a n c eo fp o ci sr e s e a r c h e d a d s o r b i n go r d i n a r yp o r t l a n dc e m e n t 变壹盔兰堡主兰垡丝奎 c o n c r e t e sf r o s t i n g t h a w i n gt h e o r y , i n t r o d u c i n gt h er e s e a r c hr e s u l t so fw a t e rt r a i l s f e rp r o c e s s o nf r o z c ns o i l sm e c h a n i c s ，c o p i n gt h ec a s et h a tw h e np o cf r o s ti nr i v e rb a n k , t h ea u t h o r d e v e l o p e dat e s tp r o c e d u r ei nw h i c haw a r mr e s i s t a n c eb o xw a sd u ti nar e f i i g e r a t o ra n d f r o z e nl i n et r a n s f e rf r o ms a m p l e s s u r f a c et ot h es o i lb e l o w t h es a m p l e n l i st e s tp r o c e d u r ei s s u i t a b l ef o re v a l u a t eg r e e n i n gc o n c r e t e sf r o s tr e s i s t a n c e a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hr e s u l t si n t h i sp a p e r , p o cw i t h o u tf l ya s ha n dw h o s e c o m p r e s s i v es t r e n g t hh i g h e rt h a n15 m p ah a y ea g o o df r o s tr e s i s t a n tp e r f o r m a n c e n l i sk i n do fp o cc o u l db ew i d e l yu s e di nr i v e rb a n ki l l e a s t e r nc h i n aa r e a 、c e n t r a lc h i n aa r e a 、s o u t h e r nc h i n aa r e aa n d s o u t h w e s tc h i n aa r e aw h e r ed o n o tb ev e r yc o l di nw i n t e r k e y w o r d s ：p o r o u s g r a d e c o n c r e t e e c o l o g i c a la n de n v i r o n m e n t a lm a t e r i a l s a g g r e g a t e c o m p r e s s i v es t r e n 【g t h v o i dc o n t e n t f r o s tr e s i s t a n c e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 期：碰! 蟛乒 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 虢半珏名：地删形 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 混凝土是由胶结材( 无机的、有机的或无机有机复合的) 、颗粒状集料以及必要时加入 化学外加剂和矿物掺合料组分合理组成的混合料经凝结硬化后形成具有堆聚结构的复合材 料。自1 8 2 4 年英国人阿斯普丁( j a s p d i n ) 发明了波特兰水泥后，1 8 3 0 年就出现了以 水泥为胶凝材料的普通混凝土。普通混凝土由于具有原材料资源丰富、造价低廉、制作简 单、可塑性好、坚固耐久、维修费低、耐火耐震等优越特点，备受世人青睐，广泛应用于 工业与民用建筑、水利、地下工程、公路、铁路、桥梁、隧道、国防建设等工程之中。 据统计，全世界水泥年产量达到2 0 亿吨，混凝土年使用量大约为1 2 0 亿吨，可以说混凝土 是人类与自然界进行物质与能量交换活动中最大量使用的一种土木工程材料，它极大地改 善了人类的居住环境、工作环境和出行环境，在社会进步和物质文明发展过程中发挥了巨 大作用”1 。2 1 世纪，我国经济建设进入一个新的发展阶段，国家重点工程建设相继开工， 农村城市化进程快速推进，建筑和交通事业飞速发展，科学技术日新月异，这些必将为混 凝土材料的应用和发展提供更加广阔的空间。 但是，普通混凝土在为人类的文明进步做出巨大贡献的同时，也带来了一些不可忽视 的负面影响，主要表现在以下几方面： ( 1 ) 传统混凝土主要以高密实度、高强度作为其 配制目标，这种密实的混凝土应用于城市道路和广场工程时，缺乏透气性和呼吸性。城市 地表约有8 0 的面积被这种不透水、不透气的混凝土所覆盖，这就使雨水很难渗入到地下， 土壤中水分不断减少，严重影响了地表植被的生长，城市绿色面积减少，城市生态环境遭 到破坏；( 2 ) 随着现代工业的发展和居民生活水平的提高，对水的需求量不断增加，需 要汲取地下水以满足需求。市区内地下水的汲取使地下水位不断下降，而土壤中的水分得 不到应有补充，导致地表沉陷、地上建筑物开裂破坏。我国不少城市都被报道过由于地下 水的过量开采但得不到及时补充，引发了一些相关的问题。来自水利部海河水利委员会的 消息说，由于海河流域城市地下水超量开采的势头并未得到遏制，导致这一地区地面沉降 有逐渐加重的趋势。海河流域包括北京、天津、河北大部分地区以及山东、山西、内蒙古、 河南等部分地区，区域内共有2 6 个大中城市。据有关专家分析，海河流域如果按现在的地 下水开采强度，未来地面沉降将逐年加重。沧州沉降区上世纪末累计沉降量为2 米，预计 到2 0 1 0 年累计沉降量将达3 6 米；天津沉降区上世纪末最大累计沉降量为3 米，预计到 2 0 1 0 年累计沉降量将达到近3 6 米”3 。问题的严重性由此可见一斑。 ( 3 ) 高密实度的混 凝土阻断了大气与土壤物质与能量的交换通道，使空气中的热量和湿气很难与土壤进行交 换和循环，导致夏季城市温度比郊区和乡村高2 3 ，形成“热岛”效应；在集中降雨 季节，被混凝土覆盖的城市地表积水来不及渲泄，加重了城市排水系统的负担，容易造成 内涝和道路积水，影响城市交通和居民生活； ( 4 ) 传统混凝土色彩灰暗，表情呆滞，给 入以生硬、粗糙、灰冷的视觉效果，人们生活在被钢筋混凝土填充的城市里，感觉到远离 自然，缺少生活情趣；( 5 ) 普通混凝土组成材料之一的水泥在水化时，产生占水泥石体 积2 0 2 5 的c a ( o h ) 2 ，使得混凝土呈强碱性，p h 值高达1 2 1 3 。这种碱性可保证混凝土 东南大学硕士学位论文 中的钢筋不被腐蚀，但不利于地表植物和港湾混凝土工程附近的水中生物生长”。；( 6 ) 为 了发展经济和提高人民生活水平，我国自2 0 世纪8 0 年代以来进行了大规模的高速公路和 铁路修建、江河堤岸整治和城市河道改造工程，这些工程在进行边坡加固和堤岸铺砌时， 通常是使用密实的普通混凝土浇筑，这种做法破坏了原有的自然景观和生态平衡，不符合 保护环境和可持续发展的理念。 人r n 膨胀、资源短缺、环境恶化是当今社会可持续发展面临的三大问题”。保护地球 环境，寻求人类与自然的和谐共存，走可持续发展之路成为全世界共同关心的话题。我国 政府非常重视生态建设和环境保护工作，2 0 0 5 年1 0 月1 1 日中共十六届五中全会通过的中 共中央关于制定国民经和社会发展第十一个五年规划的建议中明确提出“建设资源节约 型、环境友好型社会”，“切实保护好自然生态，有效保护生物多样性，促进自然生态恢复”。 混凝土作为人类最大量使用的建筑材料，除了要求不断改善其性能之外，还必须考虑对环 境的负荷、资源和能源的消费及生态平衡等因素。日本早在1 9 9 6 年5 月召开了第5 0 届水 泥技术大会，主题是2 1 世纪的水泥和混凝土。从日本水泥协会会长木村道夫等人的报告中 可以看出，生态问题将是水泥混凝土面临的重大问题，是2 l 世纪水泥和混凝土领域的研究 热点 6 1 。综合国内外的共识，2 1 世纪混凝土的发展方向应该是生态环保型混凝土。 生态环保型混凝土是指能够减少给地球环境造成的负荷，同时又能与自然生态系统协 调共生、为人类构造更加舒适环境的混凝土材料。这种混凝土具有以下几方面特征：( 1 ) 具有与自然环境的协调性，能减轻对地球和生态系统的负荷，实现非再生性资源的可循环 利用；( 2 ) 具有良好的使用功能，能够为人类构筑温馨舒适、便捷的生活环境；( 3 ) 具 有比传统混凝土更高的强度和耐久性，能够满足结构物的力学性能、使用功能以及使用年 限的要求。生态环保型混凝土包括生态型和减轻环境负荷型两个大类：( 1 ) 生态型混凝土 即能够适应动、植物生长，对调节生态平衡、美化环境景观、实现人类与自然的协调共生 具有积极作用的混凝土材料。有关这类混凝土的研究和开发还刚刚起步，它标志着人类在 从事土木建筑活动、生产和使用混凝土材料的过程中，已经建立起要保护地球环境、维护 生态平衡的意识，标志着人类在处理混凝土材料与环境的关系中采取了更加积极，主动的 态度。( 2 ) 减轻环境负荷型混凝是指在混凝土的生产、使用直到解体的全过程中， 能够减轻给地球环境造成的负担。这类混凝土包括在生产阶段使用免烧水泥和混合材料， 减少由于煅烧水泥而产生的c 0 2 气体排放量；采用工业废渣制造骨料；在混凝土解体时， 将废弃的混凝土再生利用等方面。 多孔混凝土就是在这种背景下新兴发展起来的一种生态环保型混凝土材料。这种混凝 土所用的原材料与普通混凝土基本相同，但在配制时不使用细集料，仅靠由水泥及其它掺 合料组成的水泥浆体包裹单一级配的粗集料，经凝结硬化后形成具有宏观空隙的多孔结构。 多孔混凝土主要有以下几方面的生态环保用途：( 1 ) 透水性混凝土道路铺装和路面 主 要应用于公园、入行道、轻量级车道、停车场及各种体育场地。与普通混凝土路面相比， 多孔混凝土透水性路面能使雨水迅速渗入地表，还原成地下水，改善城市地表植物和地下 微生物的生存条件；能吸收地表热量，消除城市“热岛”效应；能吸收车辆行驶时产生的 噪声，并防止路面积水和夜间反光，提高车辆、行人的通行舒适性和安全性； ( 2 ) 绿化 混凝土是指能够适应绿色植物生长、迸行绿色植被的混凝土及制品。绿化混凝土主要应 用于城市道路的两侧及中央隔离带、河堤护岸、道路边坡、楼顶、停车场等部位。可以增 加城市路面上和道路两侧的绿色空间，调节人们的生活情趣，以实现改善自然生态环境、 2 第一章绪论 与自然协调共生的目的； ( 3 ) 吸音混凝土噪音已成为现代社会的一大公害，而机动车 交通产生的噪音大约占噪音来源的l 3 ，尤其是高速公路交通流量大，车速快，且夜间交 通量日趋增大，对道路两侧居民的生活构成极大困扰。多孔混凝土具有连续、多孔的内部 结构，具有较大的内表面积。将用多孔混凝土制作的吸音壁直接暴露面对噪音源，入射的 声波一部分被反射。大部分通过连续的孔隙被吸收到混凝土内部，其中有一小部分声波由 于混凝土内部的摩擦作用转换成热能，而大部分声波透过多孔混凝土层，到达多孔混凝土 背后的密实混凝土板表面再被反射，这部分被反射的声波从反方向再次通过多孔混凝土向 外部发射。在此过程中，它与入射的声波有一定的相位差，由于干涉作用相互抵消一部分， 对减小噪音效果明显；( 4 ) 海洋及水域生物适应型混凝土随着港湾及近海工程建设量 日益加大，大量的、单一性质的钢筋混凝土结构物取代自然海岸，使海洋生物的生存空间 日益减少，因此使近海生态系统的生物多样性逐渐减退，海岸及近海生物的生存环境日益 恶化。多孔混凝土内部具有各种尺度的连通空隙，有较大的内表面积，容易在内部形成生 物膜。将多孔混凝土构件放置于海水中，好气性和嫌气性微生物细菌类、藻类、微小动物 等能够附着于孔表面，利用细菌类和微小动物类的代谢作用能够起到形成各种海洋生物链、 恢复海洋水域生态系统的作用；( 5 ) 多孔混凝土还可用于海水及污水的水质净化，其原 理在于：在多孔混凝构件及其内部形成细菌生物膜，当污水通过生物膜时，利用细菌群 落的有机分解作用达到净化水质目的。 1 2 多孔混凝土的研究和应用现状评述 l2 1 国外研究和应用现状 从文献报道来看”，2 0 世纪4 0 年代在欧洲国家最早开始研究和应用多孔混凝土材料， 但由于强度低、孔隙率大限制了它早期的应用范围。在英国，1 9 7 0 年曾尝试将无砂多孔透 水性混凝土浇筑成常规刚性混凝土路面。该路面早期使用效果很好，直到1 0 年后，由于冻 融作用而遭到破坏。在美国，1 9 7 9 年在佛罗里达州s a r a s o t a 地区的一座教堂附近，首次 使用无砂多孔混凝土建成了具有透水性的停车场，并取得了透水性混凝土专利。该透水性 混凝土的2 8 天抗压强度为2 6 2 m p a ，透水能力为1 6 m m s ，具有良好的透水效果，同时能 满足强度要求。从此以后，透水性混凝土在美国开始推广使用。自2 0 世纪8 0 年代开始， 美国出现了专门的透水性混凝土搅拌站对这种混凝土实行商业供应。1 9 9 1 年在佛罗里达州 成立了“透水性波特兰水泥混凝土协会”，对透水性混凝土的使用提供技术指导。在法国， 透水性混凝土大量应用于网球场，法国有6 0 的网球场是用多孔透水性混凝土修建的。日 本是对多孔混凝土的研究和应用较多的国家。1 9 8 7 年开始有日本研究者申请多孔透水性混 凝土材料的专利。2 0 世纪9 0 年代起，日本最早开始研究多孔连续型绿化混凝土，将多孔 混凝土作为骨架，在其内部填充保水性材料，表面覆以薄层客土并种植各种植物，达到加 固和绿化道路边坡、河堤护岸的目的”1 。吸音和水质净化混凝土的应用在日本也有报道。 2 0 0 1 年4 月，日本“先端建设技术中心”制定了植生型多孔混凝土河川护岸工法，以推进 具有生态效应的植生型多孔混凝土应用进程”1 。 东南大学硕士学位论文 1 2 2 国内研究和应用现状 国内对于生态环保型多孔混凝土的研究和应用还处于起步阶段。同济大学陈志山等从 1 9 9 7 年开始进行生态型多孔混凝土净水技术研究，应用于污染河道和生活小区污水处理， 水质可以达到或优于城市污水处理厂二级处理的排放标准，取得了相关的4 项技术专利“。 南京工业大学奚新国等进行了低碱度生态混凝土的初步研究，以粉煤灰为主要原材料配制 低碱度生态多孔混凝土。在实验室内所配制的多孔混凝土9 0 天p h 值为9 0 1 0 5 以下， 孔隙率为2 7 7 4 ，9 0 天抗压强度在0 7 2 m p a 1 7 0 m p a 之间“。扬州大学徐飞等进行了无 砂多孔混凝土配合比研究，引入无砂多孔混凝土拌合物稠度等级的概念，提出了无砂多孔 混凝土配合比设计优化方法，所配制多孔混凝土2 8 天抗压强度在6 4 m p a 1 2 6 m p a 之 间“。重庆交通科研设计院魏涛等研制出一种结合圬工防护与生态防护的植被混凝公路 护坡技术，多孔混凝土的抗压强度为7 ，0 m p a ，抗折强度为1 7 m p a ，平均孔隙率为2 9 6 。 利用多孔混凝土作为植物生长的载体，在多孔混凝土护坡上种植草萍植物，达到了绿化美 化公路景观的效果1 。此外。中国建筑材料科学研究院进行过无砂多孔混凝土透水砖的研 究，吉林水利实业公司等单位进行过多孔混凝在水坝护坡上的应用研究。 1 2 3 现有研究中存在的主要问题 从以上研究应用现状可以看出，国外对生态环保型多孔混凝土的研究和应用起步较早， 在某些方面已形成一些成熟的技术，并有一定规模的应用范围。从实际应用效果看，确实 取得了一些令人兴奋的成果，体现了多孔混凝土的生态环保应用价值，预示了这种混凝土 材料良好的发展前景。国内对多孔混凝土的研究起步较晚，而且各个研究单位都局限在多 孔混凝土某一方面性能的研究，没有形成综合配套的成熟技术，技术缺陷较多，实际应用 还没有推广。综合国内外的研究现状，目前尚存在以下一些需要解决的技术问题； ( 1 ) 多孔混凝土抗冻性试验理论和方法尚是一片空白 多孔混凝士无论是应用于道 路、广场铺装和水质净化，还是应用于河堤大坝边坡的绿化加固等方面，都是直接暴露于 大气环境中，并且经常会受到雨水、河水的浸泡作用，在寒冷的冬季不可避免会遭受到冻 融破坏作用。前己述及，1 9 7 0 年在英国最早铺设的一条多孔混凝土透水性路面就是因为遭 受冻融作用而最终破坏的。可见，研究多孔混凝土的抗冻性，对于深入掌握多孔混凝土的 性能和大范围推广应用，具有十分重要的现实意义。但是，国外至今极少有人从事这方面 的研究工作，国内目前在这一领域还是一片空白。同时，由于多孔混凝土的组织结构与普 通混凝土存在很大不同，普通混凝土的抗冻性试验方法对多孔混凝土己不再适用。研究多 孔混凝土的抗冻性必须根据其实际用途和环境气候因素，探索出一条适用的抗冻性理论和 试验方法； 2 多孔混凝土的制作成型工艺不成熟配制多孔混凝土时不用细集料，仅靠水泥浆 体把粗集料粘结在一起，形成多i l 堆聚状结构。因为多孔混凝土所用的材料和组织结构都 与普通混凝土不同，因此普通混凝土的配合比设计方法和成型工艺显然不再适用于多孔混 凝土。目前国内外不少研究人员对多孔混凝土的配制和成型工艺进行了研究报道，但方法 不尽相同，技术尚不成熟； 3 多孔混凝土的配合比设计方法不完善 由于原材料和组织结构不同，普通混凝土 配合比设计方法不再适用于多孔混凝土。国内外虽然有关于多孔混凝土配合比设计方法的 研究，但无法通过配合比预测混凝土强度，理论不成熟，可靠性差，技术缺陷多； 4 第一章绪论 4 对多孔混凝土的基本性能及其影响因素研究不够，性能测试方法不完善。 1 3 本论文的研究内容和意义 本论文的研究内容是： 一 多孔混凝土的基本性能研究 。 ( 1 ) 粗集料级配对多孔混凝土的性能影响研究选用多种不同粒径范围的单一粒径 粗集料配制多孔混凝土，研究对抗压强度、抗折强度、空隙率、透水系数等的影响； ( 2 ) 最佳水灰比研究最佳水灰比的范围一般介于o 2 2 0 3 2 之间，水泥浆体流 动度应控制在1 9 0 m m 2 2 0 m m 之间； ( 3 ) 水泥用量对多孔混凝土的性能影响规律研究； ( 4 )不同的水泥浆体组成材料对多孔混凝土的收缩特性及其它各种性能影响研究。 二多孔混凝土配合比设计方法研究 ( 1 ) 根据现有的多孔混凝土配合比设计程序，研究其可靠性和适用性； ( 2 ) 找出配合比设计中粗集料用量系数( ) 的准确值； ( 3 ) 找出满足植物生长型多孔混凝土性能要求的原材料配合比范围。 三多孔混凝土成型工艺研究 ( 1 ) 与不同的水灰比及水泥用量相应的最佳振动时间研究 ( 2 ) 多孔混凝土强度测试时表面处理方法研究。 四多孔混凝土的耐久性一一抗冻性研究 ( 1 ) 找出适用于评价多孔混凝土抗冻性的试验方法 ( 2 )不同组成材料对多孔混凝土抗冻性的影响研究 ( 3 ) 探讨多孔混凝土的冻融破坏机理； ( 4 ) 改善和提高多孔混凝土抗冻性途径的研究。 通过本论文的研究，将使多孔混凝士配合比设计理论更加完善，制作成型工艺更加成 熟，试验手段和测试方法更加合理，并对多孔混凝土抗冻性理论和试验方法这一关键技术 进行探索。本论文的研究将加深对多孔混凝土性能的认识，有利于多孔混凝土的推广和应 用，为我国的建筑材料技术和生态环保事业作出贡献。 5 第二章试验原材料及试验方案设计 第二章试验原材料及试验方案设计 2 1 原材料选用概述 多孔混凝土在配制时不用细集料，由水泥浆体包裹在粗集料表面，仅靠被水泥浆体包 裹的单一粒径粗集料在一定的成型条件下相互粘结，经凝结硬化后形成具有宏观空隙的多 孔堆聚结构。多孔混凝土的组织结构可用图2 1 所示模型描述： 踺 成型前 成型后 多孔混凝土理想结构模型多孔混凝土实物照片 ( 图中空白为孔隙) 图2 1 多孔混凝土结构模型 由多孔混凝土的结构模型可知，多孔混凝土在承受荷载应力时是通过粗集料之间的水 泥浆体凝结硬化后形成的胶结点传递应力的，胶结点强度的高低很大程度上决定了多孔混 凝土强度的高低。因此，为提高多孔混凝土的强度，首先应配制高强度的水泥浆体，本试 验中选用高强度等级的p i i5 2 5 硅酸盐水泥。为了在多孔混凝土内形成宏观连通的空隙， 必须选用单一粒径的粗集料；而且，粗集料的粒径范围不同，其自身空隙率不同，由此会 直接影响到所配制多孔混凝土的内部孔结构和空隙率。 为了改善用于配制多孔混凝土的水泥浆体性能，需要使用具有不同性能的掺合材料。 本论文试验中分别掺加特细砂、粉煤灰、矿粉等矿物掺合料，并选用高效减水剂降低水灰 比。 2 2 原材料性能 2 2 1 水泥 p i i5 2 5 硅酸盐水泥，江南一小野田水泥有限公司生产，各项化学成份和物理性能 指标如表2 1 和表2 2 所示。 6 东南大学硕士学位论文 表2 1水泥化学成份( m a s s ) l o i ：l o s so f i g n i t i o n 烧失量 表2 2 水泥的物理力学性能 2 2 。2 粗集料 选用5 种单一粒径粗集料，优质玄武岩，各项物理性能指标按公路工程集料试验规程 ( j t j0 5 8 - - 2 0 0 0 ) 测试，如表2 - - 3 所示 表2 - - 3 粗集料物理性能指标 5 2 03 0 1 2 9 3 0 0 2 32 9 3 4 71 7 8 6 91 9 9 2 44 0 6 93 3 8 7 1 0 2 02 8 8 6 52 8 5 2 52 8 3 4 71 5 8 1 61 7 3 8 54 5 2 1 3 9 7 7 1 0 1 62 8 9 9 92 8 4 6 8 2 8 2 3 71 5 6 4 21 7 0 3 44 6 0 64 1 2 63 0 4 1 6 2 02 8 7 8 22 8 3 3 92 7 8 6 81 5 3 0 8 1 6 5 8 74 6 ，8 14 2 3 7 2 0 2 52 7 3 2 92 5 9 4 72 5 5 6 21 4 3 7 31 5 1 0 54 7 4 14 4 7 3 2 2 3 粉煤灰 南京热电厂生产的低钙i 级粉煤灰，化学成分如表2 4 所示。密度为2 0 4 9 c m 3 ，需 水量比0 9 5 ，细度( 4 5 i j m 筛筛余) 6 。 7 第二章试验原材料及试验方案设计 表2 4 粉煤灰和矿粉的化学成份 l o i ：l o s so f i g n i t i o n 烧失量 2 2 4矿渣微粉 南京江南粉磨有限公司生产的钟山牌$ 9 5 矿渣微粉，化学成份如表2 4 所示。 密度 2 8 6g c m 3 比表面积5 9 0m 2 k g 。 2 2 5特细石英砂 安徽风阳县风城粉体材料厂生产，细度1 0 0 目( 相应通过的网孔尺寸为0 1 8m m ) ，s i 0 2 含量为9 9 1 2 $ ，f e 2 0 3 含量为0 0 3 。 2 2 6 减水剂 江苏博特新材料有限公司生产的j m b 型萘系高效减水剂，粉剂，主要成份为b 一 萘磺酸亚甲基高聚物，减水率达2 0 以上。 2 2 5 水 普通自来水 2 3试验方案设计及试验方法 2 3 1多孔混凝土的成型工艺研究 与普通混凝土相比，多孔混凝土使用的原材料不同一一不用细集料，仅由水泥浆体包 裹单一级配粗集料；组织结构不同一一具有宏观连通空隙的多孔堆聚结构。这种特殊性决 定了多孔混凝土的搅拌及成型工艺不能采取与普通混凝土相同的方法。日本有相关资料报 道了一些制作成型工艺，但要求有与之相应的成型机具，并且也存在一些技术缺陷，成型 工艺不尽成熟。本论文根据混凝土施工过程中通常会采用的几种方法，从以下几方面对多 孔混凝土的成型工艺进行研究： 1 与不同的水灰比及水泥用量相应的最佳振动时间研究 水灰比决定了水泥浆体的稠度和流动度，水泥浆体用量的多少决定了多孔混凝土的强 度和空隙率。配制多孔混凝土至关重要的一点是，既要使粗集料达到最理想的均匀和密实 s 东南大学硕士学位论文 状态，集料之间相互紧密嵌挤形成胶结点以提高强度，又要保i i e 带d 作、施工过程中顶层的 水泥浆体不至于流淌致底部，将底层空隙堵塞。在这个过程中，控制振动时间是非常重要 的。本论文试验中，将新拌多孔混凝土入模后放置于振动台上，用秒表计时，分别振动不 同的时间，观察多孔混凝土的均匀、密实程度并测试其抗压强度，据此确定最佳的成型振 动时间。 2 多孔混凝土强度测试时表面处理状况研究 多孔混凝土不仅内部有连通空隙，而且表面上也有“沙琪玛”状的多孔结构，这种外 表面的多孔结构对强度测试结果是否有影响? 如何处理混凝土表面才能更准确地反映混凝 土的测试强度? 这些都是目前尚无人研究的方面。本论文通过对同一种配合比的多孔混凝 土试件，在表面抹砂浆处理和不抹砂浆处理时两者抗压强度上的差异，探索表面状况对多 孔混凝土强度测试时的影响规律，以便于作为多7 l 混凝土强度测试时的一种标准性方法。 2 3 。2 多孔混凝土配合比设计方法研究 国内外一些单位和学者曾经对多孔混凝土的配合比设计方法进行过一些研究，取得了 一些有益的成果。目前国内外进行无砂多孔混凝土配合比设计时。一般多采用查表法、图 示法、计算公式法等等，我国常用的是计算公式法。但是，多孔混凝土配合比设计受多种 因素的影响，如魍骨料的品种和级配，颗粒的形状、水灰比、单方混凝土水泥用量、成型 方法及养护条件等，尤其是水灰比、单方混凝土水泥用量两参数对多孔混凝土的强度、空 隙率、渗透系数有很大影响。用现行方法求配合比往往有偏差，而且试配工作量大，不经 济。随着多孔混凝土应用范围的不断扩大配合比不合理的问题急待解决l l “。本论文选用 粒经l o m m 2 0 m m 的单一粒径粗集料，采用同一种水灰比w c = o 2 8 ，分别按粗集料与水 泥的体积比( c ) 为5 、6 、7 ，拌合多孔混凝土混合料，用5 升金属量筒测量拌合前后粗 集料体积的变化，由此确定配合比设计中的体积系数a ；将测算出来的系数d 应用于公式 法多孔混凝土配合比设计程序中，验证程序的准确性并对公式作适当调整，以找出合理的 配合比设计方法。 2 3 3 多孔混凝土的基本性能研究 1 韫集辩级配对多孔混凝土的性能影响研究 粗集料粒径不同，其自身的振实密度和空隙率不同，这些性质不仅与多孔混凝土的强 度有关，而且还与其孔隙率、渗透性、耐久性等其它性能密切相关，因此是配制多孔混凝 土的关键内容之一。本论文试验采用1 种连续级配粗集料和4 种单一粒级粗集料配制多孔 混凝土，分别成型抗压强度、抗折强度、透水系数试侔，到达规定龄期后分别测试其强度、 空隙特征及透水系数，考察粗集料级配对多孔混凝土性能的影响规律。 2 最佳水灰比研究 在多孔混凝土中，水灰比不仅会直接影响水泥浆体的强度并进而影响多孔混凝土的强 度，更重要的是水灰比决定了水泥浆体的流动度，决定了多孔混凝土能否按要求配制成型。 水灰比过大则浆体流动度大