（材料学专业论文）透水性混凝土路面材料的制备及性能研究.pdf

东南大掌硕士掌位论文摘要 摘要 在城市化进程中，城市的地表逐步被建筑物和混凝土等阻水材料硬化覆盖这些不透水的路面 给城市的生态环境带来极大的负面影响。透水性混凝土是一种生态型环保混凝土，是一种经过特殊 工艺制成的具有连续孔隙的混凝土，既有一定的强度，又有一定的透气透水性。透水性混凝土铺装 可以缓解城市雨洪，提高汽车行驶的安全性和舒适性，减少雨天打滑、眩光，吸声降噪，缓解城市 热岛效应。 本文针对透水性混凝土路面材料的制各、配合比设计、强度、透水性能及其在声、热方面的环 保性能进行了探讨和研究。针对透水性混凝土的结构特点设计了模具，并通过对多种压力成型试件 确定了透水性混凝土合适的成型压力，在本研究条件下，成型压力为3 m p a 。本文利用填充包裹理论 法设计了透水性混凝土的配合比。对于透水性混凝土的强度，针对水灰比、孔隙率与混凝土强度的 关系进行了研究，推荐透水性混凝土的水灰比范围为02 0 2 5 ，目标孔隙率为1 5 1 8 ，另外 还使用较小粒径集料，掺入矿物掺合料和聚合物来提高透水性混凝土的强度。在以上研究的基础上 制备了符合j c 4 4 6 - - 2 0 0 0 1 0 m m ，( 0 1 0 ) ： 5 m m ，( 9 5 4 0 ) ： 2 5 m m ，( 1 0 3 ) 。此外，集 料自身的强度( 包括抗压强度、抗折 霉 辟 求 妞 捌 嘲 9 筛孔尺寸r a m ) 图2 1 集料的级配曲线 1 一 ：f、。11l，。，、l 东南犬掌硕士学位论文第= 幸试验原材料与试验方法 强度、抗拉强度) 、颗粒形状均有一系列的要求，一般宜采用碎石【2 4 】。要求针、片状颗粒含量按重量 计不大于1 5 ，碎石中的含泥量( 包括含粉量) 不宜大于1 。骨料粒径越小，比表面积越大，所形 成的结构骨架单位体积内集料颗粒之间的接触点数量多，胶结面积越大，从而提高透水性混凝土的 整体强度。试验所用集料的级配如图2 1 所示。 表2 4 几个国家推荐采用的透水性混凝土路面的集料级配”3 2 1 3 外加剂 江苏省建筑科学研究院的j m b 型萘系高效减水剂，具有非引气、超塑化、高效减水和增强等功 能。 2 1 4 水 普通自来水 2 1 5 增强剂 有机增强剂采用苏州建筑科学研究院有限公司的s j 一6 0 1 改性剂，它采用v a e 与丙烯酸乳液共 混复合交联的技术。是一种乳白色状液体，固含量为4 1 ，比重为1 0 8 9 m l ，p h 值为5 。 2 1 6 粉煤灰 南京热电厂提供的低钙i 级灰( f ) ，需水量比0 9 5 ，密度2 2 k g m 3 ，细度1 2 ，化学成分见表 2 5 。 2 1 7 硅灰 华联外加剂厂提供的的硅灰( s f ) ，密度2 1 0 k g m 3 ，化学成分如表2 5 所示。 表2 5 粉煤灰、硅灰化学成分( m a s s ) 1 0 东南大学硕士学位论文 第= | 试验原材料与试验方法 2 2 试验方法 2 2 1 试件成型及养护 对于复合式透水性混凝土的搅拌是分两部分，一是基层混凝土的搅拌：将集料、水泥等原材料 先混合均匀，再加入水及外加剂搅拌，搅拌时间为9 0 秒：另一种是面层混凝土的搅拌：首先将颜料 与水泥拌和均匀，再与集料混合均匀，然后加入水及外加剂搅拌9 0 秒即可。对于单层式透水性混凝 土的搅拌与复合式的基层搅拌方式相同。 透水性混凝土的成型选取两种方法： 在实验室采用静压成型，利用设计的特定耐压模具，通过一系列压力试验确定合适的压力范围， 最后采用成型压力为3 m p a 。对于复合层的试件，采用分别称量、分别搅拌，一次布料，一次加压的 方法成型。 另一种在实验室进行的成型工艺是振动成型，将装好混合料的模具放在振动台上，并在模具上 加配重块，开动振动台段时间，停止振动后用抹刀修平表面。 采用三种试件尺寸，2 0 0 r a m l o o m m 6 0 r a m 试件，用于抗压强度、抗折强度试验测定这是按照 我国建材行业标准混凝土路面砖j c 4 4 6 - - 2 0 0 0 中的规定执行的；0 1 0 6 m m 1 5 0 r a m 试件，用于测 定透水性混凝土的透水性能、模拟日照试验用：中9 8 m m x 6 0 m m 试件，用于透水性混凝土吸声性能的 测定。 研究中采用了两种养护方法，一是放入养护室标准条件下养护一定龄期，标养条件是：温度为 2 0 3 ，相对湿度为9 0 以上。 另一种养护方法是为了加速硬化采用的蒸汽养护，试件成型后带模放入养护箱内，升温2 小时， 恒温8 小时，降温3 小时，恒温温度为8 0 。 2 2 2 性能测试方法 1 抗压强度 仪器：n y l - - 2 0 0 0 d 型压力试验机与抗压夹具。压力机精度不低于二2 ，抗压夹具由硬钢制成， 加压板长1 2 0 m m ，宽为6 0 m m ，加压面必须磨平。 加荷速度应为：混凝土强度等级低于c 3 0 时，取每秒钟0 3 0 5 m p a ；混凝土强度等级高于或 等于c 3 0 时取每秒钟0 5 o 8 m p a 本实验中测试的试件强度不高，所以取每秒钟0 3 0 5 m p a 。 按下式计算抗压强度： p f = 二_ ( 2 1 ) 。 4 式中：_ ，：_ 试件的抗压强度，m p a ； p 试件破坏时所受的破坏荷载，n ； 爿承压面积，m m 2 ，这里a = 7 2 0 0m m 2 2 抗折强度 仪器：液压万能试验机 对于2 0 0 m m l o o m m 6 0 r a m 的试件，将其放在液压压力机上，按如图2 - 1 方法放置，并按下式计 算抗折强度 ( 精确到0 o i m p a ) 乃：黑 ( 2 2 ) ，2 丽 。2 2 式中乃试件的抗折强度，m p a 1 1 东南大掌硕士掌位论文 第= 章试验原材牵- 与试验方法 p 试件破坏时所受的破坏荷载，n ； 支座间距，： 6 试件截面尺寸，【l l i n ； 试件高度，i n m 3 孔隙率 透水性混凝土中的孔隙有三种：第一种是封闭的孔隙；第二种是开口但不连续的孔隙，我们称 其为“布袋型”孔隙。这两种孔隙的过多存在对混凝土的透水性是不利的；第三种是贯穿混凝土且 连续的有效孔隙，它的存在是透水性混凝土透水性的保证。 日本透水性混凝土河川护堤施工手册中提出的连续孔隙率测试方法如下。首先测量试件外 形尺寸，并计算出试件的外形体积：将试件浸泡在水中使其饱水后称其在水中的重量形：取出试 件空干多余的水并擦干表面，并按一定时间间隔称量重量，待稳定后确定其为试件在空气中的重量 图2 1 抗折强度试验示意图 ，则透水性混凝土的连续孔隙率p 按2 3 式计算： p = ( 一半) x 1 0 0 ( ， s ， 研究中所测定的孔隙率是不包含封闭和“布袋型”的孔隙率，即有效孔隙率，方法如下 1 ) 将试件放入1 0 5 5 c 的烘箱中烘至恒重，取出放在干燥器里冷却至室温，用直尺量出试件的 尺寸，并计算出其体积v ； 2 ) 在静力水天平上，将一金属丝筒全部浸于水中，挂在电子称上，称出其在水中的视重用，； 将试件放在该金属丝筒中，使试样全部浸入水中，并保持水面高度不变。排除气泡后，测试试样和 金属丝筒在水中的总视重为m ，： 3 ) 取出试件，称量试件在饱和面干状态时的重量豫； 4 ) 按下式计算试件的孔隙率尸( 精确到01 ) ： p = ( ，一掣) 枷。 a ， 4 透水性 东南大掌硪士学位论文 第= 章试验原材料与试验方法 根据日本透水性混凝土的透水系数的测定方法实施。并依据其方法制作了相应的试验仪器。将 在第五章中详细介绍。 5 抗冻性 抗冻性试验参照建材行业标准混凝土路面砖j c 4 4 6 - 2 0 0 0 规定的抗冻性试验方法 进行的。方法如下，试件应进行外观检查，将缺损、裂纹处作标记，并记录其缺陷情况。随后放入 温度为2 0 1 0 的水中浸泡2 4 h 。浸泡时水应高出试件约2 0 m m 。 从水中取出试件。用拧干的湿毛巾擦去表面附着水，即刻放入预先降温至一1 5 1 ；的冷冻箱内， 试件间隔不小于2 0 r a m 、待温度重新达到一1 5 。c 时计算冻结时间，每次从装完试件至温度达到一1 5 所需时间不应大于2 h 。在一1 5 c 的冻结时间按试件厚度而定：厚度小于6 0 m m 的试件为不少于3 h ； 厚度大于或等于o o m m 的试件为不少于4 h 。本研究的试件厚度为6 0 m m ，采用4 h 的冻结时间。然后， 取出试件立即放入2 0 i o c 水中融解2 h 。这个过程为一次冻融循环。依次进行2 5 次冻融循环。 冻融循环结束后，检查试件表面剥落、分层、裂纹及裂纹延长的情况。最后进行强度试验，强 度损失率按式2 5 计算； 。厂：立当1 0 0 ( 2 5 ) ) ： 式中：，冻融循环后的强度损失， 正试件冻融前的强度，m p a ； 工。试件冻融后的强度，m p a 6 吸声性 吸声系数是描述吸声材料的吸收声能大小的物理量。它定义为：吸声材料所吸收的声能和入射 声能之比。测量材料的吸声系数，一般采用驻波管法和混响室法，前者所测量的是法向吸声系数， 后者测量的是无规入射的吸声系数。因前者多用于测量多孔材料、多孔板或穿孔薄片 洌朝f + 前料w l 御 口 道严4 ，潲“7 罐7 谶“ 尸 t1 l 一 ，zl 一”一一一 图2 2 吸声系数测量装置示意图 结构的吸声特性，所以本研究采用的是前者驻波管法。测量装置见图2 2 。测量步骤按照国标 g b 3 8 8 - - 8 5 “驻波管法吸声系数与声阻抗测量规范”中的有关规定进行分别测量了频率1 2 5 、1 6 0 、 2 0 0 、2 5 0 、3 1 5 、4 0 0 、5 0 0 、5 6 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 处的法向吸声 系数口。 7 透水性混凝土铺装对地表的降温试验 1 3 东南大掌硕士掌位论文第= 章。试验原材料与试验方法 本文重点探讨透水性混凝土的蒸发降温作用。为了模拟太阳辐射作用下的透水性混凝土铺装的 蒸发过程，我们利用两盏1 0 0 0 w 的碘钨灯照射来模拟太阳辐射，用立式风扇模拟自然风效果。首先 用精密电子天平( 精度为0 i g ) 称取试样干重，用钢尺测量试样外观尺寸，计算试样表观体积，然 后将试样在水中浸泡2 4 小时，使水分试样内部，测试试样孔隙率。实际地面铺装的蒸发大部分是通 过地面的表面进行的，因此在试验中将试样下底面用塑料薄膜和胶带密封，只留出试样的上表面作 为蒸发面。碘钨灯距试样表面垂直距离4 5 c m ，风扇距试样水平距离为4 0 c m 。采用清华同方r h a t 一3 0 l 型数字式风速仪测量风速，实际测定风扇的风速为3 3 m s 。碘钨灯的辐射量用太阳总辐射测定仪 d f y 2 测量总辐射量，实际测定钠钨灯的辐射强度为1 3 0 7 w m 2 。试样采用p v c 圆管成型，圆管内柱形 试样高1 5 0 m m ，直径中1 0 6 m m 。试验每隔一定时间( 1 h ) 用精密天平称量试样的重量，相邻时刻的水损 失量即为该段时间内试样的蒸发量。同时用r a y t e k 非接触红外测温仪测定试样表面5 处温度，如图 23 所示，取平均值。特定时间段内试样的蒸发强度是对应时间段蒸发量除以该试样的表面面积。 图2 2 表面温度测试点示意图 1 4 东肃大掌硕士掌位论文 第三j # 透水性混凝土路面材半 的制备 3 1 概述 第三章透水性混凝土路面材料的制备 透水性混凝土路面材料属于环保型、生态型混凝土材料，具有透水性和透气性，其基本组成材 料与普通混凝土材料没有本质的区别，所不同的是普通混凝土总是想方设法减少孔隙率，以使其密 实，达到高强度及高耐久性的目的而透水性混凝土通过采用特殊的材料配方，在路用性能满足基 本要求的同时，仍能实现其结构多孔且连续的特点，使其具有良好的透水性。在集中降雨的时候， 雨水可以通过连通孔隙及时渗入地下，达到迅速排水及补充地下水资源的目的，配以相应的雨水收 集设施，还可以节约水资源。 目前，在市政建设中铺设透水性混凝土路面已受到国家有关部门和社会各界的高度重视和欢迎! 这种透水性路面材料可用于道路路肩及中央隔离带、城市道路两侧的人行道、小区、庭院、停车场、 商业街、广场、河道两岸的护坡、公园内道路及平地、轻交通道路等。 本章以制备透水性混凝土路面砖为主，对透水性混凝土路面材料的配合比设计方法，制备工艺 进行了研究。 3 2 透水性混凝土的配合比设计 3 2 1 配合比设计原则 目前透水性混凝土的配合比设计在国内还没有比较成熟的设计方法，由于透水混凝土与普通混 凝土在结构上有很大的差异，因此采用传统的混凝土配合比设计方法不能满足透水性混凝土的大孔 隙率、透水的特性。 日美等发达国家对透水性混凝土的研究开展较早，他们在透水性混凝土配合比设计方面的技术 相当成熟。尤其是日本在这方面做了大量的研究，因此我们借鉴了日本的方法，提出一种适合透水 性混凝土的配合比设计方法。其基本思路类似于碾压混凝土的填充包裹理论。填充包裹理论的设想 是碾压混凝土由液相变为固相的理想条件是“： ( 1 ) 砂的空隙恰好被水泥浆所填充； ( 2 ) 石子的空隙又恰好被砂浆所填充，凝固后形成坚固的密实整体。 根据透水性混凝土所要求的孔隙率和透水的特性，可以将这个理论改为：集料在紧密堆积的情况下， 被水泥等胶结材均匀的包裹粘结在一起，凝固后形成了多孔堆聚的结构，其剩余的空隙变成了混凝 土内部连通的孔隙。图3 1 是配合比设计流程图。 3 2 2 配合比参数的确定 透水性混凝土配合比参数有强度，目标孔隙率、水灰比。 透水性混凝土的强度受多种因素的影响，有原材料的性能( 如水泥品种与标号、集料品种与级 配，外加剂与增强剂性能等) 、水灰比、孔隙率、成型方法和养护条件等方面的影响。在实际应用中 根据透水性混凝土用途的不同对强度有不同的要求，比如用于植生护坡的对强度要求不高，强度达 到1 0 到2 0 m p a 就可以满足要求：用于路肩和路面砖的抗压强度要达到2 5 m p a ；用于人行道和轻交通 的要达到3 0 m p a 。在配合比设计时，根据实际用途选取合适的强度标准。本研究透水性混凝土路面 砖用于路面，强度要求为2 5 m p a 以上。 目标孔隙率要考虑到应用中的需要，植生的混凝土要给予植物生长的空间及所需养分的贮存， 孔隙率要求2 0 上；用于路面的，在考虑强度的前提下，孔隙率为1 5 到2 0 为宣，这也是本研究应 用的孔隙率范围。 15 东南大掌硕士掌位论文 第三章透水性混凝土路面材料的制备 图31 配合比设计流程图 透水性混凝土的水灰比决定着浆体流动性，水灰比大则浆体流动性大，被包裹的集料表面光滑， 但浆体易滴淌，聚积在试件的底部，不利于连通孔隙的形成。透水性混凝土浆体的流动性可以用跳 桌法测试的流动度值表示，流动度越大，稠度越小”。对于同种浆体，流动度值因集料的种类和粒 径大小而不同，根据试验所用集料的种类和粒径大小( a l o 2 0 m m 、b 5 l o m m 、c 2 5 s m m ) 分别拌 制浆体流动度值为1 4 0 ，1 6 0 ，1 8 0 ，2 0 0 的多组试件，并通过试验测出它们的抗压强度、实际孔隙率 和透水系数找出最合适的流动度范围，然后根据结果选定合适的水灰比范围。 图3 2 中的图线表明孔隙率随着流动度值的增加而减小。这是因为流动性好的浆体可以很好的 填充粗集料的孔隙。另一方面，用a 集料成型的透水性混凝土孔隙率在流动度值2 0 0 m m 处突增，这 是因为这时浆体的高流动性使浆体滴落积聚的原因，而粒径较小的b 、c 集料这时的浆体不易滴落流 淌。根据图3 3 知抗压强度随着流动度值的增加有增大的趋势，而且这个趋势随着集料粒径大小 的不同而变化。a 集料成型的透水性混凝土在流动度值为2 0 0 m m 时强度下降，笔者认为是由于试件 上部浆体过少造成的强度不均引起的。集料b 、c 的透水性混凝土因集料粒径较小，比表面积大，包 裹的浆体多，有利于强度的增长。 1 6 东南大掌硕士掌位论文 第三j t 迸水性浸凝土路面材料的制畚 3 0 姜2 0 i 霎1 0 0 1 4 01 6 01 8 02 0 0 流动度值( ) 图3 2 流动度值和孔隙率的关系 图3 4 是在水头差为l o c m 条件下测定的透水系数和流动 度值的关系。除了用a 集料的透 水一眭混凝土外，其它两组的透水 系数随着流动度值的增大而减 小。用a 集料的透水系数最高， 用c 集料的透水系数最小。这一 方面与孔隙率有关，更主要的与 形成的孔隙孔径大小和孔隙分 布有关。 综合以上分析，浆体的高流 动性对均匀包裹集料和填充粗 集料的空隙有利，但是过高的流 动性，成型后浆体大部分聚集在 2 0 乏1 5 j 鼎1 0 懈 翥s 0 3 0 耋 一2 0 嚣 曩1 0 0 1 4 01 6 01 8 0 2 0 0 流动度值( m m ) 图3 3 流动度值和抗压强度的关系 一 _ t 一 _ a 鹣女p b 乓 k u 卜c 、，f ? p 嘲 1 4 01 6 01 8 02 0 0 流动度值( n u n ) 图3 4 流动度值和透水系数的关系 试件的底部一方面不利于试件的整体强度，另一方面封堵了有利于透水性的连通孔隙。图3 5 是 成型后混凝土底面的浆体封堵情况图，图中画叉的是底部被流动度过大 表3 1 水灰比和流动度试验原材料配比( g ) 的浆体封堵的试件，这完全不符合透水性混凝土的特性要求。流动性对于本研究采用的集料，采用 流动度值为1 8 0 m m 左右的浆体成型。 流动度值确定后就可以利用调整单位用水量来确定合适的水灰比，以使浆体既有一定的流动性 又有粘聚性。浆体的流动性不仅受单位用水量的影响，也会因掺入的混合材，添加剂而不同。表3 i 所列是研究中用到的浆体原材料的配比，在试验中反复调整用水量以使浆体满足流动度值的要求。 通过作图找出符合流动度值的单位用水量，综合考虑水泥品种，外加剂和掺合料、设计强度确定水 1 东南大掌硕士掌位论文 第三章。透水性湿凝土路面材料的制备 灰比。图3 6 是水灰比和流动度的关系。根据图3 6 所列本研究采用的水灰比范围在0 2 0 2 5 之间 为宜。 3 2 3 配合比设计步骤 图3 ，5 浆体流动度对孔隙的影响 v 剖 蔼 蠕 水灰比 图3 6 水灰比和流动性的关系 依据前面章节，在进行配合比设计时要知道粗集料的空隙率y ，目标孔隙率p ，水灰比睨。 集料的空隙率可以通过测定集料的表观密度和紧密堆积密度求得。 配合比计算步骤如下： 配制1 立方米的透水性混凝土 生+ 堡+ 监+ 丝+ p ：1 p g p cp wp o 式中： m g 、。、朋。、。分别为1 立方米透水性混凝土中粗集料、水泥、水、减水剂的用量 1 8 束南大掌硕士掌位论文第三j t 透水性混凝土路面材料的制鲁 k g ； & 、岛、p i 、岛分别为粗集料、水泥、水、外加剂的表观密度，k g m 3 p 目标孔隙率， 1 水泥的用量m e ( k g ) 川。= ( 1 - v - p m 去+ 淼， 暖水灰比 2 水的用量m 。( k g ) m 。= m 。x 嘭 3 外加剂的用量肘七( k g ) m 。= 他x a 以一一外加剂的掺量。本研究外加剂的掺量为0 8 。 4 粗集料的用量m 。( k g ) s2 ( 1 m 以c 一詈一瓦i f l a 。岛 5 浆集体积比圪，咋 名= ( 棚。p c + 。i p w ) l ( m , 岛) 当掺用粉煤灰( f ) 、硅灰( s f ) 、增强剂时，按照掺量换算对应的体积，分别计算各种原材料的 用量。对于聚合物，计算时掺量是按照聚合物固含量占胶结材的百分比计算。以掺粉煤灰为例配制 1 立方米的透水性混凝土。 堡+ 堕+ 堕+ 丝+ 监+ p ：1 p tp 。p wp - p f 式中b z 。为粉煤灰的用量，它和水泥用量的总和是胶结材的用量，设粉煤灰的掺量为f ，集料 用量为 p = 口。& x o 一矿) ( 日一修正系数，这里取0 9 8 ) 浆体体积为 = 1 一m g 岛一p ，则f = ( 一m 。风) ( 1 辟+ 他成) 其中 1 9 东南大掌硕士掌位论文第三， 透水性混凝土路面材半l 的制备 最后列出配合比记录表 。= fx ( 1 一f ) f 集料最 目标孔 单位体积用量( k g m 3 ) 外加剂 大粒径圪睨 隙率( ) 水水泥集料混合材 用量 ( m m ) 3 2 4 基层面层配合比 1 基层配合比 基层采用5 l o m m 的石灰岩、水泥、水和外加剂四种基本原材料，按水灰比0 2 1 、设计孔隙率 1 5 减水剂掺量为胶凝材料用量的0 8 ，计算基层配合比。表3 2 所列即为基层各种原材料单位体 积用量。 表3 2 透水性混凝土路面砖基层材料配合比( 单位：k g m 3 ) 2 面层配合比 面层采用2 5 5 m m 的石灰岩、水泥、水三种基本原材料，并掺入高效减水剂和增强剂增强，同 时掺入适量氧化铁红粉末增加色彩。按水灰比o 2 3 ，设计孔隙率1 0 ，减水剂掺量为0 8 ，增强 剂掺量为胶凝材料用量的1 5 ( 按固含量计算) ，氧化铁红粉末用量0 8 计算配合比。表3 3 所列 即为面层各种原材料单位体积用量。 表3 3 透水性混凝土路面砖面层材料配合比( 单位：k g m 3 ) 塑塞垫坐婆 查丛垫型塑堡型墨些丛丝旦堡! ! 堕奎 ! 堕! ! ! ! ! ! ! ! 堑 3 3 透水性混凝土路面材料的搅拌工艺 透水性混凝土路面材料的搅拌关键在投料顺序，搅拌时间。对于透水性混凝土的基层，首先将 胶结材与集料混拌3 0 s ，再加水及减水剂混拌；对于面层，先将颜料与胶结材混和拌匀，再与集料 混拌3 0 s ，然后加入水和减水剂。最后将拌和好的两种混合料浇注到模具里。先浇注面层。再浇注 基层。图3 7 是透水性混凝土搅拌的工艺流程图。 3 4 成型工艺的研究 普通混凝土成型采用振动成型，其目的是使混凝土尽可能的密实，以增加强度和提高耐久性。 而透水性混凝土因其特殊的内部构造导致其成型工艺与普通混凝土的方法有所不同，经过研究和查 阅文献对比，采用静压成型工艺。 3 4 1 静压成型 所谓透水性混凝土路面砖是将被浆体均匀包裹的松散混合料压制成具有一定形状和强度的特殊 混凝土。将预先拌和好的混合料装在压模内，通过压力* 0 1 2 j n e , 成型。一般情况下，成型压力越大， 兰! 查兰竺圭兰堡堡圣兰三兰兰查竺兰兰圭竺! 苎兰竺型兰 混凝土的内部孔隙越少，混合料结合力越强，但对于透水性混凝土而言，在压制成型下既要保证强 度又要保证一定的孔隙率t 因此对压制参数( 如成型压力、压制时间) 和压模要有一定的控制和设 计。 基层 面层 图3 7 透水性混凝土搅拌工艺流程 在压制过程中，随着成型压力作用的增大，混合料颗粒间的移动有两个阶段“：第一阶段是颗 粒在压力的作用下发生位移，填充空隙，这时的混合料不仅发生体积变化而且产生形变，颗粒间的 间距减小，彼此间的接触点增多，这个阶段也可以称为滑动阶段；第二阶段，随着对混合料的持续 加压，颗粒间的位移减小，混合料的体积只产生微小的变化，颗粒靠的更紧接触点进一步增加， 而且这时颗粒间的机械咬合力也开始增加，颗粒间由于位移和变形可以楔住和勾连，从而形成颗粒 之间的机械啮合，这是使混合料具有强度的主要原因之一，透水性混凝土砖的半成品在这个阶段形 成，这个阶段时间的长短决定着压制时间。图3 8 所示就是混合料压制成型示意图。对比图中的a 、 b 可以清楚看出颗粒从松散状态到紧密接触状态。( 图中颗粒为包裹了浆体的集料) 由于采用压制成型，传统的混凝士模具不能满足透水性混凝土成型的要求，模具要能承受住来 自成型压力和混合料因挤压产生的膨胀力，研究中设计和制作了模具，图3 9 是模具的设计图。图 中所示尺寸单位为毫米。 采用静压成型工艺时，待确定的成型参数有成型压力和压制时间。成型压力的大小对透水性混 凝土的强度和孔隙率有着十分重要的影响。表3 4 是不同成型压力试验研究的透水性混凝土配合比。 表3 4 不同成型压力的混凝土配合比( 单位：k g m 3 ) 从图3 1 0 、3 1 1 可以看出随着成型压力的增大，透水性混凝土的抗压强度在成型压力3 兆帕时 达到最大，然后随着压力的增大，强度有所下降，而抗折强度也是在3 4 兆帕时达到晟大，这可以 从试件内部的缺陷点和胶结点多少来解释，当成型压力小时，试件内的胶结点承受的应力小，缺赂 点产生的少，而且压力小，形成的多孔堆聚结构松散，孔隙的孔径较大，造成了胶结点的数量减少， 从而使强度降低。也可以从试件的孔隙率在不同成型压力下的变化来解释，我们设计配合比时考虑 2 l 至兰查兰兰兰兰苎竺苎苎三兰兰查竺兰兰圭竺! 竺兰竺竺竺 的是有效孔隙率，即自上而下的连通孔隙。从图3 1 2 试验结果中，我们可以看到孔隙率与成型压力 的变化趋势相反，我们设计的孔隙率是1 5 ( 有效孔隙率) ，在成型压力在3 4 兆帕时，孔隙率达 到设计要求，当小于3 兆帕时，孔隙率不能达到设计要求，其内部孔隙多，集料接触点少，强度偏 图3 8 混合料压制成型示意图 b 图3 9 透水性混凝土压制成形模具 低；大于4 兆帕时，孔隙率虽达到了设计要求，但由于成型压力过大，内部缺陷增多，叉导致了其 强度降低。综合考虑强度和孔隙率的要求，在本研究条件下，推荐透水性混凝土砖的成型压力为3 兆帕。 透水性混凝土的压制时间分为两部分，一是加压时间，另一个是恒压时间。加压时间可以通过 压力机的加压阀控制，保持匀速旌压，本研究的加压时间为l o s 。恒压时间的长短对透水性混凝土 的初期强度有很大影响。在压制过程中，混合料内部的空气受到压缩，在与压头接触的混合料层内， 由于压力较大，空气向远离面层的地方移动，这些地方内的空气压力相当大，当成型压力很快撤销 时，被压缩的空气因为不能及时排除产生膨胀，破坏了颗粒间浆体粘结力和颗粒的机械啮合力。这 时刚成型的透水性混凝土砖体容易出现表面裂痕和掉角的现象。因此合适的恒压时间对砖体的外观 十分重要。为了确定合适的恒压时间，在研究中测试了不同恒压时间下透水性混凝土的强度，以此 来找出最佳恒压时间。试件采用单层式，配合比同表3 i ，试件尺寸2 0 0 r a m xl o o m m 6 0 m m ，成型压 力3 兆帕，养护采用蒸汽养护。 东南大掌硕士掌位论二t第三章透水性混凝土路面材丰k 的制备 6 。 55 名5 。 墨45 蔷 薹 螺 35 3o 成型压力( m p a ) 图3 1 0 成型压力和透水性混凝土抗折强度关系 成型压力( m p a ) 图3 1 1 成型压力和透水性混凝土抗压强度的关系 从图3 1 3 可以看出，对于相同配比的混凝土，在相同压力下，随着恒压时间延长，透水性混凝 土的强度升高但不是一味的增加，而是保持在一定的水平t 考虑成形工艺和脱模的容易，我们选 定恒压时间为9 0 s 。 3 4 2 静压成型和振动成型的对比 混凝土混合料搅拌后，由于水泥浆体和粗集料颗粒间内摩擦作用，而具有一定粘性，所以当混 合料被浇注在模具后靠自重产生的流动性是较小的，因此需要来自压力或振动这样的外力来使其密 实。当混合料受到振动时引起颤动，这种颤动此起彼伏，破坏了颗粒间的粘结力和机械啮合力，使 混合料的内阻力大为降低，最后使混合料部分或全体“液化”。”。在振动液化过程中，固相颗粒由 于混合料粘度的降低，加上重力的作用产生移动，趋于最适宜的稳定位置，水泥浆填充粗集料之间 的空隙使混凝土原来的堆聚结构更为密实。对于透水性混凝土，因其孔隙率的特性，需要对振动 东南太掌硕士掌位论文 第三章透水性混凝土路面材料的制畚 0 皇 v 世 晒 出 j 暑 115 22534455 成型压力( m p a ) 图3 1 2 成型压力和孔隙率的关系 恒压时间( s ) 图3 1 3 恒压时间和抗压强度的关系 的频率和振动时间加以控制，使混凝土既有一定的密实体系又能保证其多孔堆聚结构。 在实验室里采用振动台成型的方法，将拌和好的混台料放入模具，上面加上配重块，放在振动 台上振动，振动一定时间后，将模具搬离振动台。实验室的振动台频率为4 0 h z 左右。一般振动时间 表3 5 不同成型方法对透水性混凝土性能的影响 xv斟篷1犀林 东南大掌硕士掌位论文 第三幸适水性混凝土路面材料的制鲁 越长，混凝土越密实，但透水性混凝土要求成型后有一定的连通孔隙率，因此振动时间不易过长， 否则会使浆体过多沉积在混凝土底部，堵塞了透水通道，使混凝土失去透水性。本研究振动时间采 用了l o s ，1 5 s ，2 0 s 三个水平。 不同的成型方法，对透水性混凝土的性能产生不同的影响。研究中分别采用了静压成型和振动 成型两种方法。振动成型的配合比与静压成型的配合比相同，见表3 4 。表3 5 的试验结果表明， 在相同配台比和养护条件下，振动成型试件的透水系数明显低于静压成型试件的透水系数，2 8 天抗 压强度两者都达到了要求，但静压成型的试件强度较高，因为静压成型的试件水泥浆体分布均匀结 构稳定，而振动成型的浆体分布不均造成面层浆体过少导致了强度降低。在实测孔隙率方面，二者 的差别不大，观察试件外观静压成型的试件孔隙分布均匀，浆体包裹均匀。 3 5 养护方法的研究 养护的目的是为了保证混凝土凝结硬化得以正常进行，使混凝土能获得所需要的物理力学性质 和耐久性。由于透水性混凝土具有1 0 2 0 的孔隙，水分比普通混凝土更易挥发，因此合理的养 护十分重要。养护是透水性混凝土生产中时间最长的工序，缩短养护周期对提高设备的利用率、缩 小场地占有面积、提高劳动生产率及降低成本均有很大的意义。 本研究采用了标准养护和蒸汽养护两种方法。研究时试件采用静压成型，原材料配合比如表3 2 、 33 所列。表3 6 是两种养护方法对透水性混凝土强度的影响。蒸汽养护的试件比标准养护的试件 强度略高，且蒸汽养护的恒温最佳时间是8 小时，恒温阶段是混凝土发生水化和水熟合成使强度增 长的主要阶段，随着恒温时间的延长，水化产物越来越多，强度增长的也越来越快，但达到一定时 间后强度增长趋于稳定，因此对于试件的蒸汽养护有个最佳的恒温时间。 表3 6 不同养护方法对透水性混凝土强度的影响 在实际生产施工时，透水性混凝土采用的是自然养护，自然养护指在自然条件下，采取 浇水湿润、防风、防干、保湿防冻等措施养护混凝土，使混凝土中水泥充分水化，实现其力学性能。 自然养护分覆盖浇水养护和喷洒塑料薄膜养护液养护。对于透水性混凝土适宜采用覆盖浇水养护。 在日本，透水性混凝土路面浇注完成后先用聚氯乙稀薄膜覆盖使新拌混凝土凝结固化，2 4 小时后揭 去薄膜，覆盖草席或草垫并浇水，再覆盖薄膜这样循环往复一周的时间，道路即可通车“1 。 3 6 透水性混凝土路面材料研制结果 通过试验，我们对透水性混凝土路面材料的成型工艺、原材料配合比、养护方法进行了大量的 摸索。确定了采用基层和面层复合成型，面层厚度l o m m ，基层厚度5 0 r a m ，原材料配合比见表3 2 ， 3 3 成型方法用静压成型，分两次投料，一次加压成型，成型压力3 m p a ，养护方法采用标准养护， 试验中对透水性混凝土，路面材料的抗压强度、抗折强度、实测孔隙率、透水系数、抗冻性进行了 测试。各项性能见表3 7 。图3 1 4 是成品的效果图。 试验中考虑透水性混凝土的美观，选用了三种颜色铁红，黄色和蓝色作为表层颜色。透水性混 凝土的抗冻性与普通混凝土有所不同，普通混凝土的冻融破坏是因为水结冰体积膨胀造成的静水压 力和冰水蒸汽压差和溶液中盐浓度差造成的渗透压两者共同作用的结果“，而透水性混凝土因其连 2 s 东南大掌硕士学位论文 第三章适水性混凝土路面材料的制备 表3 7 透水性混凝土路面砖性能测定结果 图3 1 4 透水性混凝土路面砖 续多孔的结构特征，可以很好的缓解水结冰体积膨胀造成的压力，从表3 ，7 可以看出，透水性混凝 土路面砖符台抗冻性要求。为了对透水性混凝土路面砖的抗冻性有进一步的认识，研究中我们对比 了不同孔隙率透水性混凝土2 8 天强度损失值，发现当孔隙率过大时，透水性混凝土的强度减少的较 多。笔者认为是透水性混凝土的冻融破坏是从试件内部向外发展的，当孔隙较大时内部水产生的冻 融压力较大，对试件的破坏增大的原因。 表3 8 不同孔隙率透水性混凝土2 5 次冻融破坏强度损失值( ) 3 7 本章小结 1 透水性混凝土配合比设计方法，依据集料紧密堆积形成的空隙和目标孔隙率，计算出所需浆 体的体积，然后根据各种原材料占据的体积就可以计算出透水性混凝土的配合比。 2 透水性混凝土的成型工艺参数包括成型压力和恒压时间，在本研究条件下，成型压力3 m p a ， 恒压时间为9 0 s 。 3 养护对透水性混凝土的强度发展十分重要，透水性混凝土因孔隙较多水分极易挥发，因此试 件要注意保湿，这样有利于水泥浆体的水化；蒸汽养护可以提高生产效率，加快模具的周转，在本 研究条件下，蒸养制度为升温2 小时，恒温8 小时，降温3 小时，恒温温度为8 0 c 。 4 对透水性混凝土的抗冻性进行了初步探讨。孔隙率2 0 以内的透水性混凝土2 5 次冻融循环 强度损失符合建材行业标准混凝土路面砖j c 4 4 6 - 2 0 0 0 要求。 2 6 东南大掌硕士学位论文 第四章透水佳浸凝土路面材料力掌性能研究 4 1 概述 第四章透水性混凝土路面材料力学性能研究 透水性混凝土及其制品以良好的透水性和生态环保功能被广泛应用于路面和市政工程。作为具 有承载能力的路面制品，其强度性能是一个极为重要的技术性能指标。透水性混凝土是由特殊级配 的集料，水泥t # i - ；b d 女u ，增强剂和水按一定比例和特定工艺配制而成的，由于集料级配特殊，形成 了蜂窝状结构，有助于提高透水性混凝土的透水性，但同时亦对混撮土的强度产生不良影响，其结 构模型如图4 1 所示。从图中可以看出，粗集料颗粒间通过硬化的水泥浆薄层胶接而成，堆聚结构 内部形成孔隙，是透水性混凝土路面材料的透水通道。 透永性混凝土理想结构模型 图4 1 透水性混凝土结构模型 透水性混凝土实物照片 ( 图中空白为孔隙) 根据结构模型可知，透水性混凝土受力时通过集料之间的胶结点传递力的作用，由于集料本身 的强度较高水泥凝胶层较薄，水泥凝胶体与粗集料界面之间的胶结面积小受外力作用时这个界 面最容易破坏，这与在试验中观察到的现象相吻合。我们对透水性混凝土采用优化集料，合理调整 级配，增加集料的比表面积，胶结层的面积增加，同时单位体积内集料的数量增多，胶结点数量增 加，这样即提高了透水性混凝土的强度又保证了一定的孔隙率。 另外从改善胶结材的角度出发，利用掺加混合料和增强剂来提高水泥浆体的胶结强度。硬化后 的水泥浆体主要由水泥凝胶、残余的未水化水泥核心、毛细管孔腔组成，这些毛细孔和存在的微裂 缝严重降低了水泥凝胶体的强度。在集料和浆体的过渡区内，毛细孔和微裂缝的数量更多，降低了 胶结强度。为了提高浆体的强度，本研究利用有机增强剂良好的填充性和粘结力，使浆体在粗集料 周围形成连续的薄膜，有助于混合料问祜结强度的提高。 4 2 集料对透水性混凝土强度的影响 集料粒径的大小决定着单位体积内集料颗粒的多少，粒径小则集料之间接触点多，透水性混凝 土就是通过这些互相搭结的接触点传递力的作用。合理的调整集料的级配，增加小粒径范围的集料 可以提高透水性混凝土的强度。通过对两种级配集料以不同比例进行混合，目标孔隙率1 5 ，并测 试了试件2 8 天抗折强度，抗压强度和透水系数。从表4 1 中我们可以看出，随着较小粒径集料比例 的增加，透水性混凝土的抗折、抗压强度成增长的趋势。当完全是小粒径集料时，透水性混凝土的 强度达到最大。在相同孔隙率下，随着集料粒径的减小，透水系数呈下降的趋势，这是因为小粒径 的集料形成的孔隙孔径比大集料形成的孔径小，限制了水流动的速度。从配合比上看，水灰比随着 苎! 查竺! 主兰堡竺苎一 苎竺兰兰查竺兰! 坠竺曼竺兰竺兰竺! ! ! 墨 - - - _ - - _ - - _ - 一 集料粒径的减小而稍微增大，这是因为单位体积内集料的比表面积增加，增大了对单位体积用水量 的需要。 从强度来看不管是7 天还是2 8 天的强度都偏低，这一方面是由于没加减水剂或掺合料、增强 剂的原因，也反映了透水性混凝土强度只靠改善集料级配来提高是不能完全达到路用要求的。单从 强度提高上来看，对比第一和最后一组，2 8 天抗压强度提高了4 4 ，抗折强度提高了2 4 3 ，小 粒径集料的作用还是明显的。 集料对透水性混凝土强度的影响，不仅在于集料的级配，集料的含泥量，针片状颗粒的含量以 及颗粒的形状都对透水性混凝土的强度有影响。试验中对集料进行预处理，用清水清洗，筛选集 料。这些工序对透水性混凝土路面材料的强度提高有益。这可以从表4 2 所列的结果看出。 表4 2 集料表面清洁对透水性混凝土强度的影响 4 3 有机聚合物对透水性混凝土性能的影响 4 3 1 聚合物对透水性混凝土的增强效果研究 聚合物乳液掺入水泥砂浆，能在浆体内形成聚合物网络结构。在聚台物乳液改性水泥砂浆和混 凝土中，无论水泥水化还是聚合物颗粒聚集形成聚合物相，两者是形成一个完整的互相穿透的网状 结构，集料被粘结在其中形成一个复合体，这个复合体的形成分三个阶段“： 第一阶段，当聚合物乳液和水泥浆体混合时聚合物的颗粒均匀分散在水泥浆中，在聚合物一水 泥混合体系中，水泥开始水化，而水相也被水泥水化所形成的氢氧化钙所饱和，水泥的凝胶逐渐形 成，而聚合物的颗粒部分沉积在水泥凝胶和未水化水泥颗粒混合体的表面，在水泥水化产物和集料 接触区形成的氢氧化钙和钙矾石有助于二者之间的粘结； 第二阶段，由于水泥凝胶结构发展使聚合物颗粒逐渐封存在毛细管孔隙中，随着水泥水化作用 进一步进行，毛细管中的水相应减少聚合物颗粒凝聚成一个连续的封闭的口袋状层，包裹在水泥 凝胶及未水化水泥颗粒混合物的表面上，并粘附到该表面和集料表面的硅酸盐层上； 第三阶段，最后随着水泥水化水的排出，封闭的袋状聚合物颗粒在水化水泥表面凝聚成一连续 的薄膜并粘附在水化水泥上面，成一均匀网状结构，聚合物和水泥水化物互相穿透，这种复合结构 就是聚合物乳液水泥砂浆，而集料也通过复台材料而粘结到硬化的砂浆和混凝土上。聚合物乳液的 加入使水泥浆体的性能得到了很大改善。当浆体因受应力作用产生裂缝，这时聚合物薄膜起到架桥 东南大掌硕士学位- v e 文第四章透水性湿凝土路面材料力掌性j e 研究 的作用，限制了裂缝的扩展，同时水泥凝胶和集料之间的粘结也得到加强。 研究中选用粒径为2 5 s m m 的g 1 集料、5 l o m m 的g 3 集料。使用s j 一6 0 1 改性剂，掺入水泥 浆中，聚合物掺量是指聚合物的固含量占水泥用量的百分比，面层的目标孔隙率1 0 ，基层目标孔 隙率1 5 。并和未掺聚合物的透水性混凝土相比较。试件性能测试结果见表4 3 。 从表中可以看出，不管是面层还是基层，掺了聚合物的透水性混凝土强度明显提高，抗折强度 和抗压强面层提高了2 0 i 和2 3 4 、基层提高了2 7 8 和3 7 4 。可见聚合物的增强效果是明 显的。另外对于在聚合物中外加剂的使用，对于掺了减水剂的透水性混凝土混合料变粘稠，要达到 相同的流动度值，需要提高水灰比。从试件强度可以看出，抗压强度下降的比较多，基层达了2 8 9 。可见，本文研究所用的减水剂与聚合物不相容，因此建议使用聚合物对透水性混凝土进行改性 时，不同时使用高效减水剂。对比透水系数，聚合物的掺八对透水系数影响不大。 表4 3s j 一6 0 1 对透水性混凝土性能的影响 4 3 2 聚合物掺量对透水性混凝土强度的影响 为了确定面层和基层聚合物的最佳掺量，在水灰比为0 2 和0 2 5 的情况下选用不同水平的聚合 物掺量，目标孔隙率面层1 0 ，基层1 5 ，测定试件的7 d 抗折、抗压强度，2 8 天的抗压强度，结 表4 3s j 一6 0 1 掺量对透水性混凝土强度的影响 东南大学硕士学位论文 第目幸透水性混凝土路面材料力掌性能研究 2 5 4 6 02 7 9 4 04 果见表4 3 和图42 。 5 0 4 0 l3 0 赵2 0 睡l o 5 0 4 0 l 3 0 v 越2 0 嶷 1 0 0 面层水班比02 d1 01 52 02 5 s j 一6 0 1 掺量( ) 基层水灰比02 01 01 52 02 5 s 1 - 6 0 掺量( ) 5 0 4 0 l 3 0 v 魁柏 鼎1 0 5 0 4 0 3 0 v 越2 0 鞲1 0 0 01 01 52 0 2 5 s , i 一6 0 1 掺量( ) 01 01 52 02 5 s j 一6 0 1 掺量( ) 图4 2s j 6 0 1 掺量对透水性混凝土强度的影响 可以看出随着聚合物掺量的增加，透水性混凝土面层和基层的强度都在逐渐增加。反映出聚合 物的作用随着掺量的增加在增强，但在实验中，观察到浆体随着聚合物掺量的增加流动性也在增大， 掺量大的试件成型后浆体淤积在底部较多，封堵了有效的连通孔隙，虽然强度提高了，但破坏了透 水性能。这是因为聚合物水泥浆体包裹在集料周围形成一层连续膜，一方面它可以提高浆体与集料 的粘结强度，另一方面聚合物通过它的滚珠轴承作用和表面活性剂分散作用”提高了浆体的流动性。 面层混凝土的强度高于基层的，这可能是