（材料学专业论文）高性能透水性混凝土的制备、性能及应用技术研究.pdf

东南人学硕士论文 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t 艺制成的具有连续孔隙的混凝十，既有一定的强度，又具有一定的透气透水 性。透水性混凝十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铺装材料的制备、配合比设计、强度、透水性能、抗冻融性能、 收缩热膨胀性能及透水性混凝士路面结构设计进行了探讨和研究。针对透水性混凝土的结构 特点设计了模具，实验表明，在本研究条件下压制成型时，透水性混凝土合适的成型成形压 力为1 5 m p a 。本文引用填充包裹理论法设计透水性混凝土的配合比，设计水灰比为o 2 5 ， 目标空隙率为1 5 。通过采用优化集料粒径、掺入矿物掺合料和聚合物等技术措施提高透水 性混凝十的强度。在以上研究的基础上，成功制备了符合透水砖j c t9 4 5 2 0 0 5 标准， 且抗压强度为4 0 m p a 、抗折强度3 4 m p a 、透水系数0 5 c m s 的透水砖。 本文研究了透水性混凝土抗冻融性能，透水性混凝十具有特殊的结构形式，破坏机理与 普通混凝土不同，因此设计了一种透水性混凝土冻融实验方法一“单向快速冻融法”，试 验表明掺入矿物掺合料和乳胶粉对提高透水性混凝土的抗冻性具有较好的作用，对比试样进 行了7 8 次冻融循环即破坏，掺入矿物掺合料和乳胶粉的试样冻融循环次数可以达到1 0 0 次 以上；另外本论文对透水性混凝十的收缩和热膨胀性能进行了研究，对透水性混凝土的施工 提供了技术支撑，具有重要的工程应用价值。 关键词：透水性混凝士，抗折强度，抗压强度，空隙率，透水系数， 摘要 a b s t r a c t i nt h eu r b a n i z a t i o np r o c e s s ，t h ee a r t h ss u r f a c eo ft h ec i t yi sh i n d e r e dw a t e rm a t e r i a lb y b u i l d i n ga n dc o n c r e t e ，e t c a n dh a r d e n e da n dc o v e r e dp r o g r e s s i v e l y , t h e s ew a t e r p r o o fr o a d s u r f a c eb r i n g st h eg r e a tn e g a t i v ee f f e c tt oe c o l o g i c a le n v i r o n m e n to ft h ec i t y t h ep e r v i o u s c o n c r e t ei sak i n do fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nc o n c r e t e ，i so n ek i n do fc o n c r e t ew i t hc o n f i n u o u s s p a c em a d eo fs p e c i a lt e c h n o l o g y t h e r ei s c e r t a i ni n t e n s i t y , h a v ec e r t a i nv e n t i l a t ew a t e r p e r m e a b i l i t y p e r v i o u sc o n c r e t ei sap o r o u sc o n c r e t ep a v i n gm a t e r i a lw h i c hp e r m i t sr a i na n d s t o r mw a t e rr u n o f ft op e r c o l a t et h r o u g hi tr a t h e rt h a nf l o o ds 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 gs a f e t ya n dc o m f o r tb yp r e v e n t i n gw a t e rs p r a ya n dh y d r o p l a n i n ga n dd e c r e a s eo f s k i d d i n gd u r i n gr a i n ，n o i s er e d u c t i o na n da l l e v i a t et h e e f f e c to fu r b a nh e a ti s l a n d t h i sp a p e rd i s c u s s e sa n ds t u d i e sp r e p a r a t i o n ，m i x t u r ep r o p o r t i o n , s t r e n g t h , p e r m e a b i l i t y ， f r e e z i n ga n dt h a w i n gp e r f o r m a n c e ，s h r i n k a g e a n dt h e r m a le x p a n s i o np e r f o r m a n c ea n dp a v e m e n t s t r u c t u r ed e s i g n i nt h i sp a p e r , s p e c i a lm o u l di sd e s i g n e df o rp e r v i o u sc o n c r e t e ；t h es u i t a b l e f o r m i n gp r e s s u r e i s1 5 m p at h r o u g h c o m p a r i n g w i t h s t r e n g t h o ff o r m i n gb yd i f f e r e n t p r e s s u r e t h ed e s i g no fm i x t u r ep r o p o r t i o ni so nt h eb a s i so ft h e o r yo ff i l l i n ga n dw r a p p i n g i t s t u d i e st h er e l a t i o n sa m o n go fw cr 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 c r a t i oo 2 5 ，t h eg o a lp o r o s i t y15 a n du s i n gs m a l l e r - s i z e da g g r e g a t e ，m i n e r a lm i x t u r ea n d p o l y m e rt oe n h a n c et h es t r e n g t ho ft h ep e r v i o u sc o n c r e t e h a v ep r e p a r e dt h ep e r v i o u sc o n c r e t e b r i c kw h i c ha c c o r d sw i t hj c t9 4 5 2 0 0 5 “p e r m e a b l eb r i c k s ”0nt h eb a s i so ft h ea b o v eo n et h a t s t u d i e d ，c o m p r e s s i o ns t r e n g t h i s4 0 m p a b e n d i n gs t r e n g t h3 7 m p a p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n ti s 0 5 c m s t h i sp a p e rr e s e a r c ho nf r e e z i n ga n dt h a w i n gp e r f o r m a n c e ，p e r v i o u sc o n c r e t eh a v es p e c i a l s t r u c t u r e ，s oi t sf a i l u r em e c h a n i s mi sd i f f e r e n tw i t hn o r m a lc o n c r e t e ，a n di nt h i sp a p e ru s e dan e w m e t h o d - - s i n g l e s i d er a p i dm e t h o d b a s e dt h en e wm e t h o d ，i tf o u n dt h a tm i n e r a la d m i x t u r e sa n d e m u l s i o np o w d e ri m p r o v e df r o s tr e s i s t a n c eo ft h ep o c ，f r o m7 8t o10 0a b o v e a n dt h i sp a p e r d i s c u s s e da b o u ts h r i n k a g ea n dt h e r m a le x p a n s i o np e r f o r m a n c eo ft h ep o c t h e s et w oa s p e c t s a 陀t h en e wi d e a so ft h ep a p e r k e yw o r d s ：p e r v i o u sc o n c r e t e ，p r e p a r a t i o n ，c o m p r e s s i v es t r e n g t h , b e n d i n gs t r e n g t hp o r o s i t y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所旱交的学位论文是我个人在导师指导一f 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。 研究生签名：j 乏l 馥i i i i ：二孙匝幽 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 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 、 研究生签名：五必师殛期： 东南大学硕叶：学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 近年来，随着全球变暖，臭氧层破坏和生态平衡系统破坏问题的加重，人们的环保意识 增强。保护地球环境，维持生态平衡，寻求与自然的和谐发展，走可持续发展的道路成为人 们共同关心的问题。目前，我国城市化建设步伐加快，如何在城市中实现环境保护与经济、 社会的和谐发展正引起人们的重视。 在城市化建设中，现代化城市的地表逐步被建筑物和混凝十等阻水材料硬化覆盖，形成 了生态学上的“人造沙漠”，便捷的交通设施，铺设平整的道路在给人们的出行带来极人方 便的同时，这些不透水的路面也给城市的生态环境带来极大的负面影响。首先，传统的地面 铺装强调的是地面的坚同耐用及使用性，但此种路面铺装的不透水性却将宝贵的自然降水完 全与下层十壤及地下水阻断，降水大部分通过城市排水系统管网排入江河湖海等地表水源 中，加之城市地下水的过量抽取，导致城市地下水位越来越低，形成了地质学上的“漏斗拟” 地下水位，引发地面下降，沿海地区还会导致海水倒灌，这就严重影响了雨水的有效利用， 同时不透水地面铺装降雨时雨水是先通过地面的排水坡度或地表明沟排入下水道，雨水在进 入下水道前要经过较长距离的地表径流才能进入城市地下排水系统。该过程使最初相对清洁 的雨水溶入大量的城市地表污染物，这种径流过程中产生的二次污染，通过城市排水系统进 入周闱地表自然水体，加重了自然水体的污染程度，影响了城市地表植物的生长，破坏了城 市地表生态平衡；其次这种表面致密的地面铺装不利于缓解城市的噪音污染，主要是来自路 面交通产生的噪音；在雨天由于不能及时排水，造成路面积水，使雨天行车产生“漂滑”、 ”弋溅”、“夜间眩光”等现象，给行人出行和车辆行驶带来不便；另外这种不透水的铺装与 周嗣城市建筑共同作用，会增加城市的“热岛效应”；还有由于它的色彩灰暗，缺乏生气， 现代的城市也被称为“灰色的热岛”。 1 噪声是泛指人们不需要的、希望采取一定措施控制的声音的总称，噪声影响人的正常生 活、妨碍休息和睡眠，使人感到烦躁，这种影响对老人和病人更加明显。据研究：在4 0 - - - 4 5 d b 的噪声刺激下，睡着的脑电波开始出现觉醒信号，就是说4 0 , - - 4 5 d b 的噪卢就会干扰人的正 常睡眠；对于突发性的噪声在4 0 d b 时可使1 0 的人惊醒，6 0 d b 则使7 0 的人惊醒，噪声 不仅使作业者增加心理负担和能量消耗，而且是作业者神经紧张、心情烦躁、注意力不易集 中、容易疲劳，因而影响到工作效型6 】。噪声影响人的注意力，影响工作的质量，也容易引 起工伤，它给人们和社会带来巨人损失。而随着社会的，城市交通工具越来越多，功率越来 越大，速度越来越快，交通噪声已经成为现代城市环境中的最主要噪声来源。 轮胎与路面相互作用产生的噪声主要原因有：( 1 ) 轮胎滚动过程中，车轮花纹和路面之 间空气的抽吸作用产生的噪声；( 2 ) 轮圈震动产生的噪声；( 3 ) 轮胎滚动对空气的搅动和切 割作用产生的噪声；( 4 ) 遇到路面上的积水时，轮胎突然碾压使外胎花纹沟槽内的积水形成 高压水喷出，产生高频噪音1 7 j 。 从吸声降噪方面来说，透水性地面铺装凭借其特有的多孔吸声结构，当声波打在表面上 第一章绪论 时，声波引起小孔或间隙的空气运动，紧靠孔壁表面的空气运动速度较慢，由于摩擦和 空气运动的粘滞阻力，一部分卢能就转变为热能，从而使声波衰减；同时，小孔中空气和孔 壁的热交换引起的热损失，也能使声能衰减。由于城市高层建筑以及高架道路的不断增多， 再加上穿过市区上空的匕机噪声，这些高处声源的噪声，投射到多孔透水性地面上，根据上 述原理，透水性路面铺装可以有效地吸收这部分噪卢。另一方面，汽车轮胎行驶在多孔透水 性铺装路面上时，由于轮胎花纹空气爆破及泵吸噪声的强度的降低，使汽车行驶噪声降低。 上述两方面的综合作用使透水性铺装具有显著的吸声降噪效能。 同时透水混凝十路面与普通混凝土路面相比还有以下几个优点：( 1 ) 保护地下水资源 透水性地面的共同特点就是其上的降水可以通过本身与地面下垫层相通的渗水路径渗入下 部十壤，因而对于地下水资源保护起剑积极的作朋；( 2 ) 改善城市热环境水是气温稳定的 首要冈素，城市中的河流、水池、雨水蒸汽、城市排水及土壤和植物中的水分都将影响城市 的温、湿度，这是冈为水的比热大，升温不易，降温也不易。所以水在蒸发时将吸收大量的 热量。水体对改善城市的温、湿度及形成局部的地方风都有明显的作用。透水性硬化地面由 于自身一系列与外部空气及下部透水垫层相连通的多孔构造，雨过天晴以后，透水性地面下 垫层十壤中丰富的毛细水通过自然蒸发和太脚1 辐射作用下的蒸腾作用使地表的温度降低，从 而有效地缓解了“热岛现象”；( 3 ) 改善城市地表十壤生态环境市区硬化地面常常出现雨 水蓄积和漫流现象，这种情况下非透水性铺装无疑会加重城市排水系统的压力，它是很多城 市夏季产生城区内涝的重要因素。不透水地面只能依靠表面汇水系统及城市排水管网排除地 表降雨，在暴雨时这种地面径流急剧增高，很快出现峰值，流量急升急降。而透水性铺装地 面由于自身良好的透水性能，能有效地缓解城市排水系统的泄洪压力，径流曲线平缓，其峰 值较低，并且流量也是缓升缓降，这对于城市防洪无疑是有利的。因此，铺装透水性地面不 失为城市广场防涝的积极措施。另外放置在水中的透水性混凝土为水生动植物提供了良好的 生存空间，可以达到净化污水的作用；( 4 ) 水体净化和改善地表径流透水性铺装兼有良好 的渗水性及保湿性，它既兼顾了人类活动对于硬化地面的使用要求，又能通过自身性能接近 天然草坪和十壤地面的生态优势减轻城市硬化地面对大自然的破坏程度，透水性地面铺装以 下的动植物及微生物的生存空间得到有效的保护，体现了自然生物环境的可持续发展的要 求。因而很好地体现了“与环境共生”的可持续发展理念。 我国虽然在透水铺装上有所研究，比如透水沥青的研究取得了一定的成果，但对透水 性混凝土的研究和应用还处在起步阶段，与国外相比还有很大的差距。从研究的角度来看， 开展透水性混凝土的研究有利于缩短我们与发达国家混凝十研究水平的差距，有利于拓宽我 国混凝土的应用前景；从环境保护的角度看，有利于改善城市的环境和维护生态平衡，符合 世界发展的趋势。由此可见，开展透水性混凝土路面铺装材料的研究有重大的现实意义。 1 2 国内外透水性混凝土研究及应用现状 1 2 1 国外研究及应用现状 日本于7 0 年代后期为解决“因抽取地下水而引起地基下沉”等问题，提出了“雨水的 地下还原政策州引，着手开发透水性混凝十铺装，并研究了透水性混凝土铺装材料的透水系 数与孔隙率和强度的关系。透水性混凝土主要应用在停车场、公园、人行道、住宅小区、高 2 东南大学硕上学位论文 速公路的中央分隔带及路肩等处。比如日本五福公园和上野不忍池公园中铺有透水性道路， 路面厚度7 0 2 0 0 m m ，水灰比约为0 3 5 ，使用的是5 1 3 r a m 或2 5 t m m 级配的碎石。为了 美化环境，改善混凝- f 二的单调色彩，人行道所采用的透水性混凝土面层一般铺有l o m m 厚的 彩色混凝土，为了保证面层混凝士的强度和耐久性，1 9 8 7 年日本研究者中请了透水性混凝 土路面材料专利。他们在胶结材中掺用了高分子树脂和微细骨料来制备透水性混凝十旧1 。 日本是个降雨量较多的国家，同时又是一个道路交通发达的国家。汽车的刹车效果会因 为雨水形成的水膜而减弱，容易引起交通事故。另一方面，车辆在路面上行驶时产生的噪音 是城市噪音污染的主要来源。为了解决这些问题，安全、快速、环保的行车路面的研究被提 到议事日程上来。在这种背景下，在近畿地方建设局对1 9 8 7 年近畿技术事务所为中心开发 的排水性路面上进行了透水性路面的施t 铺装。施工时间是1 9 9 3 年6 月，地点是日本和歌 山b p 地区，并在施：1 ：通车后的3 个月对路面的透水性，混和料的老化性，路面温度及噪 音量进行了追踪调查和评价。结果证明这种路面有利于雨水还原地下，降低路面温度和汽车 产生的噪音。 在美国，透水性混凝土一般不含细骨料，称为无细集料混凝土。美国的佛罗里达，新墨 西哥和犹它州已将无细集料混凝十作路面面层材料用于停车区路段，大多数工程建在佛罗里 达州。无细集料混凝土在该州得以广泛应用有3 个原因：由于地理位置的原因，佛罗里达 州容易出现由暴雨引起的骤发洪水，无细集料混凝十路面可以有效的缓解这种过大的径流 量；州法规规定雨水需就地滞留并让其流回地下水系统中去；普通混凝土上铺无细集料 混凝士表层后，可少设雨水沟渠和蓄水设施，从而可极大提高其成本效益。1 9 7 9 年在佛罗 里达的萨拉索塔基督教堂修建了一个停车场。路面的无细集料混凝十由i 型波特兰水泥，骨 料粒径范围6 1 2 5 m m ，加入了引气剂拌合而成。同时为了增大集料间的枯结强度，在混合 料中加入一种获专利的粘结添加剂水基环氧聚乙烯基丙烯酸乳液，集料与水泥的比例保 持为3 比1 。施j 时混合料采用螺旋拌合机拌合，铺路机摊铺后，用钢轮压路机碾压。试验 报告指出：混凝土2 8 天抗压强度达到2 6 2 m p a ；透水性为每平方米每分钟9 4 l ，相当于透水 系数1 5 7 m m s 。加了粘结添加剂的试验结果表明，2 8 天抗压和抗弯强度分别达剑2 7 6 m p a 和4 4 9 m p a ，与普通混凝十相差无几，给人以很人鼓舞。于是决定用它修建1 8 2 万m 2 的停 车场和萨拉索塔大学长1 6 k m 四车道的校嗣道路路面。8 0 年代，新泽西州和宾西法尼距州 公路部门已计划推广应用无细集料混凝土路面u 训。 目前美国不少州已规定并且试验在路面面层下设水泥混凝十透水基层以便迅速排水。除 新墨西哥州外，加利福尼距、伊利诺斯、俄克拉何马和威斯康星州都提出了有关普通水泥混 凝土透水基层的标准技术规范。其材料组成为普通水泥、水、粗集料和少量作为细集料的砂。 在法国已广泛开展用多孔混凝土作路边排水和硬路肩得试验，相比之下美国开展的还不 够广泛。为防止水泥路面唧泥的需要促使其在水泥板与路肩联接处铺设多孔贫混凝士基层， 这种基层也可用来迅速排除路面结构中的水。法国大多数试验是在d e s p o u t se tc h a u s s e e s 实验室完成的。透水混凝十由5 2 0 m m 轧制碎石、少量砂( 每立方米混凝士含1 0 0 4 3 0 1 7 5 k g ) 、普通矿渣水泥或火山灰矿渣水泥及饮用水拌制而成。为增加抗冻融能力，掺入 引气剂。其水灰比0 3 6 。0 5 5 之间。多孔混凝十的摊铺由两台边摊铺机和一台滑模摊铺机完 成，碾压设备需根据摊铺层厚度及合适的密实度要求选用。在摊铺和碾压后，采用在表面罩 一层乳液进行养护。m is s o u x 和l e r r i e n 两人用孔隙率为1 5 3 0 的透水性混凝土做试验得 出，其2 8 大抗压强度一般在1 4 m p a 以下，渗透率分别为每平方米每秒2 1 和2 9 立方米在 法国6 0 的网球场是用透水性混凝土修建的。另外，法国还将透水性混凝士大量用于网球场， 3 第一章绪论 其国内6 0 的网球场是用透水性混凝十修建的。除此之外，透水性混凝士还用在护坡绿化地 带，对河道两岸的生态环境创造良好的生态环境1 。 透水性混凝土也是有缺陷的，如在英国，一些工程师利用无细集料混凝十的排水特性， 采用整层摊铺的办法，在诺丁汉郡铺筑了一段艮1 8 3 m 的复合式路面。其结构为：面层为5 0 毫米厚无细集料混凝十：面层下层为正常密度普通混凝十层，厚2 0 3 毫米：并用单层金属网 加强；基层由5 0 毫米粒径的级配干燥石灰石组成，厚2 0 3 毫米，其上还覆盖一层防水聚乙 烯薄膜。开始这段试验路段i ：作性能良好，然而1 0 年后，试验路被认为是失败的。某些因 素( 如冻融循环和水力抽吸，或这两者的结合) 构成路面破坏的可能原因，加之该路段位于 农村，大量农用机具的行走，使无细集料混凝士的孔隙率被尘土填塞，路面积水，最终导致 表面松散剥落引。 在英国出现这些问题并不是个别的现象，在其他国家也出现过，冻融破坏和孔隙的封堵 是透水性混凝土应用中的难点。如何解决这些问题，对透水性混凝士的应用前景将十分有意 义。 1 2 2 国内研究及应用现状 与国外蓬勃开展的透水性混凝土铺装材料的研究情况相比，国内对透水性混凝土铺装材 料的研究明显不足，对高强高性能透水性混凝土的研究就更为欠缺，应用技术水平也较低。 这和我国作为一个混凝土应用大国的地位极为不相称。这种情况也不适应世界环境保护，可 持续发展的趋势。 近几年，在国内一些科研院所、大学开展了一些透水性混凝- 十的研究t 作。中国建筑材 料科学研究院在原国家建筑材料工业局的资助下，与1 9 9 3 年开始进行透水混凝土与透水 性混凝十路面砖的研究，1 9 9 5 年开始在试点工程中应用，得到用户好评。1 9 9 8 年通过部级 鉴定( 建材鉴字 1 9 9 8 第2 7 号) ，专家委员会一致认为“透水性混凝十路面砖的技术性能达 到国际先进水平川1 引。目前已在北京、上海、山东、山西等地推广应用，受到市政t 程设计 与建设部门的青睐。 中国建筑材料科学研究院水泥新材所王武祥对透水混凝土砖作了较多的研究，取得了一 定的成果。他对透水砖的透水机理、种类、强度和透水性及经济效盗进行了研究和分析。其 透水混凝土的抗压强度为5 2 0 m p a ，抗折强度为i - 一4 m p a ，孔隙率5 - - - 3 0 ，透水系数为1 0 1 5 o m m s 。 清华大学杨静，蒋国梁采用小粒径骨料，矿物细掺料和有机增强剂等方法，提高透水混 凝土道路材料的强度，研制出了力学性能符合国家建材行业标准要求，同时具有良好透水性 的混凝土道路材料。采用矿物细掺量，并配合使用高效减水剂，制得的路面砖抗压强度可以 达到3 5 m p a 以上；利用有机增强材料，使透水性混凝十材料的抗压强度达到4 0 m p a 以上5 。 国家建设部2 0 0 4 年提出国家生态圃林城市标准，明确规定城市建成区道路广场用地 中透水面积的比重应大于5 0 ，城市热岛效应程度( ) 小于2 5 。近日，南京第一条透水 混凝土市政道路，在幕府西路建成，如图1 1 。在南京，仙林大学城、秦淮河、珠江路也在 试用透水混凝十铺设，“场、步道，不久就将建成。专家测算，南京适合改造为透水人行道的 面积有3 7 0 万m 2 ，改造后可蓄水69 万m 3 ，相当于7 0 台水泵的排水遣。 4 东南大学碰i 学位论立 阿11 南京幕府西路透水性混凝土路面 多孔棍凝土具有良好的透水、透气特性，且具有一定的力学性能，随着人们对生态环境 的重视，在道路及公益性f 程( 如住宅小区、停车场) 中将得到日益j 泛应。但是，多孔 泄凝十的耐久性一直是其在实际席h 中面临的一个问题，其中突山的一点是多孔混凝十耐久 性的评价方法尚末确正。另外，国内生产的透水砖曾遍存在抗压强度和透水系数偏低等问题。 同时，国内对于透水性捏凝+ 的收缩和热膨胀性能的研究尚是一片空白，对于透水性混凝土 路面的施1 产生严重影响。解狄这些问题将对透水性混凝十的推广有重要作用。 1 3 研究目的、研究内容和研究思路 1 3 1 研究日的 在借鉴国外透水性溜凝f 制备的经验并参考 f 关多孔混凝十和碾压泥凝士研究和府用 经验基础上，基1 。对国内外透水性揽凝土研究现状的了解，针对日前国内研究的不足之处， 本文的研究目的主要是： i 、开发出一种】：作性较好、性价比高的透水性混凝土胶结村： 2 、提出高性能透水泥凝十配合比设计方法： 3 、阐明高性能透水混凝十在环境作用下的尖效机理； 4 、把握高性能透水性挂凝土透水性、强度、耐久性的影响因素： 5 、提出高性能透水性靓凝十路面结构形式、设计方法及施工 i 法。 1 3 2 研究内容 1 ，研究高性能透水性多孔混凝土的配台比殴计方法： 2 、研究高性能透水魁凝十不同的孔结构与力学性能的关系； 3 ，研究高性能透水泥凝七腔结材料( 硅灰、矿耪等) 的组成、结构及性能与透水洮凝 十强度之间的关系； 4 、研究胶结材和集抖问的微观界面； 第一章绪论 5 、研究不同空隙率对透水性混凝土力学性能和耐久性的影响： 6 、研究透水性多孔混凝一：收缩、热膨胀性能： 7 、研究透水性多孔混凝士路面结构设计及现场施：f 技术。 1 3 3 研究思路 基于前述对国内外透水性混凝土路面材料的研究现状了解，针对目前国内研究的不足之 处，借鉴国外先进经验，并参考有关普通，碾压混凝十配制和研究经验，本课题主要研究透 水性混凝十的配合比，成型，透水能力，收缩、热膨胀性能和耐久性。 本课题研究思路与技术路线主要为： 1 使用水泥，超细掺和料，高效减水剂及有机增强剂配制浆体，不加或少加细集料， 研究浆体的强度与透水性混凝土抗折强度的关系； 2 根据集料的强度和压碎值，确定压制成型的压力范围，研究在不同压力下成型混凝 土的强度，透水系数的变化情况，确定最佳成型压力； 3 参照日本学者研制的透水仪器，利用现有条件制作透水系数的测定仪器，在保证混 凝土应用性能的前提下，使透水性混凝土具有较好的透水系数； 4 通过s e - - 瑚扫描电镜分析，对聚合物改性、活性掺和料改性与抗冻性能、力学性能、收 缩热膨胀等宏观性能之问的联系进行分析。 5 通过掺加改性聚合物及活性掺合料对透水性多孔混凝十的力学性能和抗冻性能进行 改性。 6 对透水性多孔混凝十收缩和热膨胀性能进行测量研究，对施t 具有指导意义。 6 东南人学硕上学位论文 第二章试验原材料、试验方法及配合比设计 2 1 试验原材料 2 1 1 水泥 江南一小野田水泥有限公司生产，p 1 1 5 2 5 硅酸盐水泥，水泥的化学成分和物理力学 指标如表2 1 和表2 _ 2 。 表2 1 水泥化学成分( m a s s ) 初凝终凝3 天7 天3 天7 天2 8 天 指标3 8 41 4 01 9 06 21 0 3 2 1 2 集料 细骨料：南京市江宁区汤山石英砂厂生产的石英砂，经过清洗含泥量0 1 以下，粒径范 围1 m m - 2 m m ，表观密度2 5 8 8 k g m 3 ，堆积密度1 6 2 9 k g m 3 ，空隙率4 2 4 。粒径范围见表 2 _ 3 。 表2 1 砂的颗粒级配 粗骨料：南京金石磊生产的玄武岩碎石，含泥量( 包括含粉量) 0 9 ，针、片状含量按 重量计为6 2 3 ，压碎值2 6 8 9 6 。具体性能如表2 4 表2 4 粗集料的物理性能 编号 竺孑围( 搿度( 嚣度 空隙率( ) g 1 2 5 52 8 6 01 6 4 04 2 3 粗集料的级配是控制透水混凝十质量的一个重要指标。若集料粒径过大，则堆积骨架中 含有大量的空隙，当浆体使用量相同时，透水系数大，强度偏低；反之，虽然强度较高，而 透水性极差，这就与普通混凝土没有差异。研究表明，集料级配合理范围为： 1 0 m m ，( o 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 7 第二章试验原材料、试验方法及配合比设计 压强度、抗折强度、抗拉强度) 、颗粒形状均有一系列的要求，一般宜采用碎石1 1 6 1 。要求针、 片状颗粒含量按重量计不人于1 5 ，碎石中的含泥量( 包括含粉量) 不宜火于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，从而提高透水混凝土的整体强度。 2 1 3 外加剂 江苏省博特新材料有限公司生产的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。减水率2 0 以上。 2 1 4 水 普通自来水 2 1 5 可分散性乳胶粉 德国瓦克公司生产的5 0 4 4 n 可分散性乳胶粉，固体含量9 9 ，表观密度4 5 0 9 l 。 2 1 6 硅灰 华联外加剂厂提供的的硅灰( s f ) ，密度2 1 0g c m 3 ，比表面积2 0 0 0 0 m 2 k g 。化学成分 见表2 5 2 1 7 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 5 所示。密度 2 8 6g c i n 3 ，比表面积5 9 0m 2 k g 。 表2 5 矿物掺合料化学成分( m a s s ) 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士的搅拌是分两部分，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，然后加入水搅拌9 0 秒即可。对于单层 是透水性混凝七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： 8 东商人学顷i # 怔皓义 在实验室采川静压成型，利j 玎设计的特定耐压模儿，通过一系，0 压力试验确定台适的压 力范围，最后采成刚k 儿为i5 y p a 。对于复合层的试什采川分 j j 称衄、搅拌，一次布 料，一次加压成掣的方法成删。 另一种在实验室进行的成璀i 艺是振动成璎，将装妤混合料的模具艘在振动台上，并在 模且j 二加配重块，开动振动台一段时间停i | = 振动后川抹刀修平表面。 采王种试什几寸，1 0 0 m m x l 0 0 m 1 0 0 m 试什_ 拌通透水性混凝十抗压强度试验。 2 0 0 m m 1 0 0 m m x 6 0 m m 试件，州于透水砖抗，k 强度，4 0 m m 4 0 m m 1 6 0 m m 试什于抗折强度， 收缩性能试验和抗冻性试验测定：7 0 帅x7 0 胁7 0 帆试忭，_ l j 下热膨胀性能试验* 蛀。 研究中采用了两种养护方法，_ 。是放入养护空标准条件f 养护2 8 d ，标养条件是：温度 为2 0 2 ，相对湿度g j9 0 以上。对丁掺入乳胶柠的试竹则是标莽7 d ，然历空温养护至 2 8 d 。 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k 央具( 幽24 ) 。压力机精度不低下望抗兜 贝由硬钢制成，加压板k 1 2 0 m m 。宽为6 0 r r 吐l l ，加压面必须磨平( 幽23 ) 。 圈2 3 成型后特抹面的试块圈2 4 压力实验机 墨 加荷速度戍为：混凝l 强度等级低丁c 3 0 时取每秒钟o3 05 1 i p a ； i 己凝土强度等级 高j 碱等于c 3 0 时，敷 l 秒钟05 08 m p a 本实验中测试的试什慢度不高，所以般每秒钟 03 o5 咿a 。 按下式计算抗压强度： p f = 二_( 21 ) 式中：正试什的抗压强度，r p a ： 卜试件破坏时所受的破坏荷载 承压面积衄2 这吼a = 7 2 0 0 r 2 抗折强度 对丁4 0 m m 4 0 衄1 6 0 m m 的试件，将其放抗折强度试验机( 型号为a e c 1 ) 机上，按 如幽25 方法放置，j f 按f 式计算抗折强度，( 精确到00 1 t ( p a ) 第一二章试验原材料、试验方法及配合比设计 ，一3 p l j 厂面谆 式中，厂，试件的抗折强度，m p a 尸试什破坏时所受的破坏荷载，n ： 三支库间距，衄； b 试什截面尺寸，i l a m ； h 试件高度，衄 图2 5抗折强度试验示意图 ( 2 2 ) 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 贯穿混凝士且连续的有效孔隙，它的存在是透水性混凝十透水性的保证。 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v o ；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鼍职；则透水性混凝土的连续孔隙率p 按2 3 式计算： p ：fl 一车墨1 1 0 0 ( ) ( 2 3 ) y o 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 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 出试什的尺寸，并计算出其体积y ； 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 重嘲：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，测试试样加上金属丝筒在水中的总视重为m 2 ； 3 ) 取出试件，称量试件在饱和面干状态时的重量m 3 ； 4 ) 按下式计算试件的孔隙率p ( 精确到o 1 ) ： p ：l 一m 3 - i ( m _ 2 - 一m , ) 1 0 0 ( 2 4 ) v 4 透水系数 本论文试验中按恒定水头法测试多孔混凝土的透水系数，试件为1 0 6 m x1 5 0 1 m 圆柱 体试样，试件顶面上的恒定水头( h ) 控制在1 2 c m ，通过测算出单位时间内流过多孔混凝土 1 0 东南大学硕l ：学位论文 试件的水量计算透水系数，计算公式如下： 耻篇老( c m s ) 晓5 ， 式中，k t 水温为t 时恒定水头透水系数，c m s ； h - 试件高度，c m ； h 试件顶面恒定水头，c m ； q 一测算时间内流过试件的水量，c m 3 ； a 试件的横截面积，c m ； t 测试的时间，s ； t 1 ，r l 。广_ 水在测试温度( t ) 时与1 5 时的相对粘度。 5 收缩 根据普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法g b j 8 2 8 5 ，将试块放于恒温恒湿室， 使室温保持在( 2 0 士2 ) ，相对湿度保持在( 6 0 土5 ) 。 混凝土收缩试验应按下列步骤进行： 1 ) 测定代表某一混凝土收缩性能的特征值时，试件应在3 d 龄期( 从搅拌混凝土加水时 算起) 从标准养护室取出并立即移人恒温恒湿室测定其初始长度，此后至少应按以下规定的 时间间隔测量其变形读数： 1 ，3 ，7 ，1 4 ，2 8 ，4 5 ，6 0 ，9 0 ，1 2 0 ，1 5 0 ，1 8 0 d ( 从移入恒温恒湿室内算起) 。 测定混凝土在某一具体条件下的相对收缩值时( 包括在徐变试验时的混凝士收缩变形测 定) 应按要求的条件安排试验，对非标准养护试件如需移人恒温恒湿室进行试验，应先在该 室内预置4 h ，再测其初始值，以使它们具有同样的温度基准。测量时并应记下试件的初始 干湿状态。 2 ) 测量前应先用标准杆校正仪表的零点，并应在半天的测定过程中至少再复核卜2 次 ( 其中一次在全部试件侧读完后) 。如复核时发现零点与原值的偏差超过1 0 o l m m ，调零后应 重新测定。 3 ) 试件每次在收缩仪上放置的位置、方向均应保持一致。为此，试件上应标明相应的 记号。试件在放置及取出时间应轻稳仔纸勿使碰撞表架及表杆，如牡碰撞，则应取下试件， 重新以标准杆复核零点。用接触式引伸仪测定时，也应注意使每次测量时试件与仪表保持同 择的方向性。每次读数应重复3 次。 4 ) 试件在恒温恒湿室内放置在不吸水的搁架上，底面架空，其总支承面积不应人于 1 0 0 乘试件截面边长( i b m ) ，每个试件之间应至少留有3 0 m 的间霞。 5 ) 需要测定混凝士自缩值的试件，在3 d 龄期时从标准养护室取出后应立即密封处理， 密封处理可采用金属套或蜡封，采用金属套时试件装人后应盖严焊死，不得留有任何能使内 外湿度交换的缝隙。外露测头的周围也应用石蜡反复封堵严实。采用蜡封时至少应涂蜡3 次，每次涂蜡前应用浸蜡的纱布或蜡纸包缠严实，蜡封完毕后应套以塑料袋加以保护。自缩 试验期间，试件应无重量变化，如在1 8 0 d 试验间隔期内重量变化超过1 0 9 ，该试件的试验 结果无效。 混凝土收缩值应按下式计算： 。一厶一厶 铲弩 ( 2 6 ) 帮一卓骑娘村科、试骧方n 灶“音l 匕吐i t i | ：j 1 ： s 。试蠊j w 为l 走的混凝l 嫩缩仇，t 从初婚度时蚱起； i “试什的测姑柏、距，川泄凝十收缩仪测定时应嚣r 埘侧叉内侧的距离，即苍丁泄 凝f 城什的k 度( 不记侧头n 出部分) 减走2 倍侧头螂八深度( 册) ： i 一时问匠度的柳始读数( 舳) 。 6 热膨胀 本实验采t f j t 0 m m 7 0 帅x 7 0 m m 试什，试样在1 1 0 5 ：r 燥箱中干燥至恒承，既丰h 隔2 1 放人干燥器内玲却至室温。川游标k 儿( 02 ) 洳艟试样k 度，精确0l m m ，将试样放人 热膨胀仪内并记录此时的立温。在最初和全部加热过样巾，系统自动测定、记录试样的k 度， 梢确剑# & 度和k 度值。加热速率y , j 5q 【2 = i n + 1 ( 2 m i n 。 线性热嘭胀系数西州1 05 每摄氏度表示( 1 0 ，) ，精确到小数点肝第一位，按r 式表示： 1 虬 l f 式中 ( 27 ) k 审温f 试样的k 度( 岫) ： a e 试什室温月1 10 0 之间的增良( m m ) ： 出温度的升高值( ) 。 7 抗珠性 由r 多孔泄凝t 冻融破坏的特殊性，“快跞法”、“慢冻法”均不适j ：作为其抗殊性能的 评价疗珐。率立提种新疗冻融实验方法一单向快速球融法此方法模拟了实际环境中 的多扎混凝f 冻融过样f r 敢地释放了空隙中人体水的结冰压力，具体试验方法见筇三章。 试件经过珠融铺环肝测世其相对动弹模龄的f 降以及质龌损火率作为掉抗冻性能的计 价指标。冻融试什来4 0 m m x 4 0 m m x l 6 0 r a m 几寸是由。多孔灌凝 的耐久性破蜘、主要 现为日睾斗间的黏结浆体的破坏，日料车身对其影响不人。1 小j t j 试什盼黏结浆体破州、时， 目料颗粒的剁离表现得比人尺寸试什明显，田此小试什表观1 能更女r 地反映黏结浆体的破坏 t 自况。劫、融实啦机使川t d r i _ “快琏冻融丑；螗机，见目2 6 。冻融梢中充满措、融液己一孵 俄椎冻融液的温度变化进行冻融循环。冻融液涟而放置不锈钢容器彝器底m i 忙丁渡面r i c