外掺料对透水混凝土性能的影响研究_陈浩.pdf

Chongqing Architecture42第 22 卷 总第 233 期引文检索：陈浩，都增延，丁华柱，等.外掺料对透水混凝土性能的影响研究 J.重庆建筑，2023（3）：42-45.外掺料对透水混凝土性能的影响研究陈浩1，都增延2，丁华柱1,3，高伟星4，沈乾洲5，舒杨波6（1 重庆市綦江区朝野混凝土有限公司，重庆401420；2 重庆建工建材物流有限公司，重庆401122；3 成都建工第三建筑工程有限公司，四川成都610023；4 红狮控股集团有限公司，浙江金华321100；5 永善县富江混凝土有限公司，云南昭通657399；6 陕西省散装水泥与预拌砂浆推广发展协会，陕西西安710032）摘要：通过矿物掺合料改善水泥浆体与骨料粘结性能，在满足透水系数的条件下，透水混凝土获得良好力学性能。研究结果表明：矿物掺合料中偏高岭土改善透水混凝土力学性能效果最佳，化学外加剂中添加可分散胶粉提高透水混凝土力学性能显著；试验最优配合比为硅灰掺量 9%(占胶凝材料质量比，后同）、矿渣粉 15%、偏高岭土 15%，可分散胶粉掺量为 3%，羟丙基甲基纤维素为 0.15%，纳米二氧化硅为 0.15%。矿物掺合料在提高抗压强度的同时，对孔隙率和透水系数有所影响，化学外加剂在提高抗压强度的同时不影响透水混凝土的孔隙率和透水系数。关键词：透水混凝土；力学性能；外加剂中图分类号：U214.1+8 文献标识码：A 文章编号：1671-9107（2023）03-0042-04收稿日期：2022-08-16作者简介：陈浩（1983），男，重庆人，本科，助理工程师，主要从事预拌混凝土技术质量管理工作。InfluencesofAdmixtureonthePerformanceofPermeableConcreteChenHao,DuZengyan,DingHuazhu,GaoWeixing,ShenQianzhou,ShuYangboAbstract:Undertheconditionofsatisfyingthewaterpermeabilitycoefficient,permeableconcreteobtainsgoodmechanicalpropertiesbyimprovingtheadhesionperformanceofcementslurryandaggregatethroughmineraladmixtures.Theresultsshowthatmetakaolininthemineraladmixturehasthebesteffectonimprovingthemechanicalpropertiesofpermeableconcrete,andtheadditionofdispersiblerubberpowderinthechemicaladmixturecansignificantlyimprovethemechanicalpropertiesofpermeableconcrete;Theoptimummixproportioninthetestisasfollows:thecontentofsilicafumeis9%(accountingforthemassratioofthecementitiousmaterial,thesamebelow),slag15%,metakaolin15%,thedispersiblerubberpowder3%,hydroxypropylmethylcellulose0.15%,andnanosilica0.15%.Mineraladmixtureshaveaneffectontheporosityandpermeabilitycoefficientwhileimprovingthecompressivestrength;Chemicaladmixturescanenhancethecompressivestrengthwithoutaffectingtheporosityandpermeabilitycoefficientofpermeableconcrete.Keywords:permeableconcrete;mechanicalproperty;admixture0 引言透水混凝土是用胶凝材料将粗骨料胶结形成大量联通孔隙的混凝土，具有透水、透气、净水和强度偏低等特点1。在景观路面及排水结构路面应用中得到长足发展。在透水混凝土的技术研究中，通常采用优化水泥与骨料界面过渡区技术提高透水混凝土的力学性能，在 Longhi 等2的研究中，分析了普通水泥、石灰岩水泥及纳米水泥和矿物掺合料对透水混凝土性能的改善效果，发现纳米水泥的抗压强度增强效果最佳，为27.0MPa。透水混凝土的力学性能与界面过渡区有关，在不掺加细骨料与化学外加剂的情况下，水泥浆体与骨料之间的粘结强度不足以满足透水混凝土的工作要求。上述改善方法仅从单一因素考虑胶凝材料或骨料级配对透水混凝土性能的影响，透水混凝土 28d 抗压强度较低，欠缺多因素对透水混凝土性能影响的研究。透水混凝土力学与透水性能两者之间存在一定的矛盾关系。透水混凝土组成结构为悬浮密实结构，有较少或者没有细骨料填充而形成连通孔隙，具有较高的水渗透能力，而力学强度来源于硬化的浆体-骨料体系，因此强度与胶凝材料性质、用量、水泥石密实度等密切相关。当采用增加胶凝材料用量的方法提高强度时，浆体厚度增加，透水性能下降。研究表明，掺加矿物掺合料能够改善骨料与胶凝材料界面，增加浆体与骨料的粘结密实度，增强混凝土力学性能，并且透水性能满足要求。王栋民3研究发现，偏高岭土替代等质量水泥，混凝土的力学性能得到明显提高。主要原因是偏高岭土具有良好的微集料填充效应和火山灰效应。此外，偏高岭土含有较多可溶出活性三氧化二铝，能够与水泥水化生成的 Ca（OH）2发生二次水化反应，生成水化铝酸钙，若含有三氧化硫，可反应生成水化硫铝酸钙，使混凝土结构密实度增加，强度提高。而硅灰、矿渣能够与水泥水化生成的 Ca（OH）2发生水硬性反应，生成 C-S-H 凝胶及钙矾石等产物，提高透水混凝土力学性能。此外，随着研究的深入，更多化学外加剂运用到透水混凝土的制备中，改善其力学及透水性能。适宜的外加剂能够使水泥水化更充分，增强水泥浆体与骨料的粘结能力，强化骨料与浆体的界面过渡区，提高透水混凝土力学性能。此外，化学外加剂能够改善透水混凝土的化学抵抗性、酸碱度以及生物亲和性等性能4。通过单因素试验研究，通过添加偏高岭土、硅灰、矿粉和化学外加剂的方法改善浆体与骨料粘结性能，在满足透水性能要求前提下，开展了透水混凝土力学性能影响的试验研究，确定了矿物掺合料和化学外加剂的最佳掺量。doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2023.03.4243材料与技术Material&Technology2023NO.031 实验1.1原材料水泥：南特水泥 P.O42.5R 水泥，3d 抗折强度为 6.9MPa、抗压强度为 30.5MPa，28d 抗折强度为 8.8MPa、抗压强度为51.7MPa，其它技术性能指标符合现行规范要求。硅灰：市售。颗粒粒径分布在 0.05 100m 之间，平均粒径为 10m。偏高岭土：来自开封奇明耐火材料有限公司，细度（比表面积）为 437m2/kg，密度为 2.43g/cm3。其化学组成如表 1 所示。表 1 偏高岭土的化学组成（wt%）SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3Other50.9741.352.110.250.242.265.08矿渣粉：粒径分布在 1 100m，为微米级粉体。纳米二氧化硅（NS）纯度为 99.5%，粒径为 5 30nm；羟丙基甲基纤维素（HPMC）细度 100 目，粘度为 15 万 MPa.s。粗集料：选用重庆綦江产石灰石碎石，公称粒径为 510mm和 1020mm 的碎石。外加剂：为重庆牛迪建材有限公司产聚羧酸系缓凝型高效减水剂。1.2测试方法抗压强度及劈裂抗拉强度测试方法按混凝土物理力学性能试验方法标准（GB/T500812019）执行。透水系数5：透水系数 K 采用变化水头的方法：KT=QD AH（t2-t1）式中：KT水温 T 时的透水系数，cm/s；Q从时间t1 到 t2 透过混凝土的水量，cm3；D透水性混凝土试件厚度，cm；A混凝土透水面的面积，cm2；H水位差，cm；（t2-t1）测定时间，s。1.3基准配合比试验采用的基准配合比如表 2 所示。表 2 基准配合比/kgm-3原材料水泥水减水剂骨料（520mm）外掺料基准配合比320861.2158102 试验结果及分析2.1矿物掺合料对力学性能与透水性能的影响采用内掺矿物掺合料进行试验，其中硅灰掺量为 3%、6%、9%、12%、15%，矿渣粉掺量为 5%、10%、15%、20%、25%，偏 高 岭 土 掺 量 为 5%、10%、15%、20%、25%，测 定3d、7d、28d 抗压强度和 28d 劈裂抗拉强度，实测透水系数及孔隙率，确定硅灰、矿渣粉及偏高岭土的最佳掺量。2.1.1硅灰掺量对力学性能与透水性能的影响硅灰掺量对透水混凝土的力学性能和透水系数的影响如图 1 所 示。由 图可知，与空白组相比，一定掺量的硅灰可显著提升透水混凝土的抗压强度。当 硅 灰 掺 量为 9%时，抗压强度 增 长 最 显 著，28d 抗压强度达到18.5MPa。从图 1b可知，随着硅灰掺量的增加，透水混凝土的透水系数呈先减小后增大的趋势。当硅灰掺量在0 9%范围时，硅灰与水泥水化生成的 Ca(OH)2发生二次水化反应，形成致密的水泥硬化浆体，抗压强度升高，孔隙率降低，透 水 系 数 下 降。当硅灰掺量为 9%时，28d 抗压强度为 21.5MPa，透水系数为 5.8mm/s，孔隙率为 19.8%，与 空 白 组 相 比，抗压强度增加了13.0%。但当硅灰掺量超过 9%时，比表面积较大的硅灰消耗了部分水，导致水泥浆体流动度偏小不利于成型，使得孔隙率增大，透水系数增大，抗压强度下降。2.1.2 矿 渣 粉掺量对力学性能与透水性能的影响矿 渣 粉 掺 量对透水混凝土的不同龄期性能影响如图 2 所示。当矿渣粉掺量从 0 增大到a）硅灰掺量对抗压强度的影响b）硅灰掺量对透水系数及孔隙率的影响图 1 硅灰对抗压强度、孔隙率及透水系数的影响a）矿渣粉掺量对抗压强度的影响b)矿渣粉掺量对透水系数及孔隙率的影响图 2 矿渣粉掺量对抗压强度、孔隙率及透水系数的影响Chongqing Architecture44第 22 卷 总第 233 期15%，抗压强度由 18.7MPa 提升为 20.5MPa，增长了 9.6%，透水系数和孔隙率呈下降的趋势。当矿渣粉掺量超过 15%时，抗压强度下降。分析其原因为矿渣粉在碱性环境下发生水化反应生成凝胶状水化硅酸钙填充孔隙，形成致密的水泥硬化浆体，抗压强度升高，孔隙率降低，透水系数下降。建议矿渣粉最优掺量为 15%。2.1.3偏高岭土掺量对力学性能与透水性能的影响图 3 为偏高岭土对抗压强度、透水系数及实测孔隙率的影响。当偏高岭土掺量为015%，透水混凝土抗压强度显著提升。偏高岭土掺量为 15%的透水混凝土抗压强度为 23.2MPa，与空白组相比，提升了 24.1%，增长效果显著。这是因为偏高岭土内存在大量断裂的化学键，大量的活性二氧化硅与三氧化二铝与水泥水化产物氢氧化钙发生作用，生成 C-S-H 凝胶和水化铝酸钙，大幅度提升了试件的抗压强度3。但当偏高岭土掺量大于 15%时，试件的孔隙率及透水系数升高，不利于透水混凝土的成型，导致抗压强度下降。a）偏高岭土掺量对抗压强度的影响b)偏高岭土掺量对透水系数及孔隙率的影响图 3 偏高岭土对抗压强度、孔隙率及透水系数的影响2.2化学外加剂对力学性能及透水性能的影响采用外掺可分散胶粉、羟丙基甲基纤维素醚、纳米二氧化硅进行试验，其中胶粉掺量为 1%、2%、3%、4%、5%，羟丙基甲基纤维素醚掺量为 0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%，纳米二氧化硅掺量为 0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%。测定3d、7d、28d抗压强度、透水系数及实测孔隙率，确定胶粉、羟丙基甲基纤维素醚及纳米二氧化硅的最佳掺量。2.2.1胶粉对力学性能及透水性能的影响可分散胶粉对力学性能及透水性能的影响如图 4 所示。由图可知，胶粉对透水混凝土的抗压强度影响显著，而对透水系数及孔隙率影响不大。在水泥水化过程中，可分散胶粉能渗入到水泥浆体内部形成致密的聚合物网络结构，提升水泥浆体的内部密实程度，同时不影响骨料与浆体的孔隙而实现良好的透水性能。当胶粉掺量为 3%时，3d、7d、28d 抗压强度分别为 16.8MPa、20.5MPa、21.2MPa,与空白组相比，分别提升了13.5%、17.1%、13.4%。a）可分散胶粉掺量对抗压强度的影响b)可分散胶粉掺量对透水系数及孔隙率的影响图 4 可分散胶粉对抗压强度、孔隙率及透水系数的影响2.2.2羟丙基甲基纤维素醚对对力学性能与透水性能的影响羟丙基甲基纤维素醚掺量为 0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%。羟丙基甲基纤维素对透水混凝土抗压强度的影响见图5。当掺量 0.15%，试件的力学性能提高，当掺量 0.15%，试件的力学性能下降。对透水系数和孔隙率变化规律分析可知，羟丙基甲基纤维素醚掺量对透水系数和孔隙率影响不大。表明羟丙基甲基纤维素醚对透水混凝土的作用主要体现为改善浆体的性能，从而提升力学性能。当羟丙基甲基纤维素醚掺量为 0.15%时，3d、7d、28d 抗压强度分别为 15.7MPa、18.3MPa、20.5MPa，与空白组相比，分别提升了 6.1%、4.6%、9.6%。羟丙基甲基纤维素醚改善浆体性能主要体现为引入封闭独立微小气泡提高浆体的45材料与技术Material&Technology2023NO.03流动性能，使浆体更容易密实，提高试件的抗压强度。a）HPMC 掺量对抗压强度的影响b)HPMC 掺量对透水系数及孔隙率的影响图 5 HPMC 对抗压强度、孔隙率及透水系数的影响2.2.3纳米二氧化硅对透水混凝土力学与透水性能影响纳米二氧化硅添加量为 0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%，纳米二氧化硅掺量对抗压强度、透水系数及实测孔隙率的影响见图 6。纳米二氧化硅的掺入改善了水泥水化进程，细化水泥水化产物氢氧化钙，生成强度较高的 C-S-H 凝胶。当纳米二氧化硅掺量为 0 0.15%时，抗压强度提高，当掺量 0.15%时，抗压强度下降。与空白组相比，纳米二氧化硅掺量为 0.15%时混凝土具有最优的抗压强度，3d、7d、28d 抗压强度为分别为15.7MPa、19.2MPa、20.3MPa，抗压强度分别提高了6.1%、9.7、8.6%。a）NS 掺量对抗压强度的影响b)NS 掺量对透水系数及孔隙率的影响图 6 纳米二氧化硅对抗压强度、孔隙率及透水系数的影响3 结论试验以 28d 抗压强度及透水系数为指标，确定了试验最优配合比：硅灰掺量为 9%(占胶凝材料质量比，后同）、矿渣粉15%、偏高岭土 15%，可分散胶粉掺量为 3%，羟丙基甲基纤维素为 0.15%，纳米二氧化硅为 0.15%。（1）在矿物掺合料中，偏高岭土改善透水混凝土力学性能效果最佳，偏高岭土掺量为 15%的透水混凝土抗压强度为23.2MPa，与空白组相比，提升了 24.1%，增长效果显著。（2）在化学外加剂中，当胶粉掺量为 3%时，3d、7d、28d 抗压强度分别为 16.8MPa、20.5MPa、21.2MPa，与空白组相比，分别提升了 13.5%、17.1%、13.4%。参考文献：1张卫东，王成武，陆路，等.生态型透水混凝土物理力学性能研究进展 J.混凝土与水泥制品，2017（2）：8.2LonghiM，GonzalezM，RahmanS，etal.EvaluationofStrengthandAbrasionResistanceofPerviousConcreteMixesUsingThreeTypesofCementsC/TransportationResearchBoard94thAnnualMeeting.2015.3王栋民，扈士凯，熊卫峰，等.偏高岭土作为高性能混凝土掺合料的试验研究 C/全国高强与高性能混凝土学术交流会.2007.4骆静静，张磊蕾，刘远祥，等.可再分散乳胶粉与硅灰改性水泥基透水混凝土性能对比研究 J.混凝土与水泥制品，2018（12）：4.5刘叶锋，朋改非，易全新，等.高强透水性混凝土材料试验研究 J.混凝土，2005（3）：3.责任编辑：刘艳萍，董婉妮