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骨料粒径对透水混凝土的力学性能与透水性能的研究

关键词：骨料；粒径；透水；混凝土；力学性能
在海绵城市的建设中，透水混凝土应用广泛，它不仅需要满足普通混凝土的强度要求，还得有一定的透水率满足渗水要求。在武汉青山海绵城市的建设中，我们对透水混凝土做了一些试验，就骨料的粒径对透水混凝土的力学性能与透水性能的影响做了一些研究。
1原材料
1.1、水泥
在透水混凝土的组成成分中，水泥为主要成分，而且由于骨料成分中的细骨料含量较少，或者有的工程建设中所用的透水混凝土中没有细骨料成分，所以说透水混凝土就是一个由水泥浆体将粗骨料进行包裹的非封闭的结构。经过对透水混凝土进行破坏试验分析可知，透水混凝土结构中容易发生破坏的部位主要位于强度等级较低的水泥和粗骨料的粘结界面，这主要是因为其结构中所用的骨料的强度比水泥的强度要高，所以导致出现破坏的结构通常位于骨料界面间的水泥石层中。由以上试验和分析可知，水泥的活性、品种、性能和质量对透水混凝土的性能有着较大的影响，所以在进行透水混凝土的制作时，应选用强度高、其他掺合材料较少的硅酸盐水泥，综上所述，在本项目中采用的是PO42.5水泥。
1.2、骨料
透水混凝土与普通的混凝土最大的不同就是骨料级配的不同，其主要采用的是间断级配或单一级配的骨料，这些骨料在水泥中进行堆积会造成大量的孔隙，就是透水混凝土具有透水特性的重要原因。所以说骨料的性质直接决定透水混凝土的透水性能，其主要分为普通骨料和特种骨料两种，前者主要包括砂和碎石，而后者主要包括各种人造骨料和天然骨料等。本项目采用的级配碎石，粒型圆润，针片状含量宜为8%以下，压碎值宜为10%以下。
1.3、矿物掺合料
经过对透水混凝土性能试验可知，其组成成分中所含有的矿物掺合料是决定透水混凝土具有某些特殊性能的主要原因，并对其力学性能和耐久性等具有增强的作用。试验中所采用的掺合料主要有粉煤灰、矿渣、硅灰。为了达到不同的性能特点，可以在混凝土中加入一种或几种掺合料，而且加入的掺合料的数量也会所有不同。而且在加入上述掺合料的时候，需要按照透水混凝土制作的相关规范要求进行。这是由于虽然说矿渣、粉煤灰以及硅灰等物质可以提高透水混凝土的某些性能，但是以硅灰为例，其添加量过多还会影响混凝土的流动性，所以在掺入了硅灰之后，需要加入减水剂来对硅灰的不利作用进行弥补，确保混凝土的流动性符合设计要求。但是硅灰是一种价格昂贵的材料，所以鉴于以上原因，通常可以采用粉煤灰进行代替，本项目所釆用的矿物掺合料为粉煤灰。
1.4、外加剂
透水混凝土的成分中除了具有上述基本材料以外，还有少量的其他外加剂，而且根据所加入外加剂所起到的作用的不同，具有不同的外加剂种类，以增强剂为例，其主要是提高水泥浆和骨料之间的界面强度；而上文中所介绍到的减水剂则是为了对混凝土的流动性进行改善；着色剂是为了提高混凝土的美观性‘消石灰则是为了提高水泥浆的粘性以及面层的平整度，还会对酸性物质起到中和作用，提高其耐久性；此外，还有硫酸钠、氯化钙等早强剂，其可以提高混凝土的硬化速度。本项目在试验过程中采用了聚羧酸类减水剂和混凝土增强剂。
2配合比
3试件成型及养护
3.1、搅拌工艺
搅拌工艺通常被理解为两种。
第一种称为一次投料法：第一步，按试验计算出的配合比的数据把相应的材料的量称好，第二步把这些材料除了水都放入搅拌机中，开始搅拌1min，1min后再将称好的水倒入搅拌机中搅拌，称好的水不能一次性的倒入，要分为2~3次倒入，每次倒入水后都搅拌一定时间再接着倒入，搅拌时间总和要控制在2~5min。
第二种搅拌工艺被称为二次投料法：第一步仍然是按配合比参数将材料的量称量好，第二步将称好的粗骨料的量以及大约一半的水加入到搅拌机中搅拌，半分钟后再加入水泥、粉煤灰、减水剂等材料，搅拌一定时间后再最后加入剩下的约一半的水进行搅拌，大约再进行搅拌50s后暂停。
3.2、成型工艺
常用透水混凝土的成型选取两种方法：
第一是静压成型工艺，其原理是在成型时采用特定的压头，在经过压力试验并确定所采用的压力大小之后，在保持一定的压力大小的状态下持续一定时间进行起到成型的目的。所以说此种成型方式中压力大小和时间是两个最重要的因素，压力过大会对模具造成破坏，而太小则无法满足成型的要求，引起试件疏松，无法满足强度要求。如果静压的时间过长则会造成时间的浪费，而时间太短则会导致强度不足。
第二滑丝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振动段时问，停止振动后用抹刀修平表面。在确定振动时间的试验中注意到，振动时间叫过短试件比较疏松，强度太低：振动时间过长试件底部浆体沉积多，透水性太差。经过振动效果比较，本研究采用振动时间为15s。
3.3、养护方式
本研究的养护方式采用水中养护，试件成型24小时后拆模放入水中养护7天或14天或28天，并每天记录水槽温度。采用试件尺寸：100mm×100mm×100mm试件。
3透水混凝土性能测试
3.1粒径对透水混凝土力学性能的影响
参照建材行业标准测定试件的抗压强度。采片液压式能压力机加压，受压面积为100mm×100mm，压力机精度不低于±2%，加荷速度和数据处理按规范进行。本次试件尺寸为非标准试件尺寸，因此换算成标准值时要乘以换算系数0.95。参照标准JC446-91测定试件的抗折强度。抗折强度在液压式万能压力机上进行跨度为300mm，加载速度约为0.1~0.2MPa/s。数据精确至0.1MPa。
项目组分别研究了3种不同粒径骨料（4.75mm，9.5mm，13.2mm）对混凝土力学性能的影响，分别测试其14d抗压强度和抗折强度。试验结果见表3-1和表3-2所示。
透水混凝土的抗折强度和抗压强度都随着粒径的变大而减小。原因是粗骨料的粒径愈小，混凝土单位体积的表面积是愈大的。
3粒径对透水混凝土透水性能的影响
透水系数受到测试仪器、透水试件的饱水程度、试件内部孔隙大小及分布、仪器边缘渗漏和水、温度的影响。本次试验参照透水水泥混泥土技术规程中的透水系数测试方法。
项目组分别研究了3种不同粒径骨料（4.75mm，9.5mm，13.2mm）对混凝土透水性能的影响，分别测试其透水系数。试验结果见表3-3。
表3-3不同粒径混凝土的透水系数
透水系数随着粒径的增大而变大。对透水系数而言，当选择骨料粒径较小时，粗骨料相互间的孔隙也是会减小的，进而透水系数就会变小。
4小结
（1）确定适合透水混凝土结构特性的配合比设计方法及制备方法，简要介绍了透水混凝土试块配制过程中，水泥、粗骨料、掺和料、外加剂等原料的选择原则、主要的技术要求和原理。
（2）研究了粒径与改性剂对透水混凝土的力学性能与透水性能的影响，粒径越小，力学强度越高，但透水系数越小
Reference：
[1]王奕仁,王栋民.骨料种类与品质对透水混凝土性能影响的研究进展[J].材料导报,2017,31(17):98-105.
[2]乔宏霞,卢国文,王晋伟,等.粗骨料级配对透水混凝土性能的影响[J].混凝土,2017(9):64-68.

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