透水地坪罩面劑，雙丙聚氨酯密封劑首選邦偉建材BW303，耐黃變性能好，使用進(jìn)口固化劑。

【作者機(jī)構(gòu)】 石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑系；廣西大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院
【來    源】 《硅酸鹽通報》 2017年第2期P747-752頁
【分 類 號】 TU528
【分類導(dǎo)航】 工業(yè)技術(shù)->建筑科學(xué)->建筑材料->非金屬材料->混凝土及混凝土制品
【關(guān) 鍵 字】 透水混凝土　　摻合料　　界面　　性能

【摘    要】 透水混凝土的最薄弱部位是骨料與膠凝材料的界面區(qū)域,為制備出高性能透水混凝土,本文研究了礦物活性超細(xì)粉和高分子聚合物對透水混凝土界面的增強(qiáng)增韌效應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn):超細(xì)粉煤灰和硅灰顆?？梢苑稚⒌浇缑孢^渡區(qū)的粗糙孔隙結(jié)構(gòu)區(qū)域,提高界面過渡層的致密程度。同時,摻入的聚合物向界面過渡層聚積,填充界面過渡區(qū)的細(xì)微孔隙,較適宜的聚合物摻量為8%~12%。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d樣品的抗折強(qiáng)度達(dá)到8.5 MPa,抗壓強(qiáng)度達(dá)到34.7MPa。另外,聚合物的柔性可有效阻止結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂紋的延伸,在一定程度上提高透水混凝土的韌性。

1 引言

據(jù)統(tǒng)計，截至2015年底，我國已有98座城市因受暴雨發(fā)生內(nèi)澇，隨著城市化建設(shè)，路面材料可以自然滲水的區(qū)域不斷減少，取而代之的是瀝青、混凝土、大理石等不透水的路面材料。怎樣才能緩解城市的內(nèi)澇之災(zāi)，那就是建造海綿城市，使城市建筑、配套設(shè)施都具備吸水功能。其主要建筑材料就是要大規(guī)模使用透水性的路面材料，與普通硬化混凝土路面相比，透水性混凝土路面具有良好的透水和透氣性。同時原材料可以采用活性固體廢棄物材料，具有良好的生態(tài)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益［1-4］。

目前，應(yīng)用透水路面材料的工程數(shù)量少，且大多集中在公園等小型室外場所，由于透水混凝土粗骨料粒徑大，膠結(jié)材料用量少，膠結(jié)點(diǎn)少，膠結(jié)層薄，界面過渡區(qū)薄弱，導(dǎo)致透水混凝土的強(qiáng)度低，限制了其大規(guī)模的應(yīng)用。因此，提高透水混凝土的強(qiáng)度成為關(guān)鍵，透水混凝土主要由骨料和膠結(jié)料組成，其強(qiáng)度一方面依賴于骨料之間形成嵌鎖作用，另一方面依賴于骨料和膠結(jié)料的界面結(jié)合作用。近年來，國內(nèi)外關(guān)于透水混凝土的研究從原材料的選取、配合比設(shè)計及路用性能等方面提出一些比較成熟的觀點(diǎn)和理論，例如:張瑤等［5］研究了自主研發(fā)的外加劑添加透水混凝土的合適配合比，不同水灰比和不同摻量時對透水混凝土抗壓強(qiáng)度和孔隙率的影響。張朝輝等［6］研究了水灰比、灰集比、膠結(jié)材料及集料性能對透水混凝土強(qiáng)度和透水性的影響。徐向舟等［7］研制了以烘干砂為主要原料，高標(biāo)號水泥為粘結(jié)劑的混凝土透水磚，并對透水磚進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度、透水率等物理指標(biāo)測試。以上透水性混凝土的力學(xué)性能研究多集中于從宏觀角度出發(fā)，然而力學(xué)性能的好壞關(guān)鍵取決于骨料和膠結(jié)料的界面區(qū)狀態(tài)，在該方面還鮮有報道，鑒于此本文擬從改善骨料和膠結(jié)料的界面過渡區(qū)狀態(tài)出發(fā)，系統(tǒng)研究透水混凝土骨料和膠結(jié)料界面的增強(qiáng)增韌，制備高性能透水混凝土。

透水混凝土的最薄弱部位是骨料與膠結(jié)料的界面區(qū)域，為制備出高性能透水混凝土，從優(yōu)化骨料與膠結(jié)料的界面結(jié)合狀態(tài)和膠結(jié)層的增強(qiáng)著手。改善膠結(jié)料體系，原材料主要以水泥為主，引入適量礦物活性超細(xì)粉(粉煤灰及硅灰等)和高分子聚合物改性劑。利用礦物活性超細(xì)粉的具有的火山灰活性效應(yīng)、微集料效應(yīng)和顆粒形態(tài)效應(yīng)以及有機(jī)聚合物具有的滲透性、填充性和粘結(jié)性能等，改善透水性混凝土界面結(jié)構(gòu)，解決透水性混凝土高透水性與高強(qiáng)度的矛盾，提高界面膠凝材料體系的膠結(jié)強(qiáng)度，強(qiáng)化界面區(qū)性能，提高抗壓抗彎拉強(qiáng)度及膠結(jié)料對骨料顆粒的把持力，達(dá)到對透水混凝土的增強(qiáng)增韌的目的。

2 實(shí)驗(yàn)

2．1 原材料

選用集料為石灰?guī)r類5．0～10．0 mm、10．0～15．0 mm兩種粒級碎石。膠凝材料體系主要采用鼎鑫P· O 42．5級普通硅酸鹽水泥，其比表面積為340 m2/kg;粉煤灰采用煤電廠電吸塵氣流分選工藝收集的超細(xì)粉煤灰I級灰，其技術(shù)指標(biāo)見表1;硅灰采用鐵合金廠生產(chǎn)的微硅粉，活性SiO2≥98%，氮吸附法測定比表面積18000 m2/kg，平均粒徑0．19 μm。水泥改性劑采用蘇州建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的SJ-601型有機(jī)高分子聚合物水泥改性劑;拌合用水是飲用自來水。

2．2 制備工藝

采用原材料分批投料水泥漿包裹技術(shù)制備透水混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件，用混凝土攪拌機(jī)機(jī)械拌合，在2．5～3．0 MPa的成型壓力下采用壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓制成型。成型尺寸100 mm×100 mm×100 mm用于抗壓強(qiáng)度測試，成型尺寸100 mm×100 mm×400 mm用于抗折強(qiáng)度及抗彎曲荷載變形測試。成型后用濕布覆蓋表面，在室溫(20±5)℃，相對濕度大于50%的環(huán)境下靜放一個到兩個晝夜，然后脫模，在溫度(20±2)℃，相對濕度95%以上養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至齡期進(jìn)行性能檢測。

2．3 測試方法

依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》對透水混凝土試件進(jìn)行力學(xué)性能檢測，采用SYE-2000型壓力試驗(yàn)機(jī)測試抗壓強(qiáng)度，萬能試驗(yàn)機(jī)測試抗折強(qiáng)度。透水混凝土界面區(qū)狀態(tài)在Philips XL30型掃描電子顯微鏡上分析。

抗彎曲荷載及其變形檢測借鑒標(biāo)準(zhǔn)JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中T0559-2005水泥混凝土抗彎拉彈性模量試驗(yàn)方法，在小型梁式試件底部中點(diǎn)位置貼應(yīng)變計，記錄儀同時記錄試樣的三分點(diǎn)抗彎拉荷載值和試樣跨中的應(yīng)變值，由式(1)將應(yīng)變值計算出試樣跨中的撓度值。

式中:▽為小梁試件中點(diǎn)撓度;L為梁跨距;ξ為梁底部中點(diǎn)應(yīng)變;H為梁試件高度;a為荷載距支座水平距離。

透水系數(shù)的測定參照北京地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/T775-2010《透水混凝土路面技術(shù)規(guī)程》和城鎮(zhèn)建設(shè)工程行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ/T135-2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》，自行研制簡易透水儀如圖1所示，以此橫向?qū)Ρ雀饕蛩貙ν杆禂?shù)的影響。試件與透水儀連接處用石蠟密封，透水儀上方有機(jī)玻璃圓筒中加水超過200 mm刻度線，用秒表記錄水位下降從200 mm至0 mm刻度所經(jīng)歷的時間，以秒計。透水混凝土試件的透水系數(shù)按公式(2)進(jìn)行計算。

式中:V為透水系數(shù)，mm/s;H為水位下降高度差，200 mm;Δt為水位從200 mm降至0 mm所經(jīng)歷的時間，s。

3 結(jié)果與討論

3．1 礦物活性超細(xì)粉對透水混凝土界面的增強(qiáng)效應(yīng)

透水混凝土中骨料和膠結(jié)料的界面過渡區(qū)與水泥石本體的結(jié)構(gòu)不同，硬化的透水性混凝土結(jié)構(gòu)是由水泥石、界面過渡區(qū)和集料三個重要環(huán)節(jié)組成，其中界面過渡區(qū)的性質(zhì)對混凝土的性質(zhì)起著決定性的作用，由于透水混凝土具有較多的宏觀連通孔隙，因此界面區(qū)在其中的作用和影響遠(yuǎn)比普通混凝土中突出?；炷恋慕缑孢^渡區(qū)結(jié)構(gòu)如圖2所示。界面過渡區(qū)具有較大的粗糙孔隙結(jié)構(gòu)，這是由于在新拌混凝土中，粗骨料碎石粗糙表面的吸水性，在其周圍包裹一層水膜，相對于混凝土本體骨料表面水量較多，因此在骨料周圍水泥水化生成的結(jié)晶產(chǎn)物晶體尺寸大，形成的孔隙多，隨著膠凝材料體系水化程度加大，生成的產(chǎn)物水化硅酸鈣凝膠體，氫氧化鈣晶體和鈣礬石等晶體逐漸進(jìn)入由大晶體構(gòu)成的界面區(qū)孔隙中。由此造成了界面過渡區(qū)的粗糙孔隙結(jié)構(gòu)，降低了界面區(qū)的強(qiáng)度和水泥本體與骨料的粘結(jié)力，在透水混凝土中尤為突出，因此使透水混凝土力學(xué)性能降低，限制了透水混凝土的大規(guī)模應(yīng)用。鑒于本實(shí)驗(yàn)優(yōu)化膠結(jié)料體系，摻入超細(xì)粉煤灰和硅灰，使其達(dá)到緊密堆積狀態(tài)，界面過渡區(qū)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)網(wǎng)進(jìn)一步密實(shí)而起到強(qiáng)化作用，提高透水混凝土的力學(xué)性能。

圖3和圖4示出了摻入超細(xì)粉煤灰和硅灰的透水混凝土的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度變化趨勢。圖3和圖4表明隨著粉煤灰摻量由8%增至16%透水混凝土的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均逐漸增加，但粉煤灰摻量過大時強(qiáng)度又略有下降。在不同粉煤灰摻量下對比了復(fù)摻硅灰對混凝土強(qiáng)度的影響，隨著硅灰摻量的增加，試樣的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均有明顯提高，但硅灰摻量較多時強(qiáng)度又有所下降，硅灰的摻量應(yīng)不超過8%，同時粉煤灰的摻量在16%左右時透水混凝土具有較高的抗折和抗壓強(qiáng)度。透水混凝土的抗折能力對于結(jié)構(gòu)缺陷更加敏感，界面過渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)網(wǎng)的密實(shí)度和水化產(chǎn)生的結(jié)晶應(yīng)力起到關(guān)鍵作用。而加入超細(xì)粉煤灰和硅灰的微集料效應(yīng)以及活性微粉的二次水化產(chǎn)生的結(jié)晶應(yīng)力可以使得結(jié)構(gòu)網(wǎng)進(jìn)一步密實(shí)而起到強(qiáng)化作用，降低過渡區(qū)微觀缺陷，從而有利于提高其力學(xué)性能。

分析原因礦物活性超細(xì)粉對透水混凝土強(qiáng)度的提高主要源于兩方面:一方面增強(qiáng)了膠結(jié)料，第二方面改善了界面過渡層的狀態(tài)。粉煤灰和硅灰的火山灰效應(yīng)消耗大量的氫氧化鈣，生成低堿性水化硅酸鈣，低堿性水化硅酸鈣具有更致密的微觀結(jié)構(gòu)，同時兩種礦物超細(xì)粉體在膠凝材料體系水化中起到微晶核的作用，加速水化的同時增加產(chǎn)物凝膠體數(shù)量和均勻度。另外復(fù)合超細(xì)粉不同粒級的填充作用有利于提高水泥石的致密程度，從而提高膠結(jié)層的強(qiáng)度。

同時，骨料與膠結(jié)料的界面過渡層得到改善。分析原因透水混凝土的膠結(jié)料體系采用普通硅酸鹽水泥、超細(xì)粉煤灰和硅灰，由激光粒度分析儀測定水泥的平均粒徑為34．9 μm，超細(xì)粉煤灰的平均粒徑為9．62 μm，可見粉煤灰的粒徑明顯小于水泥的粒徑，因此粉煤灰可以填充水泥顆粒形成的空隙，增加其密實(shí)程度。然而，粉煤灰中粒徑小于0．5 μm的顆粒含量很少，在這樣的小尺寸范圍內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)緊密堆積，因此摻入平均粒徑更小的硅灰。根據(jù)顆粒堆積的Horsfield模型［8］，如果在某顆粒體系中摻入粒徑尺寸形成極差的更細(xì)的顆粒，即多粒級顆粒中粒徑為上一級尺寸半徑的0．225倍及更細(xì)的顆粒，這種復(fù)合粒級的引入可以填充到上一級粉體的三角孔隙和四角孔隙中，整體提高體系堆積密實(shí)度和降低結(jié)構(gòu)孔隙率。

膠結(jié)材中摻入不同粒級的粉煤灰和硅灰可以填充至水泥顆?？紫吨校@些不同粒徑顆粒之間形成微集料密實(shí)填充效應(yīng)，使其接近最緊密堆積狀態(tài)，有利于提高膠結(jié)料的致密程度。尤其是粉煤灰和硅灰這些超細(xì)活性粉體可以分散到骨料與膠結(jié)料界面過渡區(qū)的粗糙孔隙結(jié)構(gòu)區(qū)域，提高界面過渡層的致密程度，使界面區(qū)域充分水化生成大量結(jié)構(gòu)致密的水化硅酸鈣凝膠，沒有氫氧化鈣大晶體產(chǎn)生，使界面過渡層與粗骨料形成大面積緊密粘結(jié)，從而增強(qiáng)界面結(jié)合狀態(tài)，提高了透水混凝土的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。同時粉煤灰和硅灰的摻量不宜過大，摻量過大強(qiáng)度增加不明顯且由于超細(xì)粉的巨大比表面積會導(dǎo)致拌合用水量增加及收縮量增加。較適宜的超細(xì)粉煤灰的摻量為16%左右，硅灰的摻量為6%左右。

表2示出了摻入粉煤灰和硅灰透水混凝土的孔隙率和透水系數(shù)，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)摻入粉煤灰和硅灰的透水混凝土28 d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均有明顯的提高，其孔隙率和透水系數(shù)略有減小，但減小程度不顯著，其透水系數(shù)仍能滿足透水混凝土的透水性能。這說明適量的超細(xì)活性粉體粉煤灰和硅灰的摻入可以強(qiáng)化膠結(jié)層和改善界面過渡層結(jié)構(gòu)，提高透水混凝土的強(qiáng)度，同時膠結(jié)料不堵塞粗骨料骨架搭接成的孔隙，保持一定的孔隙空間和連通性來滿足透水性。

3．2 聚合物對透水混凝土界面的增強(qiáng)增韌效應(yīng)

在上述研究基礎(chǔ)上，透水混凝土中不僅摻入礦物活性超細(xì)粉粉煤灰和硅灰，同時還摻入一定量的有機(jī)高分子聚合物水泥改性劑，這些聚合物包裹在粗骨料周圍，分散在膠凝材料體系內(nèi)，與水泥等一起將粗骨料膠結(jié)成堅固的整體。以粉煤灰摻量16%和硅灰摻量6%作為基準(zhǔn)膠結(jié)料，其中分別摻入0%、4%、8%、12%、16%的SJ-601有機(jī)高分子聚合物。圖5示出了聚合物不同摻量時透水混凝土的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度?？梢?，與不摻聚合物的試樣相比，隨著高分子聚合物摻量的增加抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均有明顯的增長趨勢，其中聚合物摻量為16%時抗折強(qiáng)度由5．6 MPa提高至9．2 MPa，抗壓強(qiáng)度由28．9 MPa提高至35．5 MPa，抗折強(qiáng)度的提高幅度明顯高于抗壓強(qiáng)度。聚合物摻量為12%時，試樣的抗折強(qiáng)度為8．5MPa，抗壓強(qiáng)度為34．7MPa。由此得出，聚合物的摻入對提高透水混凝土的力學(xué)性能具有明顯優(yōu)勢。分析原因SJ-601聚合物是一種水泥改性劑，該水泥改性劑由于自身的滾珠潤滑作用和表面活性劑分散作用，使?jié){體的流動性提高，起到了減水的效果。同時，摻入聚合物能增加膠結(jié)料漿體的稠度和粘聚性，增強(qiáng)膠結(jié)料漿體與粗骨料間的粘結(jié)力，改善混凝土成型時的均勻性和穩(wěn)定性。大大降低流漿現(xiàn)象，提高透水混凝土的強(qiáng)度。

圖6示出了有機(jī)高分子聚合物不同摻量時透水混凝土試樣的抗彎曲荷載與撓度的關(guān)系曲線，由此可知，在荷載作用較小時，透水混凝土的荷載與撓度曲線均表現(xiàn)出較好的彈性性能。隨荷載增加，曲線初期近似呈直線形式，其斜率即試樣的彈性模量。不摻聚合物時試樣的荷載撓度曲線對應(yīng)的斜率較大，隨著聚合物摻量增加，曲線斜率有所降低，同時試件所能承受的最大荷載值顯著提高。另外，不摻聚合物的試樣抗彎荷載與撓度曲線的上凸部分較短，而隨著聚合物的摻入該曲線的上凸部分明顯變長，這說明不摻聚合物的透水混凝土承受彎曲荷載時主要表現(xiàn)為脆性斷裂，而聚合物的加入使透水混凝土在承受荷載時呈現(xiàn)出彈塑性特征。這是因?yàn)榫酆衔镌谕杆炷林惺纬删酆衔锬泳鶆蚍稚⒃谡麄€混凝土結(jié)構(gòu)中，同時填充界面區(qū)域的微小孔隙，修復(fù)微結(jié)構(gòu)缺陷。由于聚合物的柔性，生成的聚合物膜在彎曲應(yīng)力作用下可使結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷應(yīng)力松弛，可以吸收微裂紋在混凝土中延伸所需的斷裂能，有效阻止裂紋的延伸，因此聚合物的摻入有效改善混凝土的脆性，明顯提高其韌性，從而達(dá)到對透水混凝土的增強(qiáng)增韌效果。

表3示出了不同聚合物摻量時透水混凝土試樣的孔隙率和透水系數(shù)。由表可見，隨著聚合物摻量的增加孔隙率和透水系數(shù)均呈減小趨勢。當(dāng)聚合物的摻量不超過12%時，透水系數(shù)仍能達(dá)到4．2 mm·s－1，同時孔隙率達(dá)到16．4%，此時仍能滿足透水混凝土的透水性能。但當(dāng)聚合物摻量達(dá)到16%時，試樣透水系數(shù)顯著降低，同時孔隙率減小，密實(shí)度增大。這是由于有機(jī)高分子聚合物摻量較低時，聚合物和水泥以及摻入的活性超細(xì)粉體構(gòu)成膠結(jié)層，聚合物主要填充膠結(jié)材料體系內(nèi)部和界面過渡層的微小孔隙中，因此提高了膠結(jié)層和界面過渡層的致密程度。然而，當(dāng)聚合物摻量過多時，多余的聚合物就會填充在粗骨料相互搭接的連通孔隙中，導(dǎo)致孔隙率和透水系數(shù)明顯降低，因此，聚合物的摻入有利于改善膠結(jié)層和界面過渡層結(jié)構(gòu)，但摻量不宜過多，本實(shí)驗(yàn)中較適宜的聚合物摻量范圍為8%～12%。

圖7對比了以水泥單獨(dú)作為膠結(jié)料和以水泥-活性超細(xì)粉-聚合物作為膠結(jié)料時透水混凝土界面過渡區(qū)域的微觀形貌。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以水泥作為膠結(jié)料制備的透水混凝土在骨料和膠結(jié)料的界面位置存在明顯的間隙，而以水泥-活性超細(xì)粉-聚合物作為膠結(jié)料制備的透水混凝土其界面區(qū)域粘結(jié)緊密，摻入有機(jī)高分子聚合物的膠結(jié)料不僅增強(qiáng)了膠結(jié)層，還牢牢地把骨料顆粒握裹在一起，在本質(zhì)上改善了骨料與膠結(jié)料的界面過渡層結(jié)構(gòu)。分析原因有機(jī)高分子聚合物對透水混凝土的增強(qiáng)作用是在粗骨料與膠結(jié)材料體系的界面處形成較高強(qiáng)度的粘結(jié)膜，并填充界面過渡層及膠結(jié)材料體系內(nèi)部的細(xì)微孔隙。膠結(jié)材料體系水化反應(yīng)與聚合物粘結(jié)膜的形成同時進(jìn)行，加之礦物微粉的二次水化，可使生成的結(jié)構(gòu)網(wǎng)進(jìn)一步密實(shí)和強(qiáng)化，該結(jié)構(gòu)使骨料顆粒與膠結(jié)料體系牢固地粘結(jié)在一起形成一個復(fù)合體［9］。進(jìn)而減少了混凝土內(nèi)部各種原生缺陷和微裂紋的比例，對提高透水混凝土的力學(xué)性能起到促進(jìn)作用。

4 結(jié)論

(1)礦物活性超細(xì)粉對透水混凝土界面具有增強(qiáng)效應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)適量的超細(xì)粉煤灰和硅灰的摻入可以強(qiáng)化膠結(jié)層并提高界面過渡層的致密程度，使透水混凝土的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度提高;

(2)聚合物對透水混凝土界面具有增強(qiáng)效應(yīng)，填充界面過渡區(qū)的細(xì)微孔隙，使混凝土強(qiáng)度提高，28 d抗折強(qiáng)度達(dá)到8．5 MPa，抗壓強(qiáng)度達(dá)到34．7 MPa。同時為了滿足透水性，較適宜的聚合物摻量為8%～12%;

(3)聚合物對透水混凝土界面具有增韌效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)聚合物的柔性可使結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷應(yīng)力松弛，可以吸收微裂紋在混凝土中延伸所需的斷裂能，有效阻止裂紋的延伸，因此聚合物的摻入有效改善混凝土的脆性，明顯提高其韌性。

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