透水性混凝土强度-渗透性模型试验研究.pdf
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1、第 3 5卷第 4 期 2 0 1 3年 8月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l ,Ar c h i t e c t u r a l& En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g V o 1 3 5 N o 4 Aug2 01 3 d o i : 1 0 1 1 8 3 5 j i s s n 1 6 7 4 4 7 6 4 2 0 1 3 0 4 0 1 8 透水性混凝土强度一 渗透性模型试验研究 崔新壮 , 欧金秋 , 张 娜 , 高智琚 , 隋 伟 ( 山 东大学 土建与水利学 院, 济
2、 南 2 5 0 0 6 1 ) 摘 要 : 高透水性是透水性混凝土的重要特征 , 现有的透水性混凝土渗透 系数测试装置存在试件侧 壁 渗漏 问题 , 为此提 出 了一 种试件侧 面防 水涂抹 + 柔性 夹层 +套 筒 刚性壁 的 防侧 漏复合 结构 , 提 高 了渗透 系数 测试精 度 。透水 性混 凝 土的透 水性 和 强度 是 一对 矛盾 体 , 此 消彼 长 , 但 目前 对 它们 之 间 关系缺乏 系统的研究。通过室 内渗透性和强度试验研究 了多种 因素( 如: 水灰比、 集灰 比、 孔 隙率) 对透水性混凝土的强度和透水性的影响, 建立了强度一 孔隙率模型、 渗透性一 孔隙率模型和
3、强度一 渗透 性模型。研究结果表明: 透水性混凝土与普通混凝土不同, 存在一个最佳水灰 比, 最佳水灰比对应 的强度最大; 强度和水灰 比成开 口向下的二次抛物线关 系, 而孔 隙率和集灰比均与渗透 系数成正相 关关 系; 透水性混凝土强度和渗透性关 系服从 L o r e n t z i a n函数, 强度 随渗透性的增大而逐 渐降低 , 降低速度先快后慢 。在工程设计 中应根据具体要求, 确定最佳的强度和渗透性组合。 关键词 : 透水性混凝土; 渗透系数 ; 强度一 渗透性模型 中图分 类 号 : T B 3 0 2 文献标 志 码 : A 文章编 号 : 1 6 7 4 - 4 7 6
4、4 ( 2 0 1 3 ) 0 4 一 O 1 1 4 0 7 S t r e ng t h - p e r me a b i l i t y M o d e l o f Pe r v i o u s Ce me nt Co nc r e t e O u i Xin z h u a n g,O u J in q iu,Z h a n g N a,G a o Z h q u n,S u i We i ( S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g,S h a n d o n g Un i v e r s i t y ,J i n a n 2 5 0
5、 0 6 1 ,P R Ch i n a ) Ab s t r a c t :H i g h pe r me a bi l i t y i s a n i mp or t a n t c ha r a c t e r i s t i c o f pe r vi o us c on c r e t e For t he e x i s t i ng p e r me a b i l i t y t e s t i n g d e v i c e s o f p e r v i o u s c o n c r e t e ,t h e s p e c i me n s i d e wa l l l
6、 e a k a g e i s s e r i o u s d u e t o t h e l a r g e n umbe r s o f o pe n p or e s o n t he s u r f a c e o f s pe c i m e n s To s o l v e t h e p r ob l e m , a ne w pe r m e a bi l i t y t e s t i ng me t h o d f or p e r v i ou s c o nc r e t e wa s d e v e l o p e d a nd a c o m p o s i t
7、e s i de wa l l s t r u c t u r e wi t h wa t e r p r oo f d a u b, f l e xi b l e r u bbe r c u s hi o n a nd r i g i d s l e e v e s i d e wa l l wa s pr o po s e d M e a n whi l e,t he s t r e n gt h a n d p e r m e a b i l i t y o f pe r v i o us c e me n t c o nc r e t e a r e i n c o m p a t i
8、 bl e wi t h a r e c i p r oc a l r e l a t i o ns hi p Howe v e r ,l i mi t e d r e s e a r c h h a s b e e n c o n d u c t e d o n t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e mEf f e c t s o f wa t e r c e me n t r a t i o( W C) ,a g g r e g a t e c e me n t r a t i o a nd p or o s i t y on t
9、 he pr o pe r t i e s o f p e r vi ou s c o nc r e t e, i n c l u di n g s t r e n gt h a nd pe r m e a bi l i t y, we r e s t ud i e d Fur t he r mor e, s t r e n gt h p or os i t y mod e l , p e r m e a bi l i t y - po r o s i t y m o d e l a n d s t r e n gt h p e r m e a b i l i t y mo d e l we
10、r e e s t a b l i s h e d Te s t s r e v e a l t h a t :a )Th e r e i s a n o p t i mu m W c o f p e r v i o u s c o n c r e t e ,a t wh i c h s t r e n g t h r e a c h e s t h e ma x i mu m;b)Th e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e s t r e n g t h a n d w c s h o ws a d o wn wa r d q u a d
11、r a t i c c u r v e ,a n d t h e p e r me a b i l i t y i s p r o p o r t i o n a l t o p o r o s i t y a n d a g g r e g a t e c e me n t r a t i o;c ) Th e r e l a t i o n s h i p b e t we e n s t r e n g t h a n d p e r me a b i l i t y o f p e r v i o u s c e me n t c o n c r e t e c a n b e we
12、l l f i t t e d wi t h t h e Lo r e n t z i a n f u n c t i o n,a n d t h e s t r e n g t h d e c r e a s e s wh e n t h e p e r me a b i l i t y i n c r e a s e s ,b u t t h e r a t e o f r e d u c t i o n d e c r e a s e s g r a d u a l l y Th e o p t i mu m c o mb i n a t i o n o f s t r e n g t
13、h a n d p e r me a b i l i t y s h o u l d b e d e t e r mi n e d b a s e d o n 收稿 日期 基 金 项 目 作者 简介 : 20 12 07 31 : 国家 自然科学基金 项 目( 5 1 2 7 9 0 9 4 、 5 1 0 7 8 2 2 2 、 5 0 7 0 8 0 5 6 ) ; 山东 省 自然 科学基 金项 目( Z R 2 0 1 1 E E M0 1 2 ) ; 山东 大学 自主创新基金杰 出青年培养项 目( 2 0 1 0 J Q0 0 1 ) : 崔新壮( 1 9 7 4 一 ) , 男 ,
14、教 授 , 主要从事新型土工材料研究 , ( E - ma i l )c u i x z s d u e d u C n o 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 期 崔新壮 , 等 : 透水性混凝土强度一 渗透性模型试验研究 t h e s pe c i f i c e n gi n e e r i n g r e q ui r e m e nt s i n d e s i gn Ke y wo r ds : pe r v i ous c e m e n t c o nc r e t e;pe r m e a bi l i t y;s t r e n gt h
15、 p e r me a bi l i t y mo de l 透水性混凝土是 由特定级配的集料、 水泥 、 外加 剂和水等按特定 比例 , 不含或含极少量 的细集料 , 经 特 殊成 型工 艺 制成 的 , 集 料 骨 架 间 含 有 大 量 贯 通 性 孔 隙 的蜂 窝 状结 构 的混凝 土 。一般 透水 性 混凝 土 的 孔隙率在 1 5 2 5 之间, 多为直径超过 1 mm 的 大孔 ,渗 透 系 数 为2 6 mm s ,最 高 可 达 1 0 mm s 。 由于透水性强 , 透水性混凝 土被广泛 用于道路、 建筑 、 水利等领域排水结构。在透水性混 凝土的配合 比设计 、 施工方法
16、及力学性能等方面 已 有较多研究 。Me i n i n g e r _ 3 与 P a i n e 分别通过室 内 模型试验开展了透水性混凝土用于排水路面材料 的 研究 , 其中包括最佳孔隙率、 水灰 比、 路面压实与养 护方法 以及基层要求 、 施工方法 等。杨静等 通过 室 内路 面模 型 试 验研 究 发 现 , 添 加 硅 粉 及 增 塑 剂 可 有效提高透水性混凝 土的强度 , 并且能保证它 的渗 透性 、 耐 磨性 及耐 冻融 性 满足 工程 要求 。蒋 正武 等l_ 6 研究发现 , 级配 、 集料粒径与集灰 比是影响透水 性混凝 土 渗 透 系 数 与 强 度 的关 键 参
17、数 。Ke v e r n 等 在爱荷华州立大学对透水性混凝土配 比设计、 养 护方 法 、 质量 控制 等做 了较 系统研 究 , 在 密 苏里 大 学 堪 萨斯分 校通 过 现场实 测对 透水 性 混凝 土 路 面 的 耐久性 进行 了探 讨 , 指 出透 水 性 混 凝 土 中空 隙 系 统对其透水性 、 强度及长期耐久性等有很重要 的影 响 。曾伟等l_ 】 研究发现透水性混凝土 的尺寸效 应对强度影 响较 大。杨健荣_ 1 。 对再生 骨料 透水性 混凝土的应用性 能进行 了研究。郭鹏口 对 钢渣透 水性混凝土进行 了应用研 究。王金 晶等口 通过试 验研究表明, 在透水性混凝土中掺
18、加 聚丙烯纤维 , 可 减少混凝土的干缩, 抑制混凝土的开裂 , 并对混凝土 的抗压强度有所改善 , 聚丙烯纤维 的掺入对混凝土 的透水系数影响不大, 满足透水要 求。 目前针对透 水 性 混 凝 土 结 构 性 能 的 研 究 也 较 多 , 如 Va n c u r a 等 对现有透水性混凝土路 面的刚度与疲劳性能 进行了探讨 ; Go e d e等_ 1 。 对已经运营 2 O a的 2条透 水性混凝土路面车载引起的应力进行 了研究 。 虽然人们已对透水性混凝土渗透性和强度等性 能指标进行 了大量研究 , 但实践证明, 透水性混凝土 的渗透性与强度是一对矛盾体, 此消彼长 , 如何寻求
19、合适 的平衡点, 是设计者关心 的问题 。因此研究 强 度与渗透性关系, 建立强度一 渗透性模型对于工程应 用具有重要意义 , 而 目前缺乏对此类模型 的深入研 究。另外 , 现有 的透水性混凝 土渗透性试验装置和 方法均未充分考虑试件侧面开放通道带来的侧壁渗 漏影响, 导致渗透系数测试精度不够 。鉴于此 , 本文 将根据透水性混凝土 的自身特点 , 研制一种新的渗 透性试验装置 , 提 出渗透系数精确测试方法, 并通过 渗透性和强度试验 , 建立透水性混凝土强度一 渗透性 等 关 系模型 。 1 透水性混凝土渗透试验装置研 制 现有的一些混凝土渗透系数测试装置只适用于 渗透性较低 ( 流速小
20、于 0 0 1 mm s ) 的普通混凝土。 虽然 针 对 孔 隙 率 较 大 、 渗 透 性 较 强 ( 流 速 大 于 1 mm s ) 的透水性混凝土也有人设计 了一些测试装 置 , 但存在一些缺陷 , 测试精度不够 。目前透水性混 凝 土渗 透 系数测 试装 置 的最大 缺 陷是没 有 充 分考 虑 试件侧壁的渗漏问题 。这是因为透水性混凝土试件 表面分布着大量开 口孔隙 , 这些孔隙直接与侧壁贯 通 形成开放 通 道 , 开 放 通道 的 阻力 小 , 水 很 容 易从 开 放通道流出( 如图 1 ( a ) 所示) , 从而改变渗流路径, 使 得所测渗透系数明显偏大。杨志峰_ 1
21、曾试图将试件 端部与套筒内壁接触处密封, 这样虽然在一定程度上 减小了侧漏 , 但试件侧面主体开放通道仍然存在 , 进 入 试件 内部 的水 依然容易 取道这 些开 放通 道 , 从试 件 流出( 如图 1 ( b ) 所示) , 导致测试结果仍然偏大。本文 研 制 了一种适 用 于精 确 测试 透 水性 混凝 土渗 透 系数 的装置( 专利号 : Z L 2 0 1 1 2 0 4 5 2 3 9 9 9 ) , 其优点是可 以 防止侧壁渗漏 , 操作简便, 价格低廉, 测试精度高。 该渗透仪主体结构 ( 如图 2所示) 包括: 储水套 筒 、 进水软管、 进水 口、 有机玻璃套筒 、 橡胶
22、 垫层 、 圆 柱形试件、 出水 口、 烧杯 。其 中有机玻璃套筒分为 3 节 , 用法兰螺栓连接 ; 上下 2节分别设置进水 口和出 水 口; 中间 1节套筒的设计对 防止侧壁渗漏至关重 要 , 它 由左 右 2个 半 套 筒 组 成 。为 防 止 透 水 性 混 凝 土试件侧 漏 , 采用 了试件侧 面 防水 涂抹 +柔性 夹 层 +套筒刚性壁的复合结构 , 即: 试验前用黄油或凡 士林涂抹试件侧面, 以封堵试件开 口空隙 ; 套筒 内敷 橡胶柔性垫层 , 这样试件与套筒间就 由刚性连接变 为柔性连接 , 进一步防止侧壁渗漏 , 使水 的渗流路径 达到 图 1 ( c ) 所示 的理 想状
23、 态 。 2 强度和渗透性试验 2 1 试 验材 料 水泥为济南产山水牌 4 2 5普通硅酸盐水泥 ; 粗 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 5 卷 集料是粒径为 5 1 0 mm 的石灰岩碎石 , 压碎值为 8 6 , 表 观 密 度 为 2 6 6 5 k g m。 , 堆 积 密 度 为 l 6 5 5 k g m。 , 孔隙率为 3 8 ; 外加剂 为山东华志t 昆 凝土有限公司生产的氨基磺酸盐系高效减水剂, 具 有高效减水、 超塑化、 增强等功能 , 其用量根据水泥 净浆流动度试验结果选取 。 技 垫压 混凝 土
24、 霪 混凝土 混凝土 试件 试件 试件 f 2 黄迪 r ( a) ( b) ( c ) 图 1 渗 流路径示意图 图 2 透水性混凝土渗透系数测试装置 2 2 配 合 比 试验采用体积法进行配合 比设计 : 采用单粒级 粗集料作为骨架 , 水泥净浆薄层包裹在粗骨料颗粒 的表面 , 作为集料 颗粒 之间的胶结 层 , 形成骨架一 空 隙结构的多孔混凝土材料。配合 比设计需要确定的 几个关键参数有 : 集料在紧密堆积下 的空隙率 , 可 通 过试 验测 定 ; 所 拌混 凝 土 的 目标 孔 隙 率 P 和水 灰 比 w c, 试 验 中 目标 孔 隙 率 取 1 0 、 1 5 、 2 O 和
25、 2 5 ; 水灰 比取 0 3 2 、 0 3 4 、 0 3 6 、 0 3 8和 0 4 0 。共 对 2 0种配合比进行了研究 。 2 3 试件 的 制作与 养护 透水性混凝土 的拌合采用水泥裹 石法: 先将集 料和 1 5 的水加入搅拌机预拌 3 0 S , 使集料表面润 湿; 再加入水泥拌和 , 以形成包裹集料表面的水泥粉 壳 ; 最后将外加剂和剩余的水混合均匀后倒入 , 搅拌 约 1 2 0 S , 待均匀混合后出料装模 。试件有 3种尺寸 规格 : 1 0 0 mm1 0 0 mm1 0 0 r n m, 用于抗压强度测 试 ; 4 0 0 mm 1 0 0 mm 1 0 0
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- 透水性 混凝土 强度 渗透性 模型 试验 研究
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