高性能多孔混凝土制备及其性能研究.pdf

2 0 1 5年 第 2期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 5 No 2 F e b r u a r y 高性能多子 L 混凝土制备及其性能研究 张兴才 ( 沙洲职业工学院建筑工程系， 张家港 2 1 5 6 0 0 ) 摘要 ：通 过 实 验 室 试验 ，添加 乳 胶 聚合 物 以提 高 多孔 混 凝 土 的 强 度 。 本研 究 集 中在 聚 合 物 改 性 多孔 混 凝 土 ( P MP C) 渗透性与强度特性之 间的平衡。 同时， 添加 了天然砂和纤维来增强多孔混凝 土的强度 。 试验结果表明 ， 通过 添加乳胶和砂 可以生产 出具有 可接 受渗透性和强度的 多孔混凝 土 关键词 ： 多孔 混凝 土； 强度 ： 渗透性 Ab s t r a c t ：T h r o u g h t h e l a b o r a t o r y e x p e r i me n t ， t h e s t r e n g t h o f p e r v i o u s c o n c r e t e i s i mp r o v e d b y a d d i n g t h e l a t e x p o l y me t T h i s s t u d y f o c u s e d o n t h e b a l a n c e b e t w e e n p e r me a b i l i t y a n d s t r e n g t h p r o p e r t i e s o f p o l y me r mo d i fi e d p e r v i o u s c o n c r e t e ( P MP C ) Me a n w h i l e ， n a t u r a l s a n d a n d fi b e r a r e i n c l u d e d t o e n h a n c e t h e s t r e n g t h p r o p e r t i e s o f p e rvi o u s c o n c r e t e T h e t e s t r e s u h s i n d i c a t e t h a t i t i s p o s s i b l e t o p r o d u c e p e rvi o u s c o n c r e t e w i t h a c c e p t a b l e p e rm e a b i l i t y a n d s t r e n g t h t h r o u g h t h e c o mb i n a t i o n o f l a t e x a n d s a n d Ke y wo r d s ： P o r o u s c o n c r e t e ； S t r e n g t h ； P e r me a b i l i t y 中 图分 类 号 ： TU5 2 8 0 1 文 献 标 识 码 ： A 文 章 编 号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 0 1 5) 0 2 1 6 一 O 5 0前言 多孔 混凝 土 ( P C) 是 硅 酸盐 水 泥 、 单 一粒 径 的粗 集料 、 少量或不含细集料和水 的混合物使用适量 的 水 和胶凝材料 以形成一个浆体薄层裹覆集料颗粒 表面 ， 使它们之 间有 自由空间 ， 从而在多孔材料 中 形成孔的一类混凝土_I - 2 。多孔混凝土在多个国家 ， 如美 国和 日本 已经使用超过 3 0年 。在美 国使用越 来越 多是 因为 其具 有 各种 环境 效 益 ， 如 控 制 雨水 径 流 ， 恢 复地下水供应 ， 且能减少水和土壤 的污染【3 。 与此 同时 多孔混凝土可能减少城市热岛效应且可 用于降低道路的噪音【 5 - 6 1 。 多孔混凝土不含有或含有少量细集料 。 使用适 量的水泥浆体来裹覆和粘结集料颗粒 以形成一个 高孔隙率和连通的孔隙 ，从而能够迅速排出雨水 。 一 般而言 ， P C的孔隙率在 1 5 2 5 之间， 渗透系数 一 般为 2 6 mm s 5 , 7 。然而在常规 P C中高孔 隙率往 往导致强度降低 。常规多孔混凝土的低强度不仅限 制 了其 在重 载 交通 公 路 中 的应 用 也会 影 响 结构 的 稳定性和耐久性 。 如易于受到霜冻损害和抗 化学腐 蚀能力较差。因此 ， 低强度的 P C只能在一些特定场 合使用 ， 如人行道 、 停车场 、 休 闲广场和常规路 面的 底基层 o j 。 先前的研究表明， 级配、 集料的粒径和集 料与水泥的质量 比是影响 P C孔隙率 、渗透性和抗 基金项 目： 2 0 1 2年江苏省建设厅项 目( 2 0 1 2 J H 2 6 ) 。 一 1 6一 压强度的主要因素 。水灰 比对 P C的性质有较小影 响旧。使 用较 小 粒径 的集 料 能够增 加 混凝 土单 位 体 积 内集料颗粒的数量 、集料 的 比表 面积 和粘 结面 积 ， 这最终导致多孔混凝土强度 的提高。尽管 国内 外对多孔混凝土做 了大量研究 ， 但其强度和渗透性 仍不能满足现实应用的要求 这大大限制 了这种环 境友 好 型路 面材料 的推 广和 应用 。本 文 旨在通 过使 用 合理 选择 的集料 、细集 料 混凝 土 和 有机 增 强 剂 ， 并 通过 调整 混 凝 土 的拌合 比例 ， 制 备 出具 有 一定 强 度和渗透性的高性能多孔混凝土。 1 研 究 目的和 范 围 本 文 研 究 的 目的是 评 估 聚 合 物 改 性 对 多孔 混 凝土力学和物理特性的影响。综合考虑聚合物改性 多孔混凝土( P MP C ) 的渗透性和强度 。 从而使混凝土 既有组合的渗透性也有足够的强度承受交通荷载。 该研究 中，使用三种单一粒径 的石灰 岩集料 ( 1 3 5 m m、 9 5 ram 和 4 7 5 m m) 和 一 种 聚合 物 ( S B R乳 胶 ) 来制备多孑 L 混凝土。通过孔隙率试验 、 渗透系数 试验 、 抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验来评估 多 孔 混凝 土的特 性 。 2试 验 2 1 试 验 原材料 在本 试验 中选 择 I型普 通硅 酸盐水 泥 。粗 集 料 考 虑 单 一 粒 径 三 种 级 配 的石 灰 岩 ： 1 3 2 ra m， 9 5 ra m 和 4 7 5 mm 根 据表 1 列 出 的 A S T M 规范 测量 粗集 料 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张兴才 高性能多孔混凝土制备及其性能研究 的特性 本研究中使用的河砂粒径分布见图 l 。 表 1 粗 集 料 的特 性 l 0 o 8 O 6 0 瓣 4 0 2 0 O O 1 2 3 4 5 筛 L l mm 图 1 河砂的粒径分布 为提高多孔混凝 土的强度 ， 在混凝土 中添加乳 胶聚合物丁苯橡胶( S B R) 。 除了乳胶 ， 聚丙烯纤维也 添加到混凝 土中以进一步提高多孔混凝 土的力学 特 性 。聚丙烯 纤 维具有 可 以抑 制和 控制混 凝 土 中内 部裂缝形成 、 增强混凝土 的抗拉强度并提高耐久性 的优点。聚丙烯纤维不含重新加工 的烯烃材料 ， 平 均长度为 2 0 mm。 2 2 混凝 土 配 比 控制 组 多孔 混 凝 土 由硅 酸 盐水 泥 、 水 和 三 种 级 配的粗集料 组成。为提高 聚合 物改性多孔混凝 土 ( P MP C) 的整体行为 ， 乳胶 、 纤维和细集料 ( 天然砂 ) 添加到混凝土 中， 配 比如表 2所示 。对照组基本配 比为水泥： 粗集料： 水= 1 ： 4 5 ： 0 3 5 ( 重量 比) 。当在混凝 土中添加乳胶和 或细集料时 ， 乳胶 的固体部分用来 取代 1 0 的水泥 ， 且用天然砂取代 7 的粗集料 ( 重 量 比 ) 。将 P MP C的性 能 和 特性 与 常 规 多孔 混 凝 土 进行 了 比较 。 2 _ 3 试 样制 备 使用机械拌合机拌合多孑 L 混凝土 ， 通过采用标 表 2聚合物改性多孔混凝土 的配 比 k g m 有砂 注 ： A为控制组 ； B为乳胶改性 ； C为添加纤维 ； D为添加乳胶和纤维的多孔混凝土。 一 1 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 混 凝土 与水 泥制 品 笫 2 2 6期 准 的 滚筒 压 实 成 直径 为 1 5 2 mm、高度 为 3 0 5 m m 的 圆柱 体 试样 。在 标 准 的水 分 养 护 室 内进 行 养 护 ， 直 到测试所需的龄期 。除了抗压试验 ， 在试验前将试 样切 割 成 大约 7 6 mm厚 的小 试样 进 行其 他试 验 。制 备j 个 试样进 行平 行试 验 。 2 4测试 方 法 2 4 1 孑 L 隙率试验 为了获得孑 L 隙率 ， 有必要知道压实混凝土的毛 体 积 。 因为 多孔 混凝 土 具 有 大量 连 通 的孑 L 隙 ， 并 不 适合使用水 中重法来获得毛体积 。C o r e L o k真卒包 装密 封 设 备常 用 来 测量 沥青 混合 料 的 密 度 ， 在 该研 究 中用来获得多孑 L 混凝土试 样的有效孔 隙率 ， 根据 A S T M D 7 0 6 3方 法进 行试 验 。 2 4 2渗 透性 试 验 因 为设 计 多孔 混 凝 土 在 路 面 结 构 中 作 为 排 水 层 ， 故渗透性是多孑 L 混凝土的一个重要参数 。南于 孔隙率较高且有连通的孔隙路径 ， 适用于层流 的达 西 定 律 对 多孔 混 凝 土 不 再 适 用 。 本研 究 中 ，使 用 H u a n g等 人开 发 的排水 沥 青混 合 料 ( 与 多孔 混凝 土 在 功能 上相 似 ) 渗透性 测 量设 备 和方 法l I 罔 2 示 了渗透性试验的试样和设备。 2渗 透 系 数 试 验 装 置 和 试样 两 个 压 力传 感 器 安装 在 试 样 的顶部 和底 部 ， 给 出试验 过 程 中水 头差精 确 的读 数 。在 变水 头试 验 中 采用 自动数据采集系统连续读取数据。 本 试验 中 ， 使 用 变水 头 法 ， 从 文献 1 4 中获 得水 头差 与 时问 的曲线 ： = q ) + n lt + c t 。 ( 1 ) 式 中 ， a o ， 和 啦 为 回归 系数 。 然后求导得 ： ( 2 ) 式 中 ， 口 。 和 为 回归系 数 。冈此 排水 速 度表示 为 ： 一 1 8一 = 专 d A ， d f d 、 一 。 2 式 中 ， A 、 A， 、 r 分 别为 上部 圆 柱形 容 器 和试 样 的的截 面积 和半 径 。 根据 图 3和 冈 4， 可 以获 得伪 渗 透 系数 K 和形 状 系 数 m。基于 这个 结果 ，水力梯 度 和排 出速度 之 间 的关系 为 v = 7 5 7 6 4 i ， 此 K 为 7 6 2 l m m s 7 0 0 6 0 0 5 0 0 g 4 0 0 *3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 O l 2 3 4 5 6 7 8 H ,f 间， s 罔 3水头 0时间的关系 7 4 7 【 】 l 2 j 4 6 7 水 力梯 度 i 罔 4 水 力 梯 度 与 排 水 速 度 的芙 系 2 4 - 3 抗 压强度 根 据 A S T M C 3 9试 验 方法 测 试 7 ( 1 龄 期 的 抗 J 强 度 。 在 I N S T R O N 加 载 结 构 上 对 个 直 径 为 l 5 2 mm、 高度 3 0 5 m m 的 网柱体 试样 进 行抗 压 强度 试 验 。 2 4 4 劈裂抗托强度 对 直径 为 1 5 2 m m、 厚 度 为 7 6 m m 的 。 个 平 行 圆 柱体 试样 进行 劈裂抗 拉 试验 。根据 A S T M C 4 9 6 C 4 9 6 M 试验 方法 采用 MT S加 载进行 该试 验 。 连续 记 录垂直荷载并通过该试验获得劈裂抗拉强度。 3结 果与 讨论 3 1 孑 L 隙率 图 5给 了所 有 多 孔 混 凝 土孑 L 隙 率试 验 结 果 及乳 胶 对孑 L 隙率 的影 响 。可 以看 出 。 大 多数 混 凝 土 孔隙率 的范围在 2 0 3 0 。表 明其满足多孔混凝 m 8 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张兴才 高性能多孔混凝土制备及其性能研究 土的功能要求 。三个不同粒径 的粗集料表现出相似 的孑 L 隙率 ， 表明集料级配对孑 L 隙率结果并没有显 著 影响 。从 图 5也可以看 出， 添加乳胶 和砂导致孔 隙 率略微降低。然而 ， 乳胶 、 砂和纤维的结合并不会进 一 步降低孔 隙率结果 。乳胶 、 砂和纤维仍能达到预 期的孔隙率 和可接受的渗透性。 3 2渗 透性 渗透性结果 和添加乳胶对 多孔混凝土渗透 性 影 响的结果如 图 6所示 。从图 6可 以明显看 出， 所 有多孔混凝土 的渗透系数值在 1 0 2 0 mr n s 之间， 足 以用于路面结构的排水层。集料的级配对渗透性并 没有显示出一致的影响。采用三个不 同粒径集料制 备 的混凝土表现出相似的渗透性值 。 根据 图 6 ， 乳胶 、 天然 砂 和纤 维对 渗 透性 的影 响 与对孔隙率的影响相似。尽管添加砂和乳胶会导致 渗透性的降低 然而该渗透系数值对一般 的排水 需 求是可接受的。 3 3 抗 压强 度 乳 胶 、 砂 和纤 维对 混 凝 土 抗 压强 度 的影 响 如 图 7所 示 。 与预 期一 致 ， 粗 集料 粒 径越 小 ， 抗 压强 度 越 高 。很明显 ， 添加砂或乳胶均能提高多孑 L 混凝土的 抗压强度。添加天然砂增加了水泥砂浆的量 ， 从 而 增加 了邻近集料颗粒之间的接触面积。之后 ， 接触 3 O 2 5 2 0 斛 遴1 5 1 0 O 窒 骥 蝠 控制组 乳胶乳胶+ 砂 乳胶+ 砂+ 纤维 图 5 乳 胶对孑 L 隙率的影响 控 制组 乳胶 砂乳胶+ 砂 乳胶+ 砂 + 纤维 ( a ) 乳胶和砂的影响 面积的增加将导致强度的提高。添加乳胶也增加了 邻近集料颗粒之间的接触面积 。更重要 的是 ， 乳胶 与水 泥水 化产物的混合形成两个 相互渗透的基 体 一 起作用 ， 从而导致强度提高 。从 图 7 ( a ) 可 以看 出 ， 乳胶和砂的结合效应导致抗压强度的进一步增 加 。 从 图 7 ( b ) 可 以看 出 ， 纤维 对抗 压 强度 似 乎仅 有 微弱的影响。当在控制组混凝土中添加纤维时( 不 添加乳胶或砂 ) ， 纤维显著提高 了抗压强度 。然而 ， 当砂 和 或 乳胶 也 添加 到 混凝 土 中 ， 添加纤 维 并没 有 进一步提高强度 ( 图 7 ) 。降低有效性的原 因之一是 本研究 中使用 的纤维在混凝土 中不能完全分散及 均匀分布。 3 4 劈 裂抗 拉强 度 图 8比较 了乳胶 、 砂和纤维对劈裂抗拉强度 的 影响。与抗压强度类似 ， 含有较小粒径集料的混凝 土具有较高的劈裂抗拉强度。从图 8可 以看 出， 砂 对劈裂强度的影响并没有对抗压强度的影响大。添 加 砂 的 混 凝 土 有 时 甚 至 与 未 添 加 砂 的 混 凝 土 相 比 具有 较 低 的劈 裂 抗 拉强 度 。然而 ， 乳 胶 仍 能显 著 提 高多孔混凝土的劈裂抗拉强度。这是 由于在乳胶和 水泥硬化产物混合及相互渗透过程 中乳胶 网络 的 形成所致 。 与脆性水泥浆体不同， 乳胶网络抗拉能 三 嘉 罨 矮 1 5 1 O 5 O 控制 组 乳胶乳胶+ 砂 乳 胶+ 砂+ 纤 维 图 6乳胶对渗透系数的影响 图 7 抗压强度结果 的比较 控制组 纤维 纤维十 砂 乳胶+ 砂+ 纤维 ( b ) 纤维 的影 响 一 1 9一 H m 8 6 4 2 O M m 8 6 4 2 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 2期 混凝 土与水 泥制 品 总第 2 2 6期 1 _ 5 芝 警1 0 迥 0 5 0 O l 5 善 篓1 o 05 00 控制组乳胶 砂 乳胶+ 砂 乳胶+ 砂+ 纤维 控制组 纤维 纤维+ 砂 乳胶+ 砂+ 纤维 ( a ) 乳胶 和砂 的影 响 ( b ) 纤维的影响 图 8 抗拉 强度结果 的比较 力相对较强 ， 这有助于显著提高多孑 L 混凝土的劈裂 抗 拉强度 。 从 图 8 ( b ) 中可 以看 出 ， 纤维 对劈 裂抗 拉 强 度 的 影响类似于对抗压强度的影响。添加纤维导致控制 组混凝土的劈裂抗拉强度显著提高 。然而 ， 添加砂 和 或乳胶抑制了纤维的有效性 。在含有砂和 或乳 胶的多孔混凝 土中使用纤维并没有使劈裂强度得 到提高。 4结 论 ( 1 )使用乳胶 、 天然砂和纤维能够生产 出具有 足够排水性能和强度 的高性能多孔混凝土。 ( 2 )乳胶和砂均会降低多孔混凝土的孔 隙率和 渗透性 ， 且会增加多孔混凝土的强度 。然而， 仅添加 乳胶能够提高多孔混凝土的劈裂强度。 ( 3 )在本 研究 中 ， 纤 维对 多 孔 混 凝 土 的强 度 特 性并没有显著的影响。这是因为纤维在多孔混凝土 中并没有得到完全和均匀地分散。为使纤维能够在 混凝土 中得到 良好 的分散 ，建议使用专门方法 ， 例 如使用短纤维可 能更易 于使纤维在混凝土 中得到 均匀 地分 布 。 ( 4 )本文是聚合物改性对多孔混凝土性能影响 ( 着重强调 了渗透性和强度) 的初步研究 。未来将进 一 步研究聚合物改性多孔混凝土的耐久性 ， 以评估 P MP C的耐磨性 。 参考文献： 【 1 】 王琼， 严捍东 建筑垃圾再 生骨料透水性混凝土试验研究 J 合肥工业大学学报： 自然科 学版， 2 0 0 4 ， 2 7 ( 6 ) ： 1 0 0 1 0 4 【 2 M o n t e s F P e r v i o u s c o n c r e t e ： c h a r a c t e r i z a t i o n o f f u n d a m e n t M p r o p e r t i e s a n d s i m u l a t i o n of mi c r o s t r u c t u r e【 D1 D i s s e r t a t i o n ， U n i v e r s i t y o f S o u t h Ca r o l i n a ， 2 0 0 6 【 3 】 邱树恒 ， 廖 秀华， 李 子成， 等 透水性 混凝 土成型 工艺 的 研究【 J 】 新型建筑材料， 2 0 0 6 ( 7 ) ： 1 8 2 1 4 Y o u n g s A P e r v i o u s c o n c r e t e i t S f o r r e a 1 P r e s e n t i o n a t p e r v i o u s c o n c r e t e a n d p a r k i n g a r e a d e s i g n wo r k s h o p ，Oma h a ， 一 2 0 2 00 5 5 】 T e n n i s P D ， L e m i n g ML ， A k e r s D J P e rv i o u s C o n c r e t e P a v e me n t s EB 3 0 2 P o rt l a n d C e me n t As s o c i a t i o n S k o k i e I l l i n o i s a n d Na t i o n a l Re a d y Mi x e d C o n c r e t e As s o c i a t i o n ，Ma r y l a n d ：S i l v e r S p ri n g ， 2 0 04 【 6 杨 久俊， 严亮， 韩静宜 植 生性再生混凝 土的制备及研 究 J 混凝土， 2 0 0 9 ( 9 ) ： 1 2 8 1 3 1 7 】 S c h a e fo r V R ， Wa n g K ， S u l e i m a n M T ， K e v e r n J T Mi x d e s i g n d e v e l o p me n t f o r p e rvi o u s c o n c r e t e i n c o l d w e a t h e r c l i ma t e s F i h a l Re p o rt Na t i o n a l C o n c r e t e P a v e me n t T e c h n o l o g y C e n t e r , I o wa S t a t e Un i v e r s i t y ，Ame s ，I A，2 0 06 【 8 N a d e r G ， S h i v a j i D D e v e l o p m e n t o f n o - f i n e s c o n c r e t e p a v e me n t a p p l i c a t i o n s AS C E J T r a n s p o E n g ，1 9 9 5 ： 2 8 3 9 F u k u t e T R e d u c t i o n o f e n v i r o n m e n t a l l o a d b y w a t e r p e n e t r a t i o n J C o n c r J J p n C o n c r I n s t ， 1 9 9 8 ， 3 6 ( 3 ) ： 1 6 - 1 8 1 0 Wa n g W S t u d y o f p e rvi o u s c o n c r e t e s t r e n g t h J S c i T e c h n o l B u i l d Ma t e r C h i n a ， 1 9 9 7 ， 6 ( 3 ) ： 2 5 2 8 1 1 Y a n g J j J i a n g G E x p e r i me n t a l s t u d y o n p r o p e r t i e s o f p e r v i O U S c o n c r e t e p a v e m e n t m a t e r i a l s J J C e m C o n c r R e s ， 2 0 0 3 ， 3 3 ： 381 - 38 6 1 2 J J i a n g Z ， S u n z ， Wa n g P E f f e c t s o f s o m e f a c t o r s o n p r o p e r t i e s o f p o r o u s p e r v i o u s c o n c r e t e J J B u i l d Ma t e r ， 2 0 0 5 ( 8 ) ： 5 1 3 51 9 1 3 K e v e r n J T A d v a n c e m e n t o f p e rvi o u s c o n c r e t e d u r a b i l i t y D D i s s e r t a t i o n ， I o w a S t a t e U n i v e r s i t y ， A m e s( I A ) ， 2 0 0 8 1 4 】 H u a n g B ， Mo h a m ma d L N ， R a g h a v e n d r a A ， A b a d i a C F u n d a m e n t a l s o f p e r m e a b i l i t y i n a s p h a l t m i x t u r e s J 1 J A s s o c A s p h a h P a v i n g T e c h n o l ， 1 9 9 9 ， 6 8 ： 4 7 9 - 5 0 0 1 5 】 程晓天， 张晓燕， 李 凤兰， 等 道路透水性混 凝土 的透水 和力学性能试 验研究 f J 华北水利 水 电学 院学 报， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 1 ) ： 4 O 4 2 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 1 2 2 7 作者简介 ： 张兴才 ( 1 9 6 3 一 ) ， 男 ， 硕士 、 副教授 。 通讯地 址 ： 张家港市福新路 1 号 联 系 电话 ： 1 3 8 01 5 6 8 1 1 O E- ma i l ： z h a n g 81 O 51 6 3 c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m