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【来 源】 《硅酸盐通报》 2017年第5期P1480-1485页
【分 类 号】 TU528
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【关 键 字】 透水混凝土 冻融循环 质量损失 动弹模量
【摘 要】 透水混凝土的冻融破坏一直是一个影响其在北方地区大规模推广的严重问题,为解决这些问题,分别用粉煤灰、乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)乳胶和聚乙烯纤维作为掺合料,通过用掺合料置换透水混凝土混合物中不同比例的水泥来分析掺合料比例的影响,对透水混凝土的渗透性、抗压强度等基本物理性能作了验证试验,采用快冻法以质量损失率和相对动弹模量来评价透水混凝土的冻融循环性能.试验结果表明,不同掺合料对透水混凝土的冻融循环性能均有一定的有利作用,但影响程度和作用机理不同.
1 引 言
透水混凝土又称无砂大孔混凝土，具有连续孔隙及高透水性，常被用于停车场、人行道等轻交通路面[1]。然而寒冷气候条件下，尤其是我国东北、华北和西北地区的工程中，混凝土的冻融破坏一直是一个令人头疼的问题。而透水混凝土由于其易堵塞、低强度等特性，其受到寒冷水环境下冻融破坏的范围和程度更有甚于一般混凝土。直接凝固在透水混凝土孔隙中的自由水体积膨胀，造成局部冻胀开裂，使透水混凝土的力学性能如抗压强度、弹性模量等显著降低，甚至直接造成其质量损失和结构破坏[2]。针对无砂混凝土的冻融循环性能及其改进方面，目前国内的研究还较少。胡立国[3]向无砂混凝土掺加了硅灰和粉煤灰两种矿物掺合料和聚羧酸高效减水剂，通过进行冻融试验，以抗压强度损失和质量损失为指标评价了无砂混凝土的抗冻性能，结果表明掺加这两种矿物掺合料对无砂混凝土的抗冻性有明显提高。刘星雨[4]定义了无砂混凝土盐冻破坏评价方法，即以冻融循环次数和质量损失为指标。而樊晓红[5]、王玲玲[6]等对无砂混凝土的抗冻性能做了进一步的研究，其结论与先前研究结果不尽相同。
研究表明，掺和料和粗集料之间的粘结强度是影响透水混凝土强度和抗冻融性能的最重要因素。国内外已有很多学者对不同掺和料进行研究。例如近年来有学者发现EVA(醋酸乙烯-乙烯共聚物)乳胶是一种高分子聚合物，可以对混凝土性能产生极大的提升，改良水泥混凝土耐磨、耐冲击、耐冻融，并提高了弯曲和拉伸强度，主要用于道路用水泥改性剂和水泥砂浆增强剂[7]，但目前对EVA乳胶改性透水混凝土性能的研究相对较少；粉煤灰作为一种掺和料也可以改性透水混凝土[8]，既可以节约成本，又可以很好的利用工业废料，但国内外研究粉煤灰对透水混凝土的抗冻融性能的影响研究甚少；纤维掺入透水混凝土在不影响其透水性能的情况下，可以显著改善其力学性能[9]；但缺少对抗冻融性能的研究。为了解决这些问题，本课题组旨在寻找合适的掺和料及其比例来提高透水混凝土的抗冻融性能。研究包括粉煤灰、EVA(乙烯-醋酸乙烯酯)乳胶、聚乙烯纤维等掺合料，分析添加不同掺合料对混凝土抗压强度与抗冻融性的影响效果。通过用掺合料置换透水混凝土混合物中不同比例的水泥来分析掺合料比例的影响。
2 试 验
2.1 原材料
粗骨料：本次实验选用瓜子石，其表观密度为2700 kg/m3，粒径级配为5～10 cm；水泥：采用济南生产的山水牌42.5普通硅酸盐水泥；减水剂：氨基磺酸盐系高效减水剂；掺合料：粉煤灰、高聚物液体或者絮状纤维。
2.2 配合比
本实验设置空白对照组，目标孔隙率20%，对三种掺合料，即粉煤灰、EVA乳胶和聚乙烯纤维分别进行了研究和分析，每组三个同配比试件。聚乙烯纤维长度为18～20 mm，弹性模量为110 GPa，抗拉强度2900 MPa，直径25 μm，极限延伸率为3%。本文掺和料的种类和置换水泥的比例如表1所示。9份含掺和料透水混凝土作为样本试验组。所有的混凝土水灰比恒为0.27，骨料与水泥比为4∶1，水泥含量为450 kg/m3。试件模具尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，24 h后脱模并经历28 d龄期的养护。
表1 掺和料的掺量
Tab.1 Amount of adding admixtures
2.3 渗透系数测试
图1 渗透试验装置示意图
Fig.1 Schematic of the penetration test
渗透系数是衡量透水混凝土一个重要指标，它是单位水力梯度下通过单位面积的渗流量。本试验采用一种改进的渗透系数测定装置，即以凡士林涂抹透水混凝土试件表面，以封闭表面的孔隙并使其平整光滑，再以柔性橡胶垫增加其半径，塞入与其尺寸相配的有机玻璃套管中。这种装置可以最大限度得减少由于水从侧壁间隙渗漏而造成的渗透系数测量误差。首先测量试件尺寸，计算横截面积。图1所示为渗透试验装置示意图。具体步骤为将试件放入试验测定装置，向装置缓慢注水，直至灌满。打开下方出水阀门，并保持一段时间直至水流稳定、气泡排净。读取试件上下表面的压力值hu和hd，得到水力梯度i:
i=
式中：s为试件高度，m；hu、hd为上下表面的压力值；
读取出水口的水流速度v，根据达西定律得出透水混凝土的渗透系数k：
k=
2.4 抗冻融性能
图2 快速冻融机内的试件
Fig.2 Test specimen in rapid freezing and thawing machine
由于透水混凝土为新型材料，国内尚未有统一的标准方法测定透水混凝土的抗冻性能，故本试验中透水混凝土抗冻性能测试参照欧美标准，标准为：ASTM C 666-84，透水混凝土的冻融试验有快冻法和慢冻法两种[10]。本试验中采用快冻法，单次冻融循环时间为4 h，并且冻融循环中的融化时间不能小于总时间的1/4。冻结最低温度是(-18±2) ℃，融化最高温度为(4±2) ℃。该温度以所有传感器测量平均值为准。将透水混凝土试件养护28 d，在26 d时将透水混凝土试件去除放入(20+2) ℃的清水中浸泡两天，浸泡水面高出试件顶面20～30 mm，之后在阴暗的室内将透水混凝土试件晾干。然后，使用动弹仪测量透水混凝土横向基频初始值和弹性模量，称量试件初始质量，并编号。然后进行冻融循环试验，每25次循环后检查透水混凝土试件外观，称量试件质量，使用动弹仪测量试件弹性模量。若质量损失超过5%或弹性模量损失超过40%(小于初始值的60%)[11]，停止实验，否则继续。图2为实验时快速冻融机内的试件。
由于降雨、降雪后，地表径流会迅速通过连通的孔隙进入路基及穿孔管排出，从而不会形成透水混凝土路面完全浸泡在水中的现象，作者认为使用上述冻融试验方法不能完全真实还原自然冻融循环过程，但上述试验方法的条件更为严酷，可以反映透水混凝土在极端恶劣条件下的表现。
2.5 力学性能测试
抗压强度按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)[12]进行。
3 结果与讨论
3.1 透水混凝土的基本物理性质
试验得到各组试件冻融循环前的平均渗透系数和平均抗压强度如表2所示。根据《透水水泥混凝土路面技术规程》，透水混凝土在工程使用中应满足渗透系数大于0.5 mm/s，可以看出，各组试件的平均渗透系数在2.04～2.25 mm/s之间，平均抗压强度在20.6～25.1 MPa之间，均满足透水性和抗压强度的要求。
表2 各组试件平均渗透系数和平均抗压强度
Tab.2 Average permeability coefficient and compressive strength of each group
3.2 透水混凝土宏观破坏形态及原理
透水混凝土的冻融试验过程经历了表层粗骨料与水泥浆分离、粗骨料与水泥浆脱落、裂缝的产生与发展3个明显的宏观破坏过程(如图 3所示)，即试件经过冻融循环后，表面骨料发生破损并开始出现疏松、剥落，且随着冻融次数的增加，情况逐渐加重，粗骨料与水泥浆产生分离，之后在粗骨料交界处出现可见的裂缝并不断发展导致最终断裂。由此可见透水混凝土的破坏发展过程和破坏形式均与普通混凝土存在巨大差异。
在冻融循环过程中，由于透水混凝土内存在过冷的水和结冰的水，在结冰的水体积膨胀的情况下，过冷的水发生迁移，使得透水混凝土内部产生微小孔隙或使原本微小孔隙变大，使得透水混凝土连接层不稳定，或者使一些连接物质脱离。另一方面，透水混凝土构件温度存在一定的梯度，表面的温度最低，内部的温度最高，从而产生冻胀力。在正负温度反复交替作用下，犹如疲劳作用，使结冰生成的微裂缝不断扩大，最终导致透水混凝土破坏。
图3 透水混凝土试件冻融试验的宏观破坏发展过程(a)未冻融前;(b)表层粗骨料与水泥浆分离;(c)粗骨料与水泥浆脱落;(d)贯穿裂缝的产生
Fig.3 Destroying and developing process of pervious concrete with freeze-thaw cycle(a)before freeze-thaw cycle;(b)surface coarse aggregate and cement slurry separation;(c)coarse aggregate and cement paste loss;(d)through crack emerged
3.3 不同掺合料对透水混凝土的冻融循环性能的影响
在冻融循环性能试验中，分别测试了掺和粉煤灰、EVA乳胶和纤维等各组透水混凝土试件的质量损失和动弹模量的变化。试件冻融后质量损失率按下式计算：
W=
×100%
式中：W为n次冻融循环后试件质量损失率，%；G0为冻融循环前试件质量，kg；Gn为冻融循环后试件质量，kg。图4为各组透水混凝土试件在冻融循环过程中质量损失率变化。图5为粉煤灰组相对动弹模量变化示意图。
动弹模量的变化可以反映试件内部的冻融损伤情况。本文以相对动弹模量(冻融循环后实际测得的动弹模量与初始动弹模量的比值百分数)作为其评价指标。
图4 各组透水混凝土试件在冻融循环过程中质量损失率变化
Fig.4 Percent mass loss of each group with number of freezing-thawing cycle
图5 粉煤灰组相对动弹模量变化
Fig.5 Dynamic modulus of fly ash group
(1)粉煤灰掺量对透水混凝土性能的影响分析
结合图4和图5可以看出，在冻融循环过程中，掺加粉煤灰的透水混凝土发生了一定程度的质量损失，并且其质量损失率略低于对照组的质量损失率；而其动弹模量与对照组相比总体趋势较为一致，数值上比对照组的相对动弹模量略大。随着粉煤灰的掺量越大，质量损失率和相对动弹模量的损失越小，这表明掺加粉煤灰对透水混凝土的冻融循环性能具有一定的有利作用。从结果还可看出添加粉煤灰比例为10%的透水混凝土冻融循环性能效果最佳。
从微观上看粉煤灰颗粒是一种半径微小、表面光滑的球体，能够填充到集料的微小孔隙以及集料和水泥间的孔隙之中，间接提高了透水混凝土的强度，同时提高透水混凝土拌合料的流动性改良和易性；并且这种构造使其在水化反应中所需的水量较少，间接降低了水灰比。在冻融试验中，透水混凝土集料间的胶结料由于受到冻融循环产生的静水压和渗透压作用而断裂，造成集料由外向内的剥落，而集料颗粒本身仍然保持完好。粉煤灰的掺入则改变了这一状况。经过试验分析得到粉煤灰的主要成分为二氧化硅和氧化铝，这些成分与水泥的水化反应生成物发生二次水化反应，生成C-S-H凝胶，其方程式为：
xCa(OH)2+SiO2+(n-1)H2O=xCaO·SiO2·nH2O
xCa(OH)2+Al2O3+(n-1)H2O=xCaO·Al2O3·nH2O
这种效应的产物使得透水混凝土集料间的细小孔隙被填充，增加了粘结面积。
(2)EVA乳胶掺量对透水混凝土性能的影响分析
图6为EVA乳胶组相对动弹模量变化。由图4和图6可以看出，掺加EVA乳胶的透水混凝土试件与对照组相比，在冻融循环过程中的质量损失率得到了很大的降低，相对动弹模量有所提高。随着掺量的增加，在同次冻融循环下相对动弹模量的值越大。这表明掺加EVA乳胶能有效提高透水混凝土的冻融循环性能并且在试验掺量范围内随掺量增大这种作用略微提升。
通过Ohama模型[13]可知，在拌合过程中，高聚物会均匀分散在透水混凝土拌合物中，这些高聚物与水泥水化反应生成的Ca(OH)2结合形成凝胶；随着水化反应的进行，水分子的数量变少，水与高聚物的凝胶增多，这些凝胶被填充在水泥孔隙之中，并且高聚物分子彼此链接形成高聚物分子网，附着在粗骨料和粘结层表层形成密实的网状结构，极大的提高了粘结层的粘结能力并且增强透水混凝土的韧性和抗冻能力。除此之外，高聚物中还有有一些活性基团能够与Ca(OH)2反应，改善其结构，填充在透水混凝土内部孔隙中，减少裂缝的产生，增强其抗冻能力。
图6 EVA乳胶组相对动弹模量变化
Fig.6 Dynamic modulus of EVA latex group
图7 聚乙烯纤维组相对动弹模量变化
Fig.7 Dynamic modulus of fiber group
(3)聚乙烯纤维掺量对透水混凝土性能的影响分析
图7为聚乙烯纤维组相对动弹模量变化。由图4和图7可以看出，在冻融循环过程中掺加聚乙烯纤维的透水混凝土试件的质量损失比对照组明显减小，相对动弹模量总体变化趋势较为一致，实验组试件的相对动弹模量降低较少。并且随着纤维掺量的增加，质量损失率的增加速度稍低。这表明聚乙烯纤维能提升透水混凝土的抗冻性能。
微观上，掺入纤维的透水性混凝土是多相(气相、液相、固相)、多孔材料，其结构组成为：水化水泥浆体、集料、聚乙烯纤维以及水泥浆体与集料间的过渡区。掺入聚乙烯纤维更有助于抑制和减少微裂缝的产生和发展，从而提高了混凝土的抗冻融性能。同时聚乙烯纤维有一个显著的特点：它的弹性模量随温度的降低而增加。因此，纤维弹性模量的提高，可以更大程度地抵消冰胀力；而在融化的时候，纤维弹性模量的降低，有助于释放积蓄的膨胀能。纤维还抵抗冻融时产生的膨胀压力与渗透压力, 从而减少细裂缝的扩展。有试验结果可见，掺加聚乙烯纤维的试件在75次冻融循环后质量损失率和相对动弹性模量开始迅速下降，但是透水混凝土内部孔隙巨大，细小的纤维大多只能依附在粗集料表面水泥凝结层上，所以这种抵抗冻融破坏的能力随着循环次数的增多而达到“临界点”随后迅速减弱。
4 结 论
冻融循环实验结果表明，不同掺合料对透水混凝土的抗冻性能均有不同程度的影响。
(1)掺加粉煤灰对透水混凝土的冻融循环性能具有一定的有利作用，添加粉煤灰比例为10%的透水混凝土冻融循环性能效果最佳;
(2)掺加EVA乳胶能有效提高透水混凝土的冻融循环性能，并且在试验掺量范围内随掺量增大这种作用略微提升;
(3)聚乙烯纤维能提升透水混凝土的抗冻性能，但是抵抗冻融破坏的能力随着循环次数的增多而达到“临界点”随后迅速减弱，随着纤维掺量的增加，这种提升作用略好。
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