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【作者机构】 辽宁科技大学高温材料与镁资源工程学院
【来 源】 《新型建筑材料》 2017年第3期P31-34页
【分 类 号】 TU528
【分类导航】 工业技术->建筑科学->建筑材料->非金属材料->混凝土及混凝土制品
【关 键 字】 海绵城市 彩色透水混凝土 强度 透水性
【摘 要】 主要研究了海绵城市用彩色透水混凝土的强度和透水性的影响因素。结果表明:对于特定性能的彩色透水混凝土应选择合适种类的集料和粒径;为了保证透水混凝土的强度和透水性,配料时应采用间断级配的方式进行、成型时应使用上置式的震动压实成型机
0 引言
随着城市化进程的不断进行，城市中极易遇到洪涝灾害、雨水径流污染、水资源匮乏等问题。“海绵城市”是新一代城市雨洪管理概念，是指城市在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的“弹性”或“韧性”[1]。
与传统混凝土材料相比，彩色透水材料能使水泥地面永久呈现各种色泽、图案、质感，是一种防水、防滑、防腐的绿色环保地面装饰材料。透水混凝土铺装作为城市可持续排水系统的一部分，对实现雨水径流的收集、储存、净化和回用补充地下水具有重要意义[2]。同时我国菱镁矿资源丰富，储量达30亿t之多[3]，使用菱镁矿的尾矿作为彩色透水混凝土的原料之一不仅可以回收大量矿物资源，提高矿产资源利用率，而且可以有效地缓解尾矿堆存带来的生态环境问题[4]，对发展矿山循环经济，实现节能减排目标具有十分重要的意义。
本文以彩色透水混凝土的力学性能和透水性为研究对象，对比分析了以菱镁矿尾矿和以普通碎石作为粗集料制备出的彩色透水混凝土的性能差异，以及不同的颗粒级配对彩色透水混凝土的强度和透水性的影响。
1 试验
1.1 原材料
（1）水泥：辽阳千山水泥有限责任公司生产的P·O42.5水泥。
（2）粗集料：采用辽宁鞍钢碎石分厂的普通矿山碎石以及海城远东集团菱镁矿的尾矿，经破碎筛分成相应的粒径后使用，其物理性能指标如表1所示。
表1 粗集料的物理性能指标
（3）绿泥石粉：主要采用辽宁省鞍山地区的矿山废料——绿泥石，经破碎粉磨后成粉粒状细料，将其作为细骨料填充到彩色透水混凝土的缝隙中，不仅可以增加透水混凝土的强度，同时使资源得到充分利用。绿泥石粉的粒径为0～1 mm，细度模数1.93，含水率为4%。
（4）胶结剂：本试验所用胶结剂是采用先进的合成工艺设备设计而成的一种含SiO2与特殊功能单体合成的聚合物。能够参与水泥的水化反应，大幅提高水泥水化体的抗压和粘结强度，提高混凝土的抗冻融性能、耐久性和耐候性。其含固量40%～50%，延伸率≥150%，极限拉伸强度≥1.0 MPa，活性SiO2含量＞85%。
（5）颜料：选用了铁红和绿色2种颜色作为彩色透水混凝土的主要颜料。
1.2 试验配比设计
本次试验以硅酸盐水泥为胶凝材料，采用间断级配的粗骨料，配以绿泥石粉为细骨料进行填充，骨胶比为4.0～5.0、水胶比为0.28，混凝土拌合物较干硬，采用压力成型[5]，具体配合比设计如表2所示。
表2 彩色透水混凝土的配合比设计 kg/m3
注：A代表以普通碎石为粗骨料的样品；B代表以菱镁矿尾矿为粗骨料的样品。
1.3 制备工艺
首先将水泥、骨料、外加剂和颜料混合搅拌60 s，然后再加入水搅拌均匀，将混合料装入试模，插捣成型。
1.4 性能测试方法
1.4.1 力学性能试验
力学性能试验包括抗压强度与抗弯拉强度2项检测指标，首先将彩色透水混凝土制备成型。其中抗压强度检测要求将试块做成100 mm×100 mm×100 mm的立方体，抗弯拉强度要求将试块制成100 mm×100 mm×400 mm的长方体，成型后带模养护24 h，之后拆模得到待检试块。然后在室温环境条件下进行自然养护，测试其养护龄期为7 d和28 d时的强度。试验依据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》作为试验参考，在试验过程中采用济南市路昌试验机制造有限公司生产的YES-2000型压力试验机作为测试彩色透水混凝土抗压强度的主要加载设备，加荷速度为0.3～0.5 MPa/s。
1.4.2 透水系数试验
本试验参照CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》作为试验的标准，将φ100×50 mm的圆柱体试块放入如图1所示的渗透装置中，并按式（1）计算出彩色透水混凝土的透水系数：
式中：KT——水温为T℃时试样的透水系数，mm/s；
Q——时间t s内渗出的水量，mm3；
L——试样的厚度，mm；
A——试样的上表面积，mm2；
H——水位差，mm；
t——时间，s。
图1 透水系数装置
2 试验结果与分析
不同配合比彩色透水混凝土性能测试结果如表3所示。
表3 不同配合比彩色透水混凝土性能测试结果
2.1 彩色透水混凝土强度的影响因素
2.1.1 集料的种类对彩色透水混凝土强度的影响
试验中分别选用普通碎石和菱镁矿尾矿作为粗骨料来制备“海绵城市”彩色透水混凝土。由表3可以看出，采用普通碎石作为粗集料制备出的彩色透水混凝土无论在抗压强度亦或是抗弯拉强度上都要略高于以菱镁矿尾矿作为骨料制备出的试块。其原因主要是：彩色透水混凝土属于多孔材料，较普通的混凝土而言存在着较多的空隙，因此彩色透水混凝土的强度大小主要取决于粗集料自身的强度以及与其产生胶结作用的胶凝材料的数量和胶结剂的特性。试验所用的普通碎石的压碎指标为9.95%，而菱镁矿尾矿的压碎指标为16.39%。因此，在保证混凝土试样正常成型的情况下，采用普通碎石作为骨料的强度要大于采用菱镁矿尾矿作为骨料时的混凝土的强度[6]。
但同时从表3也可以看出，以菱镁矿尾矿作为粗骨料进行的B7组试验其28 d抗压强度达到了18.4 MPa，抗弯拉强度达到了2.2 MPa。以普通碎石作为粗骨料的A7组试验其28 d抗压强度达到了26.2 MPa，抗弯拉强度达到了2.8 MPa，已经完全符合CJJ/T 135—2009标准要求。其应用的领域也将会更加的广泛，不仅可以将其应用于社区内地面装饰、城市广场、游泳池周边等人行道路，还可将其应用在自行车道、户外停车场、以及高尔夫球场电车道等轻量级车载道路。
2.1.2 集料粒径对彩色透水混凝土强度的影响
彩色透水混凝土的结构强度直接决定了骨料粒径的选取，一般情况下骨料的粒径不可过大[7]。若粒径过大，则成型后的透水混凝土中会出现较多的空隙，导致结构的不稳定，其强度会大大降低，本次试验中将骨料的粒径控制在10 mm以内，但不得小于3mm。其原因是试验所要求的透水混凝土不同于以往的普通混凝土，它不仅要具有一定的强度，还要具备相应的透水性，若所用骨料粒径过小，则其透水效果就会大幅度降低。
彩色透水混凝土的强度主要取决于胶凝材料、胶结剂与骨料之间形成的界面连接区域的强度。从表3可以看出，无论是以普通碎石作为集料或是以菱镁矿尾矿作为集料制备的彩色透水混凝土，其强度与颗粒级配之间的关系是大体相同的。下面仅以普通碎石作为粗集料制备的彩色透水混凝土为例对骨料的颗粒级配对强度的影响进行研究。
A1～A3组试验中粗集料均采用的是单一粒径的骨料，从表3中的A组试验结果可以看出，集料的粒径越小，集料颗粒之间的接触面积越大，骨料与胶结材料的粘结点之间的数量也会越多，颗粒之间的接触面也会增加，从而制备的彩色透水混凝土的强度就越高。A4～A7组试验采用间断级配的方式进行配料，将相邻颗粒大小的粗集料按照一定的比例混合使用。经试验后发现采用间断级配的彩色透水混凝土强度（无论是抗压强度还是抗弯拉强度）较单一级配有了明显的提升，且间断级配配料时随着小粒径骨料比例的增加，骨料压碎值的增大，透水混凝土的抗压、抗弯拉强度均有一定程度的增长，因为采用间断级配的配料方案之后可以充分填充集料颗粒间的空隙，使集料间的接触点更多，粘结力也会增加，最终致使透水混凝土的强度增大。但是在彩色透水混凝土中也不能为了提高强度而无限缩小骨料粒径，因为骨料粒径还会对孔隙率和透水系数产生一定的影响[8]。
2.2 彩色透水混凝土透水系数的影响因素
2.2.1 成型方式对彩色透水混凝土透水系数的影响
本次试验过程对多种成型方式进行了尝试，包括人工插捣法、振动法、静压法等，其中振动法还包括上置式振动器振动成型法与下置式振动台振动成型法2种方法。经试验对比发现：人工插捣成型的试块层次分布较均匀，但堆积松散；下置式振动台振动成型法成型的试块堆积紧密，但浆体容易在试块底部沉积（如图2所示）。
图2 过震返浆试块
若采用2种方式配合使用则需要很好地掌握振动的频率与时间，否则在成型时水泥浆在振动外力及自身重力的作用下会从集料表面滑落，从而将透水混凝土的部分孔隙密实，尤其在试块的底部很容易形成比较致密的水泥料浆层，严重影响了彩色透水混凝土的透水性能[9]。
若采用如图3所示的振动压实成型机，通过使用上置式振动器边加压边振动的方式成型可以使骨料的堆积更加紧密，在提高试块强度的同时又保证了连通孔隙的形成（如图4所示），同时这种上置式振动成型试块与现场振动压路机的施工工艺较为接近，很大程度上提高了材料的透水性能。
图3 振动压实成型机
图4 上置式振动器振动成型试块
2.2.2 集料粒径对彩色透水混凝土透水系数的影响
从表3可以看出，采用单一级配的1～3组试验，集料粒径越小，集料颗粒之间的接触点越多，接触面积越大，越容易形成封闭孔隙，从而导致连续和半连续的有效孔隙率减少，进而导致透水系数也相应减小。在采用间断级配的4～7组试验中透水系数的变化没有1～3组试验那样明显。无论是单一级配还是间断级配，在水泥用量一定的情况下，粒径小的集料制备的透水混凝土虽然孔径较小，但孔隙数量多，相反，当粒径增大时虽然孔径较大，但孔隙数量少。因此，将相邻颗粒大小的粗集料按照一定的比例混合配制后，整体的孔隙率相差不大，基本保持在较稳定的范围内，因此透水系数也维持在一个相对恒定的范围内。
3 结论
（1）对于特定性能的彩色透水混凝土应选择合适种类的集料和粒径。如小粒径集料过多会使透水系数下降而影响其排水性能，在无需承受较重压力的轻量级道路上可使用菱镁矿尾矿来代替普通碎石作为粗集料，达到矿山经济的循环利用，实现尾矿的资源化、再生化。
（2）为了保证试块的紧密堆积程度，避免成型时试块底部产生水泥浆体下沉的现象，成型时应使用上置式的振动压实成型机，这样既保证了材料的强度又使其具有优良的透水性能。
（3）透水性混凝土的颗粒级配对混凝土强度的影响很大。为了达到较高的强度和良好的透水系数，彩色透水混凝土在配料时应采用间断级配的方式进行。且此时随着小粒径集料比例的增加，透水混凝土的抗压、抗弯拉强度均有一定程度的增长，透水系数也由于孔隙率的基本稳定而维持在0.42～0.53 mm/s范围内。
参考文献：
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[2] AHIABLAME L M，ENGEL B A，CHAUBEY I．Effectiveness of low impact development practices in two urbanized watersheds：Retrofitting with rain barrel cistern and porous pavement[J]．J. Environ.Manage.，2013，119：151-161．
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