透水混凝土界面增強增韌效應研究
關鍵詞：界面 聚合物 混凝土 透水 區域 過渡區 孔隙 過渡 樣品 養護
透水混凝土的最薄弱部位是骨料與膠凝材料的界面區域,為制備出高性能透水混凝土,本文研究了礦物活性超細粉和高分子聚合物對透水混凝土界面的增強增韌效應。結果發現:超細粉煤灰和硅灰顆粒可以分散到界面過渡區的粗糙孔隙結構區域,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,填充界面過渡區的細微孔隙,較適宜的聚合物摻量為8%~12%。標準養護28 d樣品的抗折強度達到8.5 MPa,抗壓強度達到34.7MPa。另外,聚合物的柔性可有效阻止結構內部裂紋的延伸,在一定程度上提高透水混凝土的韌性。
一、引言
據統計，截至2015年底，我國已有98座城市因受暴雨發生內澇，隨著城市化建設，路面材料可以自然滲水的區域不斷減少，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澇之災，那就是建造海綿城市，使城市建筑、配套設施都具備吸水功能。其主要建筑材料就是要大規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，具有良好的生態效應和經濟效益［1-4］。
目前，應用透水路面材料的工程數量少，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，膠結材料用量少，膠結點少，膠結層薄，界面過渡區薄弱，導致透水混凝土的強度低，限制了其大規模的應用。因此，提高透水混凝土的強度成為關鍵，透水混凝土主要由骨料和膠結料組成，其強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料的界面結合作用。近年來，國內外關于透水混凝土的研究從原材料的選取、配合比設計及路用性能等方面提出一些比較成熟的觀點和理論，例如:張瑤等［5］研究了自主研發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度和孔隙率的影響。張朝輝等［6］研究了水灰比、灰集比、膠結材料及集料性能對透水混凝土強度和透水性的影響。徐向舟等［7］研制了以烘干砂為主要原料，高標號水泥為粘結劑的混凝土透水磚，并對透水磚進行了抗壓強度、透水率等物理指標測試。以上透水性混凝土的力學性能研究多集中于從宏觀角度出發，然而力學性能的好壞關鍵取決于骨料和膠結料的界面區狀態，在該方面還鮮有報道，鑒于此本文擬從改善骨料和膠結料的界面過渡區狀態出發，系統研究透水混凝土骨料和膠結料界面的增強增韌，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料的界面區域，為制備出高性能透水混凝土，從優化骨料與膠結料的界面結合狀態和膠結層的增強著手。改善膠結料體系，原材料主要以水泥為主，引入適量礦物活性超細粉(粉煤灰及硅灰等)和高分子聚合物改性劑。利用礦物活性超細粉的具有的火山灰活性效應、微集料效應和顆粒形態效應以及有機聚合物具有的滲透性、填充性和粘結性能等，改善透水性混凝土界面結構，解決透水性混凝土高透水性與高強度的矛盾，提高界面膠凝材料體系的膠結強度，強化界面區性能，提高抗壓抗彎拉強度及膠結料對骨料顆粒的把持力，達到對透水混凝土的增強增韌的目的。
二、實驗
2．1 原材料
選用集料為石灰巖類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粉煤灰I級灰，其技術指標見表1;硅灰采用鐵合金廠生產的微硅粉，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研究院生產的SJ-601型有機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制備透水混凝土標準試件，用混凝土攪拌機機械拌合，在2．5～3．0 MPa的成型壓力下采用壓力試驗機進行壓制成型。成型尺寸100 mm×100 mm×100 mm用于抗壓強度測試，成型尺寸100 mm×100 mm×400 mm用于抗折強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%以上養護條件下養護至齡期進行性能檢測。
2．3 測試方法
依據行業標準JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》對透水混凝土試件進行力學性能檢測，采用SYE-2000型壓力試驗機測試抗壓強度，萬能試驗機測試抗折強度。透水混凝土界面區狀態在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準JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》中T0559-2005水泥混凝土抗彎拉彈性模量試驗方法，在小型梁式試件底部中點位置貼應變計，記錄儀同時記錄試樣的三分點抗彎拉荷載值和試樣跨中的應變值，由式(1)將應變值計算出試樣跨中的撓度值。
式中:▽為小梁試件中點撓度;L為梁跨距;ξ為梁底部中點應變;H為梁試件高度;a為荷載距支座水平距離。
透水系數的測定參照北京地方標準DB11/T775-2010《透水混凝土路面技術規程》和城鎮建設工程行業標準CJJ/T135-2009《透水水泥混凝土路面技術規程》，自行研制簡易透水儀如圖1所示，以此橫向對比各因素對透水系數的影響。試件與透水儀連接處用石蠟密封，透水儀上方有機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刻度所經歷的時間，以秒計。透水混凝土試件的透水系數按公式(2)進行計算。
式中:V為透水系數，mm/s;H為水位下降高度差，200 mm;Δt為水位從200 mm降至0 mm所經歷的時間，s。
圖1 簡易透水儀示意圖
圖2 混凝土界面過渡區模型
三 、 結果與討論
3．1 礦物活性超細粉對透水混凝土界面的增強效應
透水混凝土中骨料和膠結料的界面過渡區與水泥石本體的結構不同，硬化的透水性混凝土結構是由水泥石、界面過渡區和集料三個重要環節組成，其中界面過渡區的性質對混凝土的性質起著決定性的作用，由于透水混凝土具有較多的宏觀連通孔隙，因此界面區在其中的作用和影響遠比普通混凝土中突出。混凝土的界面過渡區結構如圖2所示。界面過渡區具有較大的粗糙孔隙結構，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晶產物晶體尺寸大，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入由大晶體構成的界面區孔隙中。由此造成了界面過渡區的粗糙孔隙結構，降低了界面區的強度和水泥本體與骨料的粘結力，在透水混凝土中尤為突出，因此使透水混凝土力學性能降低，限制了透水混凝土的大規模應用。鑒于本實驗優化膠結料體系，摻入超細粉煤灰和硅灰，使其達到緊密堆積狀態，界面過渡區產物結構網進一步密實而起到強化作用，提高透水混凝土的力學性能。
圖3和圖4示出了摻入超細粉煤灰和硅灰的透水混凝土的抗折強度和抗壓強度變化趨勢。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度和抗壓強度均逐漸增加，但粉煤灰摻量過大時強度又略有下降。在不同粉煤灰摻量下對比了復摻硅灰對混凝土強度的影響，隨著硅灰摻量的增加，試樣的抗折強度和抗壓強度均有明顯提高，但硅灰摻量較多時強度又有所下降，硅灰的摻量應不超過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度。透水混凝土的抗折能力對于結構缺陷更加敏感，界面過渡區微觀結構網的密實度和水化產生的結晶應力起到關鍵作用。而加入超細粉煤灰和硅灰的微集料效應以及活性微粉的二次水化產生的結晶應力可以使得結構網進一步密實而起到強化作用，降低過渡區微觀缺陷，從而有利于提高其力學性能。
圖3 摻入粉煤灰和硅灰透水混凝土的抗折強度
分析原因礦物活性超細粉對透水混凝土強度的提高主要源于兩方面:一方面增強了膠結料，第二方面改善了界面過渡層的狀態。粉煤灰和硅灰的火山灰效應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構，同時兩種礦物超細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物凝膠體數量和均勻度。另外復合超細粉不同粒級的填充作用有利于提高水泥石的致密程度，從而提高膠結層的強度。
同時，骨料與膠結料的界面過渡層得到改善。分析原因透水混凝土的膠結料體系采用普通硅酸鹽水泥、超細粉煤灰和硅灰，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無法實現緊密堆積，因此摻入平均粒徑更小的硅灰。根據顆粒堆積的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倍及更細的顆粒，這種復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度和降低結構孔隙率。
膠結材中摻入不同粒級的粉煤灰和硅灰可以填充至水泥顆粒孔隙中，這些不同粒徑顆粒之間形成微集料密實填充效應，使其接近最緊密堆積狀態，有利于提高膠結料的致密程度。尤其是粉煤灰和硅灰這些超細活性粉體可以分散到骨料與膠結料界面過渡區的粗糙孔隙結構區域，提高界面過渡層的致密程度，使界面區域充分水化生成大量結構致密的水化硅酸鈣凝膠，沒有氫氧化鈣大晶體產生，使界面過渡層與粗骨料形成大面積緊密粘結，從而增強界面結合狀態，提高了透水混凝土的抗折強度和抗壓強度。同時粉煤灰和硅灰的摻量不宜過大，摻量過大強度增加不明顯且由于超細粉的巨大比表面積會導致拌合用水量增加及收縮量增加。較適宜的超細粉煤灰的摻量為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，分析結果發現摻入粉煤灰和硅灰的透水混凝土28 d抗折強度和抗壓強度均有明顯的提高，其孔隙率和透水系數略有減小，但減小程度不顯著，其透水系數仍能滿足透水混凝土的透水性能。這說明適量的超細活性粉體粉煤灰和硅灰的摻入可以強化膠結層和改善界面過渡層結構，提高透水混凝土的強度，同時膠結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。
表2 透水混凝土的孔隙率和透水系數
3．2 聚合物對透水混凝土界面的增強增韌效應
在上述研究基礎上，透水混凝土中不僅摻入礦物活性超細粉粉煤灰和硅灰，同時還摻入一定量的有機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，與水泥等一起將粗骨料膠結成堅固的整體。以粉煤灰摻量16%和硅灰摻量6%作為基準膠結料，其中分別摻入0%、4%、8%、12%、16%的SJ-601有機高分子聚合物。圖5示出了聚合物不同摻量時透水混凝土的抗折強度和抗壓強度。可見，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度和抗壓強度均有明顯的增長趨勢，其中聚合物摻量為16%時抗折強度由5．6 MPa提高至9．2 MPa，抗壓強度由28．9 MPa提高至35．5 MPa，抗折強度的提高幅度明顯高于抗壓強度。聚合物摻量為12%時，試樣的抗折強度為8．5MPa，抗壓強度為34．7MPa。由此得出，聚合物的摻入對提高透水混凝土的力學性能具有明顯優勢。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，使漿體的流動性提高，起到了減水的效果。同時，摻入聚合物能增加膠結料漿體的稠度和粘聚性，增強膠結料漿體與粗骨料間的粘結力，改善混凝土成型時的均勻性和穩定性。大大降低流漿現象，提高透水混凝土的強度。
圖5 聚合物對透水混凝土強度的影響
圖6 透水混凝土的抗彎曲荷載與撓度的關系曲線
圖6示出了有機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出彈塑性特征。這是因為聚合物在透水混凝土中失水形成聚合物膜層均勻分散在整個混凝土結構中，同時填充界面區域的微小孔隙，修復微結構缺陷。由于聚合物的柔性，生成的聚合物膜在彎曲應力作用下可使結構內部缺陷應力松弛，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，從而達到對透水混凝土的增強增韌效果。
表3 聚合物對透水混凝土孔隙率和透水系數的影響
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。由表可見，隨著聚合物摻量的增加孔隙率和透水系數均呈減小趨勢。當聚合物的摻量不超過12%時，透水系數仍能達到4．2 mm·s－1，同時孔隙率達到16．4%，此時仍能滿足透水混凝土的透水性能。但當聚合物摻量達到16%時，試樣透水系數顯著降低，同時孔隙率減小，密實度增大。這是由于有機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粉體構成膠結層，聚合物主要填充膠結材料體系內部和界面過渡層的微小孔隙中，因此提高了膠結層和界面過渡層的致密程度。然而，當聚合物摻量過多時，多余的聚合物就會填充在粗骨料相互搭接的連通孔隙中，導致孔隙率和透水系數明顯降低，因此，聚合物的摻入有利于改善膠結層和界面過渡層結構，但摻量不宜過多，本實驗中較適宜的聚合物摻量范圍為8%～12%。
圖7 透水混凝土的界面過渡區微觀結構(a)水泥膠結料體系; (b)水泥-活性超細粉-聚合物膠結料體系
圖7對比了以水泥單獨作為膠結料和以水泥-活性超細粉-聚合物作為膠結料時透水混凝土界面過渡區域的微觀形貌。結果發現，以水泥作為膠結料制備的透水混凝土在骨料和膠結料的界面位置存在明顯的間隙，而以水泥-活性超細粉-聚合物作為膠結料制備的透水混凝土其界面區域粘結緊密，摻入有機高分子聚合物的膠結料不僅增強了膠結層，還牢牢地把骨料顆粒握裹在一起，在本質上改善了骨料與膠結料的界面過渡層結構。分析原因有機高分子聚合物對透水混凝土的增強作用是在粗骨料與膠結材料體系的界面處形成較高強度的粘結膜，并填充界面過渡層及膠結材料體系內部的細微孔隙。膠結材料體系水化反應與聚合物粘結膜的形成同時進行，加之礦物微粉的二次水化，可使生成的結構網進一步密實和強化，該結構使骨料顆粒與膠結料體系牢固地粘結在一起形成一個復合體［9］。進而減少了混凝土內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性能起到促進作用。
四 結論
(1)礦物活性超細粉對透水混凝土界面具有增強效應，結果發現適量的超細粉煤灰和硅灰的摻入可以強化膠結層并提高界面過渡層的致密程度，使透水混凝土的抗折強度和抗壓強度提高;
(2)聚合物對透水混凝土界面具有增強效應，填充界面過渡區的細微孔隙，使混凝土強度提高，28 d抗折強度達到8．5 MPa，抗壓強度達到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，發現聚合物的柔性可使結構內部缺陷應力松弛，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。