透水降噪多孔混凝土力学性能研究

王印龙

(陕西省交通交通建设集团公司 西安 710075)

透水降噪多孔混凝土力学性能研究

王印龙

(陕西省交通交通建设集团公司 西安 710075)

通过室内试验，研究了10～15 mm集料含量、水灰比、目标空隙率和4种不同类型的有机聚合物乳液对多孔混凝土力学性能的影响.试验结果表明：当10～15 mm集料含量为40%时，混凝土的7 d抗压强度最大，空隙率最小；当水灰比小于0.28时，随水灰比的增大，混凝土的早期和后期强度显著增大，而当水灰比大于0.28时，强度随水灰比有所减小；随目标空隙率的增大，混凝土不同龄期的强度大幅下降，实测空隙率、实测有效空隙率和目标空隙率之间都具有很好的二次相关性；丁苯乳液对混凝土早期强度的改善作用最明显，而氯丁乳液对混凝土后期强度其主要作用，强度对改性环氧乳胶掺量的变化最敏感.

道路工程；多孔混凝土；强度；空隙率；力学性能

0 引 言

路面排水问题一直是公路水环境保护的重点.当雨水降落在路表范围内时，绝大部分水可以通过路面横坡和纵坡排到路基以外，但仍有一部分水会通过路表面的孔隙和裂缝渗入到路面结构内部[1]，进入结构内部的水在车辆荷载的作用下会产生动水压力，从而对基层和路基材料造成冲刷，引起路面的结构性破坏.因此，通过开发合理的排水基层材料对提高路面的使用性能，延长路面使用寿命具有重要意义.研究表明，排水基层材料必须满足二方面的要求：(1)具有足够的渗透性；(2)有足够强度以满足路面的结构要求[2-3].

多孔混凝土是一种由少量水泥和大量的碎石构成，含有连续孔隙，有一定强度同时又具有良好透气性和透水性的混凝土[4-5].用于路面结构不仅能够降低路面噪声[6-7]，而且能够排出路面内部的积水.相关研究表明[8-13]，相比于其他路面基层材料，多孔混凝土具有高强度、干缩小、抗冲刷性能好等优点.然而，多孔混凝土中细集料含量小，由水泥裹覆在粗集料的表面形成孔隙均匀分布的峰窝状结构，以保证渗透性.如何在具有高渗透性的同时具有较高的强度，是多孔混凝土面临的主要问题.本文通过室内试验，系统研究了集料级配、水灰比、空隙率和有机聚合物增强剂等对多孔混凝土力学性能的影响，为我国多孔混凝土的设计与施工提供参考.

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

1.1.1 水泥 水泥选用四川重龙股份有限公司生产的P·O42.5重龙山牌水泥，有关技术指标见表1.

表1 水泥技术指标

1.1.2 集料 集料选用玄武岩，规格有5～10 mm和10～15 mm 2档，相关技术指标见表2.

表2 集料技术指标

1.1.3 增强剂 选用4种不同的有机聚合物乳液作对比，优选出最佳的有机聚合物增强剂.4种聚合物乳液的技术指标见表3.

表3 有机聚合物乳液技术性质

1.1.4 外加剂 外加剂选用江苏博特新材料有限公司提供的PCA羧酸类高效减水剂，各项指标均满足要求.

1.2 试验方法

将集料与水泥、有机聚合物乳液混合搅拌60 s后，继续搅拌并徐徐加水，水中已事先加入减水剂，全部加料时间不超过120 s.水加入后继续搅拌，搅拌时间比普通混凝土稍长，约为120 s.将搅拌好的混凝土装入模具中成型1 d后脱模，并养护至7 d或28 d，最后按规范要求进行力学性能测试.

2 级配对力学性能的影响

根据5～10 mm和10～15 mm 2档集料的质量比(75∶25,60∶40,45∶55,30∶70,15∶85)不同初选7种级配，控制水灰比为0.26，灰集比为0.27，目标空隙率为22%，制成多孔混凝土试件，测定7 d抗压强度、7 d抗折强度和空隙率，研究10～15 mm集料含量对多孔混凝土力学性能的影响，试验结果见图1.

图1 级配对力学性能的影响

从图1可见，随着10～15 mm集料含量的增加，混凝土的抗压强度和抗折强度先增大后减小，空隙率先增大后减小再增大.当10～15 mm集料含量为40%时，抗压强度最大，空隙率最小，且此时的空隙率最接近目标空隙率；而当10～15 mm集料含量为25%时抗折强度最大，但与10～15 mm集料含量为40%时的抗折强度相差并不明显.

这是因为多孔混凝土为典型的骨架结构，当10～15 mm集料含量小于40%时，0～5 mm集料含量太大对10～15 mm集料的填充起干涉作用，且撑开了10～15 mm集料形成的骨架，因此表现为抗压强度和抗折强度随10～15 mm集料含量的增多而增大，空隙率随10～15 mm集料含量的增多而减小.而当10～15 mm集料含量大于40%时，随着10～15 mm集料含量增大，0～5 mm集料含量减小，10～15 mm集料形成的空隙已经无法被0～5 mm集料完全填充，混凝土中形成了出现大量的开口孔隙，表现为随10～15 mm集料含量增大，抗压强度和抗折强度逐渐减小，而空隙率逐渐增大.综合考虑，最佳级配应为10～15 mm集料和0～5 mm集料质量比为40%∶60%.

3 水灰比对力学性能的影响

在最佳级配下，选择不同的水灰比成型混凝土试件分别养护至7 d和28 d，并测定其强度，试验结果见图2.

图2 水灰比对力学性能的影响

从图2可见，当水灰比小于0.28时，随着水灰比的增大，混凝土7 d和28 d的抗压强度和抗折强度都大幅增加，例如水灰比为0.28时，7 d的抗压强度相比于水灰比为0.20时增加34.3%.当水灰比大于0.28时，随水灰比的增大，混凝土7 d和28 d的抗压强度和抗折强度逐渐减小.当水灰比为0.28时，混凝土28 d的强度都达到最大值.

这是因为，当水灰比较小时，混凝土中的自由水含量较小，水泥浆总体流动性很差，水泥浆无法均匀的裹覆在集料表面，故混凝土的强度较低，此时增大水灰比会明显提高水泥浆的流动性，使混凝土强度显著增大.而当水灰比大于0.28时，水泥浆流动性较大，水泥浆向试件下部流淌，造成混凝土试件下部较密实，上部多孔隙，混凝土出现离析，因此强度较低.

4 空隙率对力学性能的影响

为了研究空隙率与混凝土力学性能之间的关系，选用最佳级配，控制目标空隙率分别为16%，18%，20%，22%和24%，室内成型标准多孔混凝土试件，分别测定其7 d和28 d强度、实测空隙率和实测有效空隙率，试验结果见图3.并分别回归目标空隙率n0和实测空隙率n1、实测有效空隙率n2之间的关系分别见式(1)和式(2).

图3 空隙率对力学性能的影响

n1=0.029 3n20-0,254 2n0+12.39

R2=0.995 6

(1)

n2=0.037n20-0.540 2n0+15.589

R2=0.980 8

(2)

由图3可见，混凝土7 d和28 d的抗压强度、抗折强度都随实测空隙率的增大而线性降低.这是因为，多孔混凝土的强度主要来源于骨料之间的摩阻力和水泥浆的粘结力，集料颗粒之间是点接触，当空隙率增大时，混凝土内部颗粒之间的相互接触点减少，因此强度降低.

多孔混凝土的实测空隙率n1和实测有效空隙率n2与目标空隙率n0之间数值接近，且都有很好的二次相关性，因此在实际的多孔混凝土设计中可以用式(1)和式(2)计算多孔混凝土的实测空隙率和实测有效空隙率.

5 有机聚合物对力学性能的影响

选择4种不同的有机聚合物乳液，掺量分别控制在2%，6%和10%.在室内制备标准的混凝土试件，养护至一定龄期，分别测定7 d和28 d的强度值，试验结果见图4和图5.

图4 聚合物种类和掺量对混凝土7 d强度的影响

图5 聚合物种类和掺量对混凝土28 d强度的影响

从图4和图5可见，不同种类的聚合物对混凝土不同龄期强度的改善效果并不相同.随着1#聚合物掺量的增多，混凝土的抗压强度和抗折强度都逐渐增大，其中龄期越长增大幅度越明显.随着2#聚合物掺量的增多，混凝土不同龄期的强度增大不明显.随着3#聚合物掺量的增多，混凝土7 d和28 d的抗压强度出现先减小后增大的趋势，而7 d和28 d的抗折强度都出现先增大后减小的趋势，其中当掺量为6%时，抗压强度最小，而抗折强度最大，此时混凝土的弯曲韧性最好.随着4#聚合物掺量的增多，混凝土7 d的抗压强度先减小后增大，而7 d抗折强度逐渐增大，28 d的抗压强度和抗折强度都逐渐减小.

当掺量相同时，对于7 d的强度，当掺加4#聚合物抗压强度和抗折强度最大，而掺加2#聚合物时抗压强度和抗折强度最小；对于28 d强度，掺加3#聚合物时，抗压强度和抗折强度都为最大，而掺加2#聚合物时，抗压强度和抗折强度都为最小.表明，4#聚合物对改善混凝土早期强度最为有利，而3#聚合物对主要混凝土的后期强度起主要作用，而混凝土强度对1#聚合物掺量的变化最敏感.

6 结 论

1) 随着10～15 mm集料含量的增大，多孔混凝土7 d的抗压强度和抗折强度都呈现先增大后减小的趋势，而空隙率先增大后减小然后再增大；当10～15 mm集料含量为40%时，空隙率最小，而抗压强度和抗折强度最大.

2) 当水灰比小于0.28时，增大水灰比能够显著增大多孔混凝土7 d和28 d的抗压强度和抗折强度；而当水灰比大于0.28时，增大水灰比会降低混凝土不同龄期的强度.

3) 目标空隙率越大，混多孔凝土早期和后期的抗压强度和抗折强度越小；实测空隙率和实测有效空隙率与目标空隙率之间数值接近，且都有很好的二次相关性.

4) 丁苯乳液对混凝土早期强度的改善效果最好，而氯丁乳液主要对混凝土后期强度其主要作用；混凝土强度对改性环氧乳胶掺量的变化最为敏感.

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Study on the Mechanical Properties of Porous Concrete with Permeable and Noise Reduction

WANG Yinlong

(ShaanxiProvinceTrafficConstructionGroupCompany,Xi'an710075，China)

Through laboratory tests，the effects of the proportion of 10～15mm paiticle、water-cement ration、target porosity and four different types of organic polymer emulsion on the properties of porous concrete are studied. The results indicated that：When 10～15 mm aggregate content is 40%，the compressive strength of 7d has a maximum value，and the void ratio has a minimum value；When the water-cement ratio is less than 0.28，as water-cement ratio increasing，the early strength and late strength of concrete increased dramatically，and when the water-cement ratio is greater than 0.28，the strength with water cement ratio decreased；With the target porosity increases，the strength of the concrete in different age decreased dramatically，and it has a good quadratic correlation between the measured porosity、effective porosity and the target porosity；The improvement effect of styrene butadiene latex on the early strength of concrete is most obvious, and chloroprene latex has main function for the late strength of concrete , the most sensitive to intensity variations on modified epoxy latexcontent.

road engineering；porous concrete；strength；void fraction；mechanical properties

2015-03-10

U416.216

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.03.024

王印龙(1960- )：男，高级工程师，主要研究领域为公路工程.