浆体新拌性能与透水混凝土硬化性能的相关性

姜 骞， 刘建忠， 周华新， 崔 巩， 蔡景顺(1.江苏苏博特新材料股份有限公司， 江苏 南京 211103；2.高性能土木工程材料国家重点实验室， 江苏 南京 210008)

随着国家、地方自上而下对建设“海绵城市”的大力推进，透水混凝土将广泛地用于城市道路、广场，以及小区道路、停车场建设中.国内传统透水混凝土制备施工中的现拌模式既不能满足其大规模应用的需求，也无法保障工程施工质量，因此混凝土预拌将成为未来国内透水混凝土的主要制备方式.

然而，透水混凝土因具有坍落度小、浆体用量少和内部孔隙多等特点，导致混凝土极易因失水造成浆体失去胶凝性，施工时间较短；如采用预拌方式生产，混凝土的装卸料与浇筑施工均要求其具有一定的流动度[1]，而运输过程中不可避免的颠簸、振动等影响，易导致浆体下沉、骨料离析等现象[2]，造成混凝土强度或透水性不能满足设计指标.由此可见，预拌透水混凝土的工作状态将在很大程度上影响其可生产施工性和硬化服役性能.然而，国内外关于透水混凝土的研究热点仍集中于其配合比设计、硬化性能表征和提升措施等方面[3-5]，对于其工作性能——尤其是工作性能对硬化性能的影响较少涉及；另外，目前透水混凝土工作性能的定量评价尚缺乏统一标准，大多数学者与技术人员仍采用目测方法[2,6-7]，通过浆体表面有无光泽和是否黏聚成团作为其工作性能优劣的判据，这也限制了透水混凝土新拌性能研究工作的开展.

透水混凝土属于干硬性混凝土，其内部骨料接近紧密堆积状态[8]，一般难以具备流动性，所以透水混凝土的新拌状态主要体现在其浆体.因此，深入探讨新拌浆体的工作状态和流变行为及其与透水混凝土硬化性能的相关性，对促进透水混凝土预拌生产、指导工程应用等具有实践意义.

1 试验

1.1 原材料与配合比

水泥采用江南小野田P·Ⅱ 52.5硅酸盐水泥；粗骨料采用江苏镇江5～10mm玄武岩碎石；拌和水采用自来水；高性能减水剂和黏度改性剂分别采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂(PCA)和增稠剂(VMA).

根据CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》设计并制备C20强度等级透水混凝土，其配合比为：水泥用量360kg/m3；碎石用量1520kg/m3；水用量100kg/m3.

1.2 试验方法

透水混凝土制备后，采用4.75mm圆孔筛在振动台上将透水混凝土中的浆体筛出，参照GB/T 8077—2012《混凝士外加剂匀质性试验方法》中“水泥净浆流动度”的相关规定测试透水混凝土中浆体的流动度.在制备时通过改变减水剂掺量(质量分数，文中涉及的掺量等除特别说明外均为质量分数)获得具有不同浆体流动度的透水混凝土.当研究浆体黏聚性对透水混凝土性能的影响时，先通过改变减水剂掺量来调节透水混凝土浆体流动度水平(160，180，200，220，240mm)，然后改变增稠剂掺量(0%，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%)，获得具有不同黏聚性的透水混凝土.

采用美国Brookfield公司R/SP-SST软固体流变仪测试浆体的流变性能.具体做法为：浆体搅拌均匀(历时255s)，然后在105s内装填好样品，静置60s后启动流变仪转子，在90s内使剪切速率从0s-1增加到100s-1，再在90s内使剪切速率从100s-1降至0s-1，得到剪切速率-剪切应力的上升和下行曲线.根据赫-巴(Hershel-Bulkey，H-B)流变模型拟合得到浆体的屈服应力、塑性黏度等流变参数.

借鉴ASTM C1610/C1610Ma—2006标准[9]中测定自密实混凝土离析的试验装置和标准方法，开发了一种适用于评价新拌透水混凝土浆体抗分层能力的试验方法，测试装置如图1所示.测试时，将新拌透水混凝土浆体装入该测试装置中，捣实并抹平上表面，开启振动台2min后关闭；将PVC管内上层和下层的混凝土分别取出并称重，结果记作mtop和mbot，按下式计算浆体分层指数Iseg：

(1)

图1 新拌透水混凝土浆体抗分层性测试装置Fig.1 Column segregation apparatus for fresh pervious concrete(size:mm)

透水混凝土成型与养护参照DB11T 775—2010《透水混凝土路面技术规程》附录A执行.透水混凝土28d抗压强度参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试.透水混凝土连通孔隙率采用排水体积法进行测定，采用150mm×150mm×150mm立方体试件.透水混凝土透水系数参照CJJ/T 135—2009规程测试计算.采用德国YXLON公司的Y.CT Precision S系列高精度计算机断层扫描系统测试透水混凝土钻芯试件(尺寸φ50×100mm)内部孔隙结构分布.

2 结果与讨论

2.1 流动性

2.1.1浆体流动度对抗压强度、连通空隙率的影响

试验中发现，随着减水剂掺量的提高，浆体的流动度也逐渐增大，当浆体流动度小于160mm时，骨料表面浆体无光泽，难以黏结成型；当浆体流动度为160～200mm时，透水混凝土能够黏聚成团，且随着流动度的提高，浆体光泽度逐渐明显；当浆体流动度大于200mm时，浆体不再紧紧包裹在骨料表面，而是向下流动并富集在混凝土底层，易导致混凝土底部孔隙堵塞造成其透水效果不佳.

图2统计了透水混凝土浆体流动度(仅通过减水剂调节)与硬化透水混凝土28d抗压强度、连通孔隙率的相关性.从图2中可以明显发现，随着浆体流动度的增加，透水混凝土的28d抗压强度提高，连通孔隙率则降低，且浆体流动度与透水混凝土28d抗压强度、连通孔隙率几乎呈线性关系.由此可见，当原材料与配合比确定时，透水混凝土的力学性能和透水性能在很大程度上是由其工作状态决定的.

图2 浆体流动度与硬化透水混凝土28d抗压强度、 连通孔隙率的相关性Fig.2 Correlation between paste fluidity and 28d compressive strength, connected porosity of hardened pervious concrete

2.1.2抗压强度、透水系数与表观密度的关系

图3是根据大量试验(浆体流动度为(180±10) mm)统计出的透水混凝土28d抗压强度、透水系数与表观密度的关系.从图3中可以发现，透水混凝土透水系数与表观密度存在近似指数函数的关系，而抗压强度与表观密度则存在近似线性函数的关系.根据透水混凝土配合比与结构特征可知，透水混凝土可以看作骨料紧密堆积后浆体对剩余孔隙的填充[8]，因此透水混凝土硬化性能受浆体流动度影响的直接原因是透水混凝土局部表观密度发生变化(浆体含量差异).

图3 透水混凝土透水系数、抗压强度与表观密度的关系Fig.3 Relationship between hydrological permeability, 28d compressive strength and apparent density of pervious concrete

2.2 黏聚性

为了满足透水混凝土预拌生产和提高骨料间相互黏结等要求，透水混凝土的流动性宜适当提高，然而根据上述试验结果可知，浆体流动性的提高易导致透水混凝土上下孔隙结构不均匀，造成其力学性能和透水性能下降.为改善这一矛盾，根据国内外文献调研结果[1,10-11]，通过在透水混凝土中加入增稠剂来改善浆体黏聚性，从而提高透水混凝土在外力作用下浆体包裹骨料的均匀稳定.

2.2.1分层指数

图4反映了增稠剂对透水混凝土浆体分层指数的影响.从图4中可以发现，当增稠剂掺量wVMA固定时，透水混凝土浆体分层指数随着浆体流动度的增加而提高，近似线性关系；当浆体流动度一定时，透水混凝土浆体分层指数随着增稠剂掺量的提高而降低.由此可见，增稠剂的加入能够有效改善透水混凝土因浆体流动度过大而导致浆体从骨料表面剥离的现象，其作用在于提高浆体的黏聚性，从而使透水混凝土在浆体流动度较大的情况下仍保持均匀稳定.

2.2.2孔结构分布

控制新拌透水混凝土浆体在高流动度状态(220mm)下，采用X射线计算机断层成像技术(X-CT)研究增稠剂对硬化透水混凝土孔隙率(φ)沿竖直方向变化规律的影响，结果见图5.从图5中可以直观地发现：当不掺加增稠剂时，透水混凝土成型后，骨料表面浆体易受振动等外力作用而出现沉降，导致透水混凝土试件上部孔隙较多、下部孔隙较少；当掺加增稠剂后，透水混凝土试件上下部分孔隙结构相对均匀.图6统计了沿透水混凝土试件竖直方向自下而上每隔1cm截取的水平二维图像中的孔隙率.由图6可见，不掺加增稠剂的试件孔隙率沿竖直方向自上而下呈梯度递减的分布特征，其中增稠剂掺量为0.8%的试件孔隙率仅小幅波动.

图4 增稠剂对透水混凝土浆体分层指数的影响Fig.4 Effect of VMA on segregation index of pervious concrete

图5 硬化透水混凝土X-CT图片Fig.5 X-CT images of hardened pervious concretes

图6 增稠剂对硬化透水混凝土试块水平二维断层 孔隙率的影响(自下而上)Fig.6 Effect of VMA on porosity of 2D computed tomograph image of hardened pervious concrete(bottom-up)

2.3 流变分析

为了深入分析透水混凝土浆体工作性能与其流变行为的关系，研究了水泥-减水剂-增稠剂复合浆体流动度与屈服应力、塑性黏度的相关性，结果见图7，其相应拟合公式见表1.图7(a)给出了浆体屈服应力与流动度之间的关系.由图7(a)可见，不管是否加入增稠剂，浆体的屈服应力与流动度间均存在近似幂函数的关系.已有研究也表明[12-14]，屈服应力与水泥浆体流动度或混凝土坍落度(扩展度)具有良好的对应关系.图7(b)给出了浆体塑性黏度与流动度之间的关系.由图7(b)和表1可见，当增稠剂掺量一定时，浆体的塑性黏度与流动度近似呈指数函数关系；在相同流动度下，增稠剂掺量越大，浆体的塑性黏度越高.由此可见，增稠剂能在不改变流动度的条件下提高浆体的塑性黏度(即黏聚性)，即使浆体流动度高达240mm，加入适量的增稠剂依然能够使浆体具有较高的塑性黏度，提高了透水混凝土的抗分层能力.

图7 屈服应力、塑性黏度与浆体流动度的相关性Fig.7 Correlation between yield stress, plastic viscosity and fluidity

表1 塑性黏度与浆体流动度的拟合公式Table 1 Regression equations between plastic viscosity and fluidity

根据水泥基材料流变学理论，屈服应力主要由浆体内各颗粒之间的附着力和摩擦力产生，是阻止浆体产生塑性变形的最大应力，屈服应力越小，浆体越易发生流动，其稳定性越差；塑性黏度则是水泥浆体内部结构阻碍流动的性能，反映了浆体体系变形的速度，塑性黏度越小，相同外力作用下浆体的流速越大[15-16].单纯使用减水剂时，浆体下沉以及由此导致的抗压强度升高和连通孔隙率降低的根本原因是浆体的黏聚性随流动度同步减小.因此，制备透水混凝土时必须严格控制浆体的流动度，然而在透水混凝土生产、运输和施工过程中，其工作状态对用水量、减水剂用量的敏感性以及流动度损失等因素将造成透水混凝土难以满足实际工程需要.同时使用减水剂和增稠剂，可以在较低的屈服应力下获得较高的塑性黏度，进而提高透水混凝土浆体流动过程中的阻力，降低流速，使浆体既能够良好地与骨料粘结，又不至于沉底、堵孔.

3 结论

(1)通过测试透水混凝土中浆体流动度和分层指数，定量表征了透水混凝土的新拌性能——流动性和黏聚性.

(2)当原材料和配合比确定时，透水混凝土的力学性能和透水性能在很大程度上由其工作状态决定；减水剂可以提高新拌透水混凝土中浆体的流动度，但在一定浆体流动度范围内，随着浆体流动性的提高，硬化透水混凝土28d抗压强度增大，透水系数降低.

(3)透水混凝土硬化性能受浆体流动度影响的直接原因是透水混凝土在竖直方向上的表观密度发生了变化(浆体含量差异)，根本原因在于随着浆体流动度的提高，其黏聚性(塑性黏度)与屈服应力同步减小.

(4)增稠剂可以在不改变屈服应力的条件下明显提高浆体黏聚性(塑性黏度)，减少大流动性透水混凝土的浆体沉底现象，从而在一定程度上改善透水混凝土流动性与硬化性能之间的矛盾.

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