透水混凝土界面增强增韧效应研究
关键词：界面 聚合物 混凝土 透水 区域 过渡区 孔隙 过渡 样品 养护
透水混凝土的最薄弱部位是骨料与胶凝材料的界面区域,为制备出高性能透水混凝土,本文研究了矿物活性超细粉和高分子聚合物对透水混凝土界面的增强增韧效应。结果发现:超细粉煤灰和硅灰颗粒可以分散到界面过渡区的粗糙孔隙结构区域,提高界面过渡层的致密程度。同时,掺入的聚合物向界面过渡层聚积,填充界面过渡区的细微孔隙,较适宜的聚合物掺量为8%~12%。标准养护28 d样品的抗折强度达到8.5 MPa,抗压强度达到34.7MPa。另外,聚合物的柔性可有效阻止结构内部裂纹的延伸,在一定程度上提高透水混凝土的韧性。
一、引言
据统计，截至2015年底，我国已有98座城市因受暴雨发生内涝，随着城市化建设，路面材料可以自然渗水的区域不断减少，取而代之的是沥青、混凝土、大理石等不透水的路面材料。怎样才能缓解城市的内涝之灾，那就是建造海绵城市，使城市建筑、配套设施都具备吸水功能。其主要建筑材料就是要大规模使用透水性的路面材料，与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气性。同时原材料可以采用活性固体废弃物材料，具有良好的生态效应和经济效益［1-4］。
目前，应用透水路面材料的工程数量少，且大多集中在公园等小型室外场所，由于透水混凝土粗骨料粒径大，胶结材料用量少，胶结点少，胶结层薄，界面过渡区薄弱，导致透水混凝土的强度低，限制了其大规模的应用。因此，提高透水混凝土的强度成为关键，透水混凝土主要由骨料和胶结料组成，其强度一方面依赖于骨料之间形成嵌锁作用，另一方面依赖于骨料和胶结料的界面结合作用。近年来，国内外关于透水混凝土的研究从原材料的选取、配合比设计及路用性能等方面提出一些比较成熟的观点和理论，例如:张瑶等［5］研究了自主研发的外加剂添加透水混凝土的合适配合比，不同水灰比和不同掺量时对透水混凝土抗压强度和孔隙率的影响。张朝辉等［6］研究了水灰比、灰集比、胶结材料及集料性能对透水混凝土强度和透水性的影响。徐向舟等［7］研制了以烘干砂为主要原料，高标号水泥为粘结剂的混凝土透水砖，并对透水砖进行了抗压强度、透水率等物理指标测试。以上透水性混凝土的力学性能研究多集中于从宏观角度出发，然而力学性能的好坏关键取决于骨料和胶结料的界面区状态，在该方面还鲜有报道，鉴于此本文拟从改善骨料和胶结料的界面过渡区状态出发，系统研究透水混凝土骨料和胶结料界面的增强增韧，制备高性能透水混凝土。
透水混凝土的最薄弱部位是骨料与胶结料的界面区域，为制备出高性能透水混凝土，从优化骨料与胶结料的界面结合状态和胶结层的增强着手。改善胶结料体系，原材料主要以水泥为主，引入适量矿物活性超细粉(粉煤灰及硅灰等)和高分子聚合物改性剂。利用矿物活性超细粉的具有的火山灰活性效应、微集料效应和颗粒形态效应以及有机聚合物具有的渗透性、填充性和粘结性能等，改善透水性混凝土界面结构，解决透水性混凝土高透水性与高强度的矛盾，提高界面胶凝材料体系的胶结强度，强化界面区性能，提高抗压抗弯拉强度及胶结料对骨料颗粒的把持力，达到对透水混凝土的增强增韧的目的。
二、实验
2．1 原材料
选用集料为石灰岩类5．0～10．0 mm、10．0～15．0 mm两种粒级碎石。胶凝材料体系主要采用鼎鑫P· O 42．5级普通硅酸盐水泥，其比表面积为340 m2/kg;粉煤灰采用煤电厂电吸尘气流分选工艺收集的超细粉煤灰I级灰，其技术指标见表1;硅灰采用铁合金厂生产的微硅粉，活性SiO2≥98%，氮吸附法测定比表面积18000 m2/kg，平均粒径0．19 μm。水泥改性剂采用苏州建筑科学研究院生产的SJ-601型有机高分子聚合物水泥改性剂;拌合用水是饮用自来水。
2．2 制备工艺
采用原材料分批投料水泥浆包裹技术制备透水混凝土标准试件，用混凝土搅拌机机械拌合，在2．5～3．0 MPa的成型压力下采用压力试验机进行压制成型。成型尺寸100 mm×100 mm×100 mm用于抗压强度测试，成型尺寸100 mm×100 mm×400 mm用于抗折强度及抗弯曲荷载变形测试。成型后用湿布覆盖表面，在室温(20±5)℃，相对湿度大于50%的环境下静放一个到两个昼夜，然后脱模，在温度(20±2)℃，相对湿度95%以上养护条件下养护至龄期进行性能检测。
2．3 测试方法
依据行业标准JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》对透水混凝土试件进行力学性能检测，采用SYE-2000型压力试验机测试抗压强度，万能试验机测试抗折强度。透水混凝土界面区状态在Philips XL30型扫描电子显微镜上分析。
抗弯曲荷载及其变形检测借鉴标准JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》中T0559-2005水泥混凝土抗弯拉弹性模量试验方法，在小型梁式试件底部中点位置贴应变计，记录仪同时记录试样的三分点抗弯拉荷载值和试样跨中的应变值，由式(1)将应变值计算出试样跨中的挠度值。
式中:▽为小梁试件中点挠度;L为梁跨距;ξ为梁底部中点应变;H为梁试件高度;a为荷载距支座水平距离。
透水系数的测定参照北京地方标准DB11/T775-2010《透水混凝土路面技术规程》和城镇建设工程行业标准CJJ/T135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》，自行研制简易透水仪如图1所示，以此横向对比各因素对透水系数的影响。试件与透水仪连接处用石蜡密封，透水仪上方有机玻璃圆筒中加水超过200 mm刻度线，用秒表记录水位下降从200 mm至0 mm刻度所经历的时间，以秒计。透水混凝土试件的透水系数按公式(2)进行计算。
式中:V为透水系数，mm/s;H为水位下降高度差，200 mm;Δt为水位从200 mm降至0 mm所经历的时间，s。
图1 简易透水仪示意图
图2 混凝土界面过渡区模型
三 、 结果与讨论
3．1 矿物活性超细粉对透水混凝土界面的增强效应
透水混凝土中骨料和胶结料的界面过渡区与水泥石本体的结构不同，硬化的透水性混凝土结构是由水泥石、界面过渡区和集料三个重要环节组成，其中界面过渡区的性质对混凝土的性质起着决定性的作用，由于透水混凝土具有较多的宏观连通孔隙，因此界面区在其中的作用和影响远比普通混凝土中突出。混凝土的界面过渡区结构如图2所示。界面过渡区具有较大的粗糙孔隙结构，这是由于在新拌混凝土中，粗骨料碎石粗糙表面的吸水性，在其周围包裹一层水膜，相对于混凝土本体骨料表面水量较多，因此在骨料周围水泥水化生成的结晶产物晶体尺寸大，形成的孔隙多，随着胶凝材料体系水化程度加大，生成的产物水化硅酸钙凝胶体，氢氧化钙晶体和钙矾石等晶体逐渐进入由大晶体构成的界面区孔隙中。由此造成了界面过渡区的粗糙孔隙结构，降低了界面区的强度和水泥本体与骨料的粘结力，在透水混凝土中尤为突出，因此使透水混凝土力学性能降低，限制了透水混凝土的大规模应用。鉴于本实验优化胶结料体系，掺入超细粉煤灰和硅灰，使其达到紧密堆积状态，界面过渡区产物结构网进一步密实而起到强化作用，提高透水混凝土的力学性能。
图3和图4示出了掺入超细粉煤灰和硅灰的透水混凝土的抗折强度和抗压强度变化趋势。图3和图4表明随着粉煤灰掺量由8%增至16%透水混凝土的抗折强度和抗压强度均逐渐增加，但粉煤灰掺量过大时强度又略有下降。在不同粉煤灰掺量下对比了复掺硅灰对混凝土强度的影响，随着硅灰掺量的增加，试样的抗折强度和抗压强度均有明显提高，但硅灰掺量较多时强度又有所下降，硅灰的掺量应不超过8%，同时粉煤灰的掺量在16%左右时透水混凝土具有较高的抗折和抗压强度。透水混凝土的抗折能力对于结构缺陷更加敏感，界面过渡区微观结构网的密实度和水化产生的结晶应力起到关键作用。而加入超细粉煤灰和硅灰的微集料效应以及活性微粉的二次水化产生的结晶应力可以使得结构网进一步密实而起到强化作用，降低过渡区微观缺陷，从而有利于提高其力学性能。
图3 掺入粉煤灰和硅灰透水混凝土的抗折强度
分析原因矿物活性超细粉对透水混凝土强度的提高主要源于两方面:一方面增强了胶结料，第二方面改善了界面过渡层的状态。粉煤灰和硅灰的火山灰效应消耗大量的氢氧化钙，生成低碱性水化硅酸钙，低碱性水化硅酸钙具有更致密的微观结构，同时两种矿物超细粉体在胶凝材料体系水化中起到微晶核的作用，加速水化的同时增加产物凝胶体数量和均匀度。另外复合超细粉不同粒级的填充作用有利于提高水泥石的致密程度，从而提高胶结层的强度。
同时，骨料与胶结料的界面过渡层得到改善。分析原因透水混凝土的胶结料体系采用普通硅酸盐水泥、超细粉煤灰和硅灰，由激光粒度分析仪测定水泥的平均粒径为34．9 μm，超细粉煤灰的平均粒径为9．62 μm，可见粉煤灰的粒径明显小于水泥的粒径，因此粉煤灰可以填充水泥颗粒形成的空隙，增加其密实程度。然而，粉煤灰中粒径小于0．5 μm的颗粒含量很少，在这样的小尺寸范围内无法实现紧密堆积，因此掺入平均粒径更小的硅灰。根据颗粒堆积的Horsfield模型［8］，如果在某颗粒体系中掺入粒径尺寸形成极差的更细的颗粒，即多粒级颗粒中粒径为上一级尺寸半径的0．225倍及更细的颗粒，这种复合粒级的引入可以填充到上一级粉体的三角孔隙和四角孔隙中，整体提高体系堆积密实度和降低结构孔隙率。
胶结材中掺入不同粒级的粉煤灰和硅灰可以填充至水泥颗粒孔隙中，这些不同粒径颗粒之间形成微集料密实填充效应，使其接近最紧密堆积状态，有利于提高胶结料的致密程度。尤其是粉煤灰和硅灰这些超细活性粉体可以分散到骨料与胶结料界面过渡区的粗糙孔隙结构区域，提高界面过渡层的致密程度，使界面区域充分水化生成大量结构致密的水化硅酸钙凝胶，没有氢氧化钙大晶体产生，使界面过渡层与粗骨料形成大面积紧密粘结，从而增强界面结合状态，提高了透水混凝土的抗折强度和抗压强度。同时粉煤灰和硅灰的掺量不宜过大，掺量过大强度增加不明显且由于超细粉的巨大比表面积会导致拌合用水量增加及收缩量增加。较适宜的超细粉煤灰的掺量为16%左右，硅灰的掺量为6%左右。
表2示出了掺入粉煤灰和硅灰透水混凝土的孔隙率和透水系数，分析结果发现掺入粉煤灰和硅灰的透水混凝土28 d抗折强度和抗压强度均有明显的提高，其孔隙率和透水系数略有减小，但减小程度不显著，其透水系数仍能满足透水混凝土的透水性能。这说明适量的超细活性粉体粉煤灰和硅灰的掺入可以强化胶结层和改善界面过渡层结构，提高透水混凝土的强度，同时胶结料不堵塞粗骨料骨架搭接成的孔隙，保持一定的孔隙空间和连通性来满足透水性。
表2 透水混凝土的孔隙率和透水系数
3．2 聚合物对透水混凝土界面的增强增韧效应
在上述研究基础上，透水混凝土中不仅掺入矿物活性超细粉粉煤灰和硅灰，同时还掺入一定量的有机高分子聚合物水泥改性剂，这些聚合物包裹在粗骨料周围，分散在胶凝材料体系内，与水泥等一起将粗骨料胶结成坚固的整体。以粉煤灰掺量16%和硅灰掺量6%作为基准胶结料，其中分别掺入0%、4%、8%、12%、16%的SJ-601有机高分子聚合物。图5示出了聚合物不同掺量时透水混凝土的抗折强度和抗压强度。可见，与不掺聚合物的试样相比，随着高分子聚合物掺量的增加抗折强度和抗压强度均有明显的增长趋势，其中聚合物掺量为16%时抗折强度由5．6 MPa提高至9．2 MPa，抗压强度由28．9 MPa提高至35．5 MPa，抗折强度的提高幅度明显高于抗压强度。聚合物掺量为12%时，试样的抗折强度为8．5MPa，抗压强度为34．7MPa。由此得出，聚合物的掺入对提高透水混凝土的力学性能具有明显优势。分析原因SJ-601聚合物是一种水泥改性剂，该水泥改性剂由于自身的滚珠润滑作用和表面活性剂分散作用，使浆体的流动性提高，起到了减水的效果。同时，掺入聚合物能增加胶结料浆体的稠度和粘聚性，增强胶结料浆体与粗骨料间的粘结力，改善混凝土成型时的均匀性和稳定性。大大降低流浆现象，提高透水混凝土的强度。
图5 聚合物对透水混凝土强度的影响
图6 透水混凝土的抗弯曲荷载与挠度的关系曲线
图6示出了有机高分子聚合物不同掺量时透水混凝土试样的抗弯曲荷载与挠度的关系曲线，由此可知，在荷载作用较小时，透水混凝土的荷载与挠度曲线均表现出较好的弹性性能。随荷载增加，曲线初期近似呈直线形式，其斜率即试样的弹性模量。不掺聚合物时试样的荷载挠度曲线对应的斜率较大，随着聚合物掺量增加，曲线斜率有所降低，同时试件所能承受的最大荷载值显著提高。另外，不掺聚合物的试样抗弯荷载与挠度曲线的上凸部分较短，而随着聚合物的掺入该曲线的上凸部分明显变长，这说明不掺聚合物的透水混凝土承受弯曲荷载时主要表现为脆性断裂，而聚合物的加入使透水混凝土在承受荷载时呈现出弹塑性特征。这是因为聚合物在透水混凝土中失水形成聚合物膜层均匀分散在整个混凝土结构中，同时填充界面区域的微小孔隙，修复微结构缺陷。由于聚合物的柔性，生成的聚合物膜在弯曲应力作用下可使结构内部缺陷应力松弛，可以吸收微裂纹在混凝土中延伸所需的断裂能，有效阻止裂纹的延伸，因此聚合物的掺入有效改善混凝土的脆性，明显提高其韧性，从而达到对透水混凝土的增强增韧效果。
表3 聚合物对透水混凝土孔隙率和透水系数的影响
表3示出了不同聚合物掺量时透水混凝土试样的孔隙率和透水系数。由表可见，随着聚合物掺量的增加孔隙率和透水系数均呈减小趋势。当聚合物的掺量不超过12%时，透水系数仍能达到4．2 mm·s－1，同时孔隙率达到16．4%，此时仍能满足透水混凝土的透水性能。但当聚合物掺量达到16%时，试样透水系数显著降低，同时孔隙率减小，密实度增大。这是由于有机高分子聚合物掺量较低时，聚合物和水泥以及掺入的活性超细粉体构成胶结层，聚合物主要填充胶结材料体系内部和界面过渡层的微小孔隙中，因此提高了胶结层和界面过渡层的致密程度。然而，当聚合物掺量过多时，多余的聚合物就会填充在粗骨料相互搭接的连通孔隙中，导致孔隙率和透水系数明显降低，因此，聚合物的掺入有利于改善胶结层和界面过渡层结构，但掺量不宜过多，本实验中较适宜的聚合物掺量范围为8%～12%。
图7 透水混凝土的界面过渡区微观结构(a)水泥胶结料体系; (b)水泥-活性超细粉-聚合物胶结料体系
图7对比了以水泥单独作为胶结料和以水泥-活性超细粉-聚合物作为胶结料时透水混凝土界面过渡区域的微观形貌。结果发现，以水泥作为胶结料制备的透水混凝土在骨料和胶结料的界面位置存在明显的间隙，而以水泥-活性超细粉-聚合物作为胶结料制备的透水混凝土其界面区域粘结紧密，掺入有机高分子聚合物的胶结料不仅增强了胶结层，还牢牢地把骨料颗粒握裹在一起，在本质上改善了骨料与胶结料的界面过渡层结构。分析原因有机高分子聚合物对透水混凝土的增强作用是在粗骨料与胶结材料体系的界面处形成较高强度的粘结膜，并填充界面过渡层及胶结材料体系内部的细微孔隙。胶结材料体系水化反应与聚合物粘结膜的形成同时进行，加之矿物微粉的二次水化，可使生成的结构网进一步密实和强化，该结构使骨料颗粒与胶结料体系牢固地粘结在一起形成一个复合体［9］。进而减少了混凝土内部各种原生缺陷和微裂纹的比例，对提高透水混凝土的力学性能起到促进作用。
四 结论
(1)矿物活性超细粉对透水混凝土界面具有增强效应，结果发现适量的超细粉煤灰和硅灰的掺入可以强化胶结层并提高界面过渡层的致密程度，使透水混凝土的抗折强度和抗压强度提高;
(2)聚合物对透水混凝土界面具有增强效应，填充界面过渡区的细微孔隙，使混凝土强度提高，28 d抗折强度达到8．5 MPa，抗压强度达到34．7 MPa。同时为了满足透水性，较适宜的聚合物掺量为8%～12%;
(3)聚合物对透水混凝土界面具有增韧效应，发现聚合物的柔性可使结构内部缺陷应力松弛，可以吸收微裂纹在混凝土中延伸所需的断裂能，有效阻止裂纹的延伸，因此聚合物的掺入有效改善混凝土的脆性，明显提高其韧性。