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透水混凝土外加剂的作用探究

来源:原创论文网 添加时间:2021-09-30

  摘    要: 外加剂对透水混凝土的性能影响,是当前对透水混凝土进行探讨的重要课题。通过梳理与分析近年来国内的相关研究成果,发现选择合适的聚合物或者掺入适量的减水剂,能有效提升透水混凝土的抗压强度及透水系数;在其中适当加入引气剂,也能使透水混凝土的抗冻性能发生较大改善。为透水混凝土外加剂的选择提供借鉴,从而更好地建设和发展海绵城市。

  关键词 :     外加剂;透水混凝土:性能:

  Abstract: Research on the effect of admixture on the performance is important in the field of pervious concrete.Through combining and analyzing the relevant research results in recent years,it was found that the appropriate polymers or a proper number of water-reducing agents could effectively improve the compressive strength and permeability coefficient of pervious concrete.In addition,an appropriate amount of air entraining agents could significantly improve the frost resistance of pervious concrete.It could provide reference for the application of admixtures in pervious concrete and promote the construction and development of sponge city in China.

  Keyword: admixture; pervious concrete; performance;

  0 、引言

  传统普通混凝土路面施工硬化后的不透水性,从一定程度上影响了地面的生态循环,导致都市大雨淹水、热岛效应甚至全球变暖等灾害发生。国民因此更加关注城市环保工作,并对此产生了新的认识。由此,提出了“海绵城市”这一新概念。“海绵城市”主要指的是将城市建成海绵般结构,不仅顺应环境发生的改变,同时,当自然灾害发生时,环境也有一定的“弹性”,在雨季能够吸蓄、净化和渗透水分。如有必要,还能够将存蓄的水分进一步“释放”并善加应用,从而改善和恢复城市的生态平衡[1]。

  “透水混凝土”是建设“海绵城市”中铺装地面的主材料。生产及铺装应用“透水混凝土”,对于“海绵城市”的发展及建设都有积极重大的意义。透水混凝土也就是人们俗称的“多孔混凝土”,是用粗骨料(单粒级)、胶凝、砂(少量)、水、外加剂等几种材料混合、振动制成的一种生态混凝土材料。这一材料硬化成型之后,内部依旧存在大量连通孔,所以具备较强的保存水分、透水及透气等多种功能。一来不仅能够解决雨季时期出现的内涝现象,同时还能够向下渗透雨水,对地下水起到有效的补充作用,有助于植物成长以及水、热流通,有利于缓解“热岛效应”。考虑到透水混凝土内通常只有一小部分没有细骨料,粗骨料被浆体包裹,主要通过粗骨料之间的咬合摩擦及骨料表面的水泥浆体黏结成整体,耐久程度及力学强度都普遍小于常见的密实混凝土[2]。其物理性能较低、透水性较差且不稳定等问题,一直以来都是学术界研究的重点,也是海绵城市进一步推进的难点。
 

透水混凝土外加剂的作用探究
 

  为此,近年来,工程领域的研究人员探索与研究了多种改善透水混凝土性能的办法。其中,向透水混凝土中加入外加剂就是诸多方法中的一种,并取得了一定的研究成果。本研究对近些年来我国的相关研究资料进行分析,指出了聚合物、减水剂、引气剂等外加剂用于透水混凝土混合制造时,对其性能可能带来的影响,以期为外加剂在透水混凝土中的应用提供参考,进而促进我国海绵城市的建设发展。

  1、 聚合物

  考虑到透水混凝土主要是粗集料直接包裹薄层水泥浆体相互黏结而形成的材料,接触区质量对其抗压性能有较大影响,所以促使其黏结强度提升也是改善其性能的关键手段方法[3]。对比一般常见的透水混凝土,利用聚合物使其发生改性变化之后得到的水泥浆体,在骨料之间产生黏结力较强的膜。一般透水混凝土在使用聚合物后,其质量和性能水平也有所改善。使用聚合物之后,透水混凝土的透水能力及力学强度都会增强,石子和水泥浆体的黏结性能也会得到改善,减少了混凝土硬化后产生的微裂纹等。另外,由于聚合物具有一定的韧度,与透水混凝土的多孔结构相结合,可以起到一定的吸声减噪作用[4]。

  张金花等[5]分析了加入聚合物后,龄期不同的透水性混凝土性能,重点分析了抗压能力的变化,探究了聚合物掺和比例不同时,透水性混凝土的透水性、抗折、抗压(28 d)能力。结果表明:透水性混凝土中掺和聚合物之后,新拌性能、抗压能力、抗折能力、透水能力都会发生较大变化。其中,聚合物掺和比例小于15%时,随着掺和比提高,抗压、抗折、透水性能都会同比提高;但当聚合物掺和比例超过15%时,抗压能力增量较小。聚合物掺和比相同的情况下,掺入聚合物的数量越多,抗折能力也会同步增强;同时,透水系数存在一个峰值,当掺入聚合物的数量超过一定数值后,透水性能就会逐步减小。张勇林[6]选取无溶剂型环氧树脂、水性环氧树脂和无溶剂型聚氨酯这些不同聚合物外加剂进行研究,分别测试7 d抗压强度和透水系数。得出结论:在透水混凝土中加入的胶黏剂种类通常不会严重影响透水系数,但是选用环氧树脂类型胶黏剂制成的透水混凝土具备更强抗压能力。但对比加入聚氨酯类型胶黏剂的透水混凝土,其耐候性更差。苏有文等[7]对比了羟丙基甲基纤维素和再分散乳胶粉两种外加剂掺和比例不同时,透水混凝土材料的抗折、抗压、透水能力(包括孔隙率)等指标变化。研究指出,前一种外加剂将使得透水混凝土孔隙增多,透水能力增强,但黏度的提高将使其抗压能力下降,抗折能力则表现出抛物线状。同时,养护处理混凝土的周期越长,材料强度也随之逐步提高。王琨铭[8]进行慢冻和快冻试验研究,研究对比了一般常见透水混凝土加入矿渣聚合物后,抗冻性能的变化。试验结果表明:水泥透水混凝土试件在进行连续6次快冻快融实验之后断裂;加入矿渣的试件则在进行了连续10次快冻快融实验之后断裂。水泥透水混凝土试件在进行连续25次慢冻慢融实验之后,试件抗压性能和质量损失分别为5.06%和1.82%;对比加入矿渣的透水混凝土水泥试件,在进行连续25次慢冻慢融实验之后,试件抗压性能和质量损失分别为9.3%和1.90%。可见,后者对比前者具有更强抗冻能力。李金[9]分析研究了多种不同改性聚合剂在试剂配比不同时,改性透水混凝土的黏度和力学性能表现。结果表明:使用可再分散乳胶粉之后,抗压强度明显增强,但透水性略有下降;使用羟丙基甲基纤维素之后,透水性明显增强,但抗压能力并未有明显改善。李睿[10]主要分析了添加聚合物外加剂制成的透水混凝土干缩性、耐磨性、黏结性情况,指出了使用聚合物外加剂的透水混凝土,其耐久性远胜于加入硅酸盐的透水混凝土。王玲玲等[11]通过选取不同的水灰比和聚丙烯酸钠(PAAS)掺量进行配合比设计,开展实验,重点对比分析了透水混凝土软化、透水、保水系数等多个指标,并测试研究了抗折性能(28 d)、抗压性能(28 d、7 d)等性能水平。研究表明:粗骨料和水灰比掺入比例相同的情况下,掺入PAAS的比例发生改变,并不会严重影响其透水性。水灰比如果保持不变,掺入PAAS的比例逐步增大,软化系数和抗折(28 d)能力会先增大到一定程度,然后逐步减小,保水率会逐步提高,28 d抗压能力和7 d抗压能力则会逐步减小。罗斐等[12]主要分析探讨了环氧树脂外加剂加入比不同时,透水混凝土试件的透水能力和抗压能力(28 d、7 d)。试验结果表明:适度掺合环氧树脂,将使得试件抗压能力明显增强。掺和比例如果小于最佳标准值,掺量比逐步增大的过程中,试件抗压能力将明显增强;掺量比达到最佳标准值后,试件抗压能力会逐步减弱。加入环氧树脂后,试件韧性增强,在掺量比提高的过程中,抗折能力逐步增强。可见,加入环氧树脂将使得透水混凝土更具韧性,形变适应能力更强,抗冻性能有所改善。掺入环氧树脂占比约为1.0%时,抗压及抗冻能力都将达到最好水平。环氧树脂掺量对无砂透水混凝土平均透水流量的影响趋势与抗压强度相似,基于透水性的最佳掺量略大于基于抗压强度的最佳掺量。施维丽[13]开展正交试验分析了聚合物不同种类、水灰比、掺量、水泥类型、用量等多种要素,并分析了使用外加剂后,透水混凝土透水性、力学性等多种性能的变化。从试验研究发现,聚合物的类型会严重影响抗压强度的变化,因此必须正确选择外加聚合物。同时,聚合物透水混凝土的性能,尤其是强度变化,有别于普通混凝土的变化规律。前期表现出快速增长趋势,7 d之后增速减缓,一般7 d抗压强度即可达到28 d抗压强度的80%~90%。加入聚合物,将使得透水混凝土更能有效透水。同时,加入聚合物类型不同,透水性能的改善效果并不完全相同。且聚合物加量并不是越高越好,而是存在着最佳值。

  2、 减水剂

  减水剂的使用,使得水泥浆体黏性及屈服应力降低。因此,透水混凝土搅拌过程中,表现出了更强流动性;或使用更少的水,就能够保证流动性要求[14]。减水剂会极大影响混合料性能,尤其是高效减水剂。大量使用减水剂,可能导致水泥浆流动性过大,骨料分离,发生沉降作用,在孔底形成封堵现象。

  郭培林等[15]反复试验后指出,水泥中减水剂用量占比达到2%时,透水混凝土混合料很容易离析,浆体发生沉降作用并堵孔,使得混凝土性能下降。相似的,常留军等[16]发现减水剂的用量超过水泥质量的2%后,其减水效果就不再明显。朱仁良等[17]对现有商品混凝土大量应用的萘系和聚羧酸两种高效剂进行实验分析,探究两种减水剂混入透水混凝土之后,对其抗压能力及工作性能造成的影响。实验发现:后一种减水剂的主要作用是减缓坍落损失,2 h后,透水混凝土依旧存在一定流动性;而加入前一种减水剂的混凝土,在1.5 h时就已经丧失了流动性。强度试验表明,后一种减水剂更能提升混凝土强度。同时,水泥占比增大,二者差异也随之增大,但都在7 d时就达到了28 d时的强度水平。分析上述实验结果,产生的主因是后者具有更强的分散性,因此用于混凝土泥浆后,浆体内部将形成更加均匀的微结构,强度表现更加优越。王琪等[18]研究指出,应用减水剂不仅能够使得废砖粉掺量提高,同时还能够在确保抗压强度标准的前提下,改善透水性。掺入更多减水剂,水灰比可适度降低。水灰比不变的情况下,适度应用减水剂,将使得混凝土抗压能力增强,但孔隙率会有所下降。分析原因,在于使用减水剂使得水泥浆更具流动性,在骨料外表包裹更充分,颗粒接触更密切,从而产生胶结现象。董建忠等[19]基于《透水水泥混凝土路面技术规程》规定标准,开展试验后指出,外加剂掺量合理的情况下,高效聚羧酸系减水剂对和易性和抗压性能的改善更加显着。光鉴淼等[20]对拌和透水混凝土过程中,加入混凝土粉中减水剂的比例(0.3%、0.6%、0.9%)进行调整,分析坍落度变化。结果表明:减水剂的使用,使得坍落度初值减小,但损失更大;减水剂,特别是高效减水剂的使用,会显着改变透水混凝土拌合物的坍落度;但使用减水剂过多,将导致骨料和浆体分离,底部出现堵孔现象。蒋禹等[21]开展对比实验,分析了萘系和聚羧酸两类减水剂的使用,对透水混凝土扩展度和坍落度初始值造成的影响,并对比分析了透水率、抗压强度(不同龄期)和凝结时间等指标,指出对比萘系减水剂,聚羧酸系减水剂更能显着改善凝结时间、透水率、黏结力和抗压强度等多个指标。蒋正武等[22]对透水混凝土进行多项力学对比分析试验,研究指出:水灰比、减水剂掺量与力学性能之间的关系中,水灰比并不能决定力学性能;当水灰比降低,但使用了一定量的减水剂时,抗压强度明显提高,其透水系数也有一定程度的提高。

  3、 引气剂

  透水混凝土一般都不具备较强抗冻融能力,主因是其内在结构不仅有大量的连通孔隙,还有许多半连通孔存在。水份在内部结构发生冻胀,会直接挤压作用于混凝土内部结构。水分多次冻融、反复作用,将使水泥浆体发生剥离,破坏骨料结构关系。拌制透水混凝土时,适度使用引气剂,使水泥浆在骨料外表形成的包覆层内也出现微小、均匀气泡,改善其和易性及硬化后的抗冻能力和耐久性能。

  刘星雨[23]对透水混凝土进行冻融试验后指出,使用引气剂后产生的微气泡将使混凝土具有更强的抗冻能力。含气量作为关键因素直接影响抗冻性。因而拌和透水混凝土时,使用引气剂能够改善其抗冻性。加入的引气剂占比只有0.03%时,导入气泡不足,抗冻性改善较小;加入引气剂的比例逐步提高,抗冻性能改善幅度也随之逐步提高。预测认为,超过0.09%后仍会进一步改善,但0.06%掺量比能够促使整体性能达到最佳。马悦茵[24]也进行了同类试验,对比分析后指出:使用引气剂的确有利于透水混凝土耐久性和抗冻性能的改善。冻融实验超过200次时,引气剂研究表现出了改善抗冻性的良好效果。同时,研究还给出了条件和循环冻融实验次数不同时的抗压强度变化方程,方程拟合效果良好。郭培林[15]研究指出,尽管在搅拌制备透水混凝土的过程中,使用引气剂能够有效增强其抗冻耐久性,但使用引气剂也会降低其耐腐蚀以及耐磨性能。

  4 、结语

  本文主要探讨了透水混凝土中常用的聚合物、减水剂、引气剂等外加剂,分析了各类外加剂与其性能之间的关系影响,总结了外加剂使用的几点规律:

  (1)制备透水混凝土时,所用聚合物种类会极大影响其性能。对聚合物所用类型进行合理的选择,有利于改善透水性和抗压能力。并且,使用聚合物能够改善其抗冻性能。

  (2)制备透水混凝土时,适当使用减水剂,能改善其透水系数和抗压能力。但用量(下转第114页)过大,会导致骨料和浆体分离,底部堵孔。选择聚羧酸类产品,更能改善其性能。

  (3)对于透水混凝土而言,含气量在很大程度上决定其抗冻性。适度使用引气剂,能改善其抗冻性能。

  另外,本文也存在一定的局限性,较为侧重分析某一种外加剂的影响效果,未考虑多种外加剂的协同影响。此外,能影响透水混凝土性能的外加剂还有很多,如缓凝剂,防冻剂等,也需要综合考虑特定环境因素下,这些外加剂的作用。

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