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胶结层对透水混凝土性能影响研究

杨江超¹，方从启^2,1,*，董文燕¹，薛文韬¹

（1.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；

2.上海师范大学 建筑工程学院，上海 200234）

摘要：探究不同配合比参数对透水混凝土性能的影响，定量分析磷酸镁水泥用量变化对其性能的影响。研究结果表明：随着磷酸镁水泥用量的增多，透水混凝土的抗压强度、抗折强度明显上升。在水泥用量为500Kg/m³时，透水混凝土试块的强度均达到了最大值，抗压强度较水泥用量为350Kg/m³提高了11.50%,抗折强度较水泥用量为350Kg/m³提高了61.70%。因此，水泥用量增多后，对于透水混凝土而言胶结层变厚，透水混凝土强度随之升高。

关键词：透水混凝土；胶结层；强度；透水性能

0 引言

混凝土的胶结层是水泥基层与骨料之间的交界面，是混凝土受荷载时最先出现破坏的部位，因此该部位很大程度是制约混凝土整体结构表现的重要因素之

一。而胶结层同时是将骨料聚集在一起形成整体并发挥强度的重要组成部分。

目标孔隙率、单位体积骨料含量、水胶比对透水混凝土强度影响比较大，并

且不同浆体强度的透水混凝土与有效孔隙率之间都有较强的线性关系^[1]。透水混凝土的透水系数与有效孔隙率成二次关系，并且相同的平面孔隙率下等效孔径大小分布越均匀，越有利于形成透水性能好的路面渗水材料^[2]。透水混凝土中的砂子含量可以限制塑性阶段的收缩，透水混凝土对于养护的条件更为敏感^[3]。因此，普通混凝土骨料胶结层极易产生孔隙和裂缝，并且在荷载的作用下该处极易有诱导裂缝的扩展。

透水混凝土的力学和透水性能与其内部结构有关，清华大学研究人员关于透水混凝土内部结构的研究成果表明堆聚法是其产生气孔的方法之一，并假设骨料之间的相互联系是点接触^[4]。透水混凝土是依靠浆体包裹骨料再在胶结层的紧密结合下形成强度，胶结层的厚度以及其包裹骨料的状态是否均匀直接影响到透水混凝土的透水和力学性能。骨料的强度较高而水泥胶结层薄，使得骨料-水泥浆体的界面过渡区强度较弱，受力时该界面最易破坏，故提高透水混凝土的强度可以从提高胶结点黏结强度以及界面过渡区状态两方面考虑^[5-6]。同时低水胶比状态的透水混凝土容易产生水化不均匀或者不完全的现象，这对于形成致密的混凝土胶结层是及其不利的。纯水泥浆体的强度与骨料的强度相近，等粒径颗粒能够减少应力集中，从而导致集料断面破坏现象严重。故骨料之间的嵌挤作用并不是透水混凝土强度来源的主要因素；单纯增加胶结点数量会提高应力集中效应。因此，在相同的集灰比下，减少比表面积，增加水泥浆厚度，在不增加胶结点的前提下增加接触面积能够提高透水混凝土的强度^[7-8]。透水混凝土的强度主要受到了骨料尖角分布产生的应力集中的影响，因此，探明透水混凝土胶结层性质对于透水混凝土透水以及力学性能的影响及其影响作用的机理是至关重要的。

1试验概况

1.1 磷酸镁水泥透水混凝土试验参数介绍

磷酸镁水泥采用过烧镁砂、磷酸二氢铵、粉煤灰、硼砂及三聚磷酸钠进行配制，其中氧化镁与磷酸盐的比值为3，各组的固体成分用量、骨料用量及水的用量见表1。骨料粒径分为两种，一种为粒径为5-10mm，另一种粒径为3-5mm。

1.2试验方案

1.2.1力学性能测试

采用标准立方体试块进行透水混凝土抗压强度测试试验。试验采用的压力试验机，该液压试验机的测量精度为，且能够均匀连续地施加荷载。试样从养护地点取出后，擦干上下承压面，安放在试验机的垫板上。在试验过程中连续均匀施加荷载，加载速度为1 kN/s。

采用的棱柱体试件进行抗折强度试验。支座和施压构件支座均采用尺寸适宜的硬钢圆柱，支座一端采用固定铰支，其余均为滚动铰支。将试件从养护地点取出擦干后进行试验。施加荷载应均匀连续，加载速度为0.2-0.5MPa/s。试件快要破坏时，结束油门，待到试件损坏后，记录最大数值。

1.2.2透水性能测试

采用重量法进行孔隙率测试。在水中浸泡试件约24 h使其饱和，在水中试件的质量W₁，将试件取出，擦干水分，放置在空气中干燥，待质量恒定后，称取试件在空气中的质量W₂，试件体积V。透水性混凝土的开口孔隙率P可按公式1计算:

2试验结果及分析

各组的性能测试数据如表2所示。

2.1力学性能分析

2.1.1 抗压强度

图1、图2分别为5-10 mm、3-5 mm骨料MPC透水混凝土抗压强度随水泥用量的变化曲线图。

从图1中可看出，随着磷酸镁水泥用量的增多，透水混凝土的抗压强度明显上升。在水泥用量为500 Kg/m³时，MPC透水混凝土试块的强度均达到了最大值，较水泥用量为350 Kg/m³最高提高了11.50 %。这是因为水泥用量增多后，骨料被包裹的更充分，因此骨料之间的胶结面积增多，而相应的骨料的直接接触点变少，因此对于透水混凝土而言界面过渡区变厚，一方面可有效降低孔隙及缺陷发生的概率，另一方面这样也减轻了试块受压时由于骨料尖角接触导致的应力集中现象，故透水混凝土抗压强度随之升高。此外，5-10 mm骨料MPC混凝土的1 d抗压强度可达28 d强度的65 %以上，7 d抗压强度可达到28 d强度的90 %以上，其强度的发展很快。

由图2可以看出，随着磷酸镁水泥用量的增多，透水混凝土的抗压强度与图1强度发展趋势相同。在水泥用量为500 Kg/m³时，MPC透水混凝土试块的强度均达到了最大值，较水泥用量为350 Kg/m³最高提高了33.15 %。此外，5-10 mm骨料MPC混凝土的1 d抗压强度可达28 d强度的48 %以上，14 d抗压强度可达到28 d强度的90 %以上。但是随着骨料粒径的变小，此时透水混凝土的强度并没有提高。这主要因为：骨料粒径越小，其紧密堆积密度越大，单位体积内骨料用量也越多，因此相同水泥用量时，骨料的表面积更大，骨料包裹的水泥浆体厚度较小，因此破坏时破坏界面比较平整。对于细小骨料来说，当水泥用量进一步增加时，虽然理论上能够提高其强度，但是其孔隙率及透水系数会变得很小，甚至失去透水的性能。因此，透水混凝土的骨料适宜粒径范围为5-20 mm，且5-10 mm骨料用量：10-20 mm骨料用量宜为3:1。

2.1.2 抗折强度

图3、图4分别为5-10 mm、3-5 mm骨料MPC透水混凝土抗压强度随水泥用量的变化曲线图。

由图3和4可以看出，随着磷酸镁水泥用量的增多，透水混凝土的抗折强度总体上呈现升高的趋势。在水泥用量为500 Kg/m³时，MPC透水混凝土试块的抗折强度均达到了同龄期的最大值，较水泥用量为350 Kg/m³最高提高了61.70 %。此外，5-10 mm骨料MPC混凝土的1 d抗压强度可达28 d强度的50 %以上，7 d抗压强度可达到28 d强度的85 %以上。骨料粒径为5-10 mm的MPC透水混凝土随水泥用量增多的变化没有3-5 mm骨料透水混凝土明显，并且在骨料为3-5 mm，水泥用量为500 Kg/m³时MPC透水混凝土的抗折强度达到了最大值7.6 MPa。这能够满足中型荷载透水混凝土路面的使用要求。

出现这种情况的原因同样是更细的骨料比表面积更大，一方面配合比设计时考虑的紧密堆积密度大，骨料的用量多；另一方面同样用量的骨料，细小骨料的表面积更大，这意味着需要更多的水泥进行包裹。因此，从图6中可以看出，当水泥用量时，透水混凝土的抗折强度不大于5.0 MPa。而随着水泥用量的增多，其抗折强度发生比较明显的变化。

2.2透水性能分析

图6、图7分别为5-10 mm、3-5 mm骨料MPC透水混凝土透水指标随水泥用量的变化曲线图。

随着水泥用量的增多，两组透水混凝土中的固体成分含量增多，而孔隙的占比减少，同样透水系数也下降。5-10mm骨料MPC透水混凝土透水系数从8.23mm/s降低到7.18mm/s，降低了12.76%，3-5mm骨料MPC透水混凝土透水系数从6.67mm/s降低到2.75mm/s，降低了58.07%。5-10mm骨料MPC透水混凝土有效孔隙率从29.16%降低到26.09%，降低了10.53%，3-5mm骨料MPC透水混凝土有效孔隙率从25.13%降低到18.29%，降低了27.22%。

3 结论

本文从研究包裹骨料的浆体胶结层材料用量出发，分析研究该因素对于透水混凝土透水性能以及力学性能的作用机理，得到如下结论

（1）随着磷酸镁水泥用量的增多，透水混凝土的抗压强度、抗折强度明显上升。在水泥用量为500 Kg/m³时，MPC透水混凝土试块的强度均达到了最大值，抗压强度较水泥用量为350 Kg/m³提高了11.50 %。抗折强度较水泥用量为350 Kg/m³提高了61.70 %。这是因为水泥用量增多后，骨料被包裹的更充分，骨料之间的胶结面积增多，而相应的骨料的直接接触点变少，因此对于透水混凝土而言胶结层变厚，这样一方面可有效降低孔隙及缺陷发生的概率，另一方面也减轻了试块受荷时由于骨料尖角接触导致的应力集中现象，故透水混凝土强度随之升高。

（2）随着水泥用量的增多，两组透水混凝土中的固体成分含量增多，而孔隙的占比减少，透水系数也下降。5-10 mm骨料MPC透水混凝土透水系数从8.23 mm/s降低到7.18 mm/s，降低了12.76 %，3-5 mm骨料MPC透水混凝土透水系数从6.67 mm/s降低到2.75 mm/s，降低了58.07 %。3-5 mm骨料MPC透水混凝土有效孔隙率从29.16 %降低到26.09 %，降低了10.53 %，3-5 mm骨料MPC透水混凝土有效孔隙率从25.13 %降低到18.29 %，降低了27.22 %。

（3）随着骨料粒径的减小，透水混凝土的强度并没有得到提高。这主要因为：骨料粒径越小，其紧密堆积密度越大，单位体积内骨料用量也越多，因此相同水泥用量时，骨料的表面积更大，骨料包裹的水泥浆体厚度较小，因此破坏时破坏界面比较平整。对于细小骨料来说，当水泥用量进一步增加时，虽然理论上能够提高其强度，但是其孔隙率及透水系数会变得很小，甚至失去透水的性能。因此，透水混凝土的骨料适宜粒径范围为5-20 mm，且5-10 mm骨料用量：10-20 mm骨料用量宜为3:1。

参考文献

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