《武汉工程大学学报》 2020年01期
54-59
出版日期：2021-01-25
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
不同骨料级配透水混凝土的性能研究及其孔隙识别
随着城市现代化建设逐步完善，许多城市被大量封闭式的基础设施及不透水的混凝土路面所覆盖，导致了城市雨天的排水途径只能通过城市排水系统排除，我国部分城市每年的降水量巨大，而城市排水系统的泄流能力有限，造成雨天城市常有路面积水的问题产生，严重时会造成交通瘫痪［1-3］。透水混凝土是一种具有一定贯通孔隙，能够使水自然透过的多孔生态型混凝土［4-5］。相较于普通混凝土，透水混凝土具有较大的孔隙率，介于15%~25%之间，透水系数在1~15 mm/s之间。透水混凝土材料应用于城市道路建设，具有透水、透气、减少噪音和调节城市温度与湿度等优点，在海绵城市建设中具有重要作用［6-8］。
孟刚等［9］分别采用一次加料法及水泥裹石法进行搅拌，结果表明采用水泥裹石法搅拌有利于改善透水混凝土的透水性。王瑞燕等［10］对比连续级配与单粒径级配指出采用单粒径集料，可以同时保证混凝土的力学性能和透水性能。辛扬帆等［11］通过对不同粒级的骨料制备的单一粒径透水混凝土试验研究指出在粒径为5~10 mm时，粒径对透水混凝土性能影响率最高。张朝辉等［12］对不同水灰比透水混凝土性能的研究表明，水灰比在0.24~0.30时，透水混凝土透水性能良好。刘翠萍等［13］指出在透水混凝土的早期养护条件方面，在水化硬化初期进行保湿养护，能够降低其开裂风险。蒋昌波等［14］用图像处理和图像分析的方法研究了多孔混凝土的内部截面的孔隙分布情况，对孔隙等效直径的影响因素进行了研究。
制备了不同骨料粒径及孔隙率的透水混凝土，研究了骨料粒径、孔隙率与透水混凝土性能的关系，并利用图像处理与分析软件研究孔隙率与骨料粒径对透水混凝土内部的孔径分布及孔径大小的影响，为配制高性能透水混凝土提供理论依据。
1 实验部分
1.1 实验原料
水泥（P·O42.5普通硅酸盐水泥，武汉市华新水泥股份有限公司）；粗骨料：5~10、10~15、15~20 mm的单粒级的碎石骨料；减水剂：格瑞林聚羧酸高性能减水剂，减水剂掺量取胶凝材料质量的1%；洁净自来水。
1.2 配合比设计
实验采用体积堆积理论进行透水混凝土配比设计。针对透水混凝土的多孔结构导致其强度低的缺陷，设计试验水灰比为0.25。以骨料粒径与设计孔隙率为配比设计的直接影响因素，每种因素分为3个不同的值。骨料粒径分别为5~10、10~15、15~20 mm，设计孔隙率分别为15%、20%、25%。试验配比如表1所示。
表1 透水混凝土的试验配比
Tab. 1 Proportion of pervious concrete samples
[编号\&设计孔隙率 / %\&骨料粒径 / mm\&水泥用量 /
（kg / m3）\&碎石用量 /
（kg / m3）\&用水
量 /
（kg / m3）\&减水剂用量 /
（kg / m3）\&A1\&\&5~10\&580\&1 479\&145\&5.80\&B1\&15\&10～15\&594\&1 456\&149\&5.94\&C1\&\&15~20\&622\&1 412\&155\&6.22\&\&\&\&\&\&\&\&A2\&\&5~10\&492\&1 479\&123\&4.92\&B2\&20\&10～15\&506\&1 456\&127\&5.06\&C2\&\&15~20\&534\&1 412\&133\&5.34\&\&\&\&\&\&\&\&A3\&\&5~10\&404\&1 479\&101\&4.04\&B3\&25\&10～15\&418\&1 456\&104\&4.18\&C3\&\&15~20\&445\&1 412\&111\&4.45\&]
1.3 成型与养护
试验采用浆体裹石法及分层插捣分别进行原材料的拌合与成型，将混合料分3次均匀装入试模中，每次装模1/3，利用捣棒插捣30次，装模完成后，利用小锤对试样表面低频锤压15 s，成型后的试样表面具有一定的光泽度且底面无封底现象。试样规格为100 mm×100 mm×100 mm立方体。24 h后脱模，将试样放入标准养护箱里养护，将温度设定为20 ℃，湿度设定为96%。
1.4 测试方法
1.4.1 抗压强度的测定 透水混凝土试样养护至28 d，采用混凝土压力试验机进行实验，记录破坏载荷，依据公式（1）计算抗压强度。
[fcu=FA] （1）
式（1）中[fcu]为试样抗压强度（MPa），F为试样的破坏载荷（N），面积A=104 mm2。
1.4.2 实测孔隙率的测定 孔隙率是影响透水混凝土性能的重要指标，透水混凝土内部孔隙可分为闭孔与开孔，只有开孔才能使水自然透过。本试验采用净水天平测定透水混凝土试样的实测孔隙率，根据公式（2）计算试样的实测孔隙率。
[η=(1-m1-m0ρWV)×100%] （2）
式中[η]为试样的实测孔隙率，[m1]为试样在空气中的质量，[m0]为试样在水中的质量，[ρW]为水的密度，V为试样的体积。
1.4.3 透水系数的测定 透水系数是表征透水混凝土透水性能的重要因素，指单位时间内透过透水混凝土的水位高度。本试验采用固定水头法［15］进行透水系数的测定，测试原理如图1所示，为了减小边壁侧漏效应，将试样侧面包裹一层保鲜膜，并涂抹一定量的凡士林。
依据公式（3）计算透水系数。
[KT=LV/AHt] （3）
式（3）中[KT]为透水混凝土试块在该温度下的透水系数（mm/s）；L为试块的厚度（mm）；V为时间t内的透水量（mL）；H=150 mm；A=104 mm2；t=60 s。
1.4.4 图像处理及孔隙识别 选取样品上下表面的中心位置，分别放置两根钢筋并用胶带固定，采用混凝土压力试验机对其进行加压直至试样断裂，取出样品后，对断裂面进行拍照。利用Image-Pro Plus图像处理软件对照片进行二值化处理，并识别孔径数量与等效直径。
2 结果与讨论
2.1 实测孔隙率与透水混凝土性能相关性
如图2（a）所示，实测孔隙率与设计孔隙率呈现良好的线性关系，实测孔隙率略低于设计孔隙率，这是由于透水混凝土内部存在一定数量的全闭孔隙所造成的。所有透水混凝土试样的实测孔隙率均能达到设计孔隙率的90%以上，这说明全闭孔隙率在10%以下，且随着骨料粒径的增加，实测孔隙率更加接近设计孔隙率，全闭孔减少，这是由于骨料粒径小时骨料之间的接触点多，堆积状态下的孔径较小，水泥包覆骨料表面黏结后，更易形成全闭孔。
如图2（b）所示，实测孔隙率与表观密度呈现良好的线性关系，相关性系数高达0.98，不同骨料粒径的透水混凝土试样的表观密度均在1 850~2 150 kg/m3内，低于普通混凝土的表观密度。由于孔隙率的存在，透水混凝土变得更轻，随着孔隙率的增加，透水混凝土表观密度降低。如图2（c）所示，当实测孔隙率由13.8%增加到24.7%时，28 d抗压强度由24.6 MPa降至16.1 MPa，透水混凝土样品强度等级为C15与C20；如图2（d）所示，当实测孔隙率由13.8%到24.7%时，透水系数由1.08 mm/s增加到4.42 mm/s，所有试样均符合透水混凝土透水系数需大于1 mm/s的要求［15］，实测孔隙率与抗压强度和透水系数呈现良好的幂函数关系。
综上所述，实际配制的透水混凝土的孔隙率能很好地达到设计要求的孔隙率；透水混凝土的表观密度、抗压强度以及透水系数均与其孔隙率关系密切，可见，设计合适的透水混凝土的孔隙率是控制其性能的关键参数。
2.2 设计孔隙率对透水混凝土性能的影响
图3（a）~图3（c）为不同骨料粒径下设计孔隙率对透水混凝土性能的影响。由图3（a）可知，在骨料粒径为5~10 mm时，设计孔隙率由15%增加到20%，透水系数增大了64.8%，28 d抗压强度减小了13.0%；设计孔隙率由20%增加到25%，透水系数增大了117.4%，28 d抗压强度减小了9.8%。由图3（b）可知，在骨料粒径为10~15 mm时，设计孔隙率由15%增加到20%，透水系数增大了70.2%，28 d抗压强度减小了10.0%；设计孔隙率由20%增加到25%，透水系数增大了92.4%，28 d抗压强度减小了11.7%。由图3（c）可知，在骨料粒径为15~20 mm时，设计孔隙率由15%增加到20%，透水系数增大了57.6%，28 d抗压强度减小了14.3%；设计孔隙率由20%增加到25%，透水系数增大了77.5%，28 d抗压强度减小了13.4%。在不同骨料粒径下，透水系数均随设计孔隙率的增大而增大，28 d抗压强度均随设计孔隙率的增大而减小。随着设计孔隙率增大，透水混凝土内部孔隙增多，水泥浆体的用量减少，水泥浆体层厚度降低，受压时应力集中作用明显，实验结果很好地说明了这一点。由设计孔隙率对透水混凝土性能的影响可以发现，设计孔隙率的变化对骨料粒径为5~10 mm的样品透水系数影响最大，这是由于骨料粒径较小时，骨料自然堆积孔隙率小，当设计孔隙率较低时，水泥浆体在拌合的过程中，极易产生浆体团聚现象，导致孔结构分布不均匀，当设计孔隙率增大时，水泥浆体的用量降低，浆体团聚现象减弱，内部孔结构分布相对均匀，性能上表现为透水系数的大幅度增加。
2.3 骨料粒径对透水混凝土性能的影响
图4（a）~图4（c）所示为不同设计孔隙率下骨料粒径对透水混凝土性能的影响。由图4（a）可知，在设计孔隙率为15%时，当骨料粒径由5~10 mm增加到10~15 mm，透水系数增大了14.8%，28 d抗压强度减小了6.9%；当骨料粒径由10~15 mm增加到15~20 mm，透水系数增大了27.4%，28 d抗压强度减小了5.2%；由图4（b）可知，在设计孔隙率为20%时，当骨料粒径由5~10 mm增加到10~15 mm时，透水系数增大了18.5%，28 d抗压强度减小了3.7%；当骨料粒径由10~15 mm增加到15~20 mm，透水系数增大了18.0%，28 d抗压强度减小了9.7%；由图4（c）可知，在设计孔隙率为25%时，当骨料粒径由5~10 mm增加到10~15 mm，透水系数增大了4.9%，28 d抗压强度减小了5.7%；当骨料粒径由10~15 mm增加到15~20 mm，透水系数增大了8.9%，28 d抗压强度减小了11.5%；在不同设计孔隙率下，随着骨料粒径的增大，透水系数均表现为增大，28 d抗压强度均表现为减小。当骨料粒径较小时，透水混凝土内部骨料之间的接触点多，水泥浆体包覆骨料形成孔结构的孔径较小，且孔隙曲折度较大，透水性能降低，但受压时，内部应力由于接触点的分散作用，降低了应力集中作用，使整个体系趋于稳定，抗压强度增加，随着骨料粒径的增大，孔结构的平均孔径增大，孔隙曲折率减小，但受压时应力集中作用明显，与实验结果相吻合。由骨料粒径对透水混凝土性能的变化率可以发现，较小的骨料粒径有利于增加透水混凝土的抗压强度，较大的骨料粒径有利于增加透水混凝土的透水系数，工程建设中，可以根据实际需要选择合适的骨料粒径进行配置透水混凝土。
2.4 孔隙结构二值化识别
透水混凝土内部断面图像二值化的目的是使孔结构与混凝土基体呈现两种辨识度高的颜色，达到分离孔结构的效果，利于分析孔结构的分布，并提高测量的精度。在进行二值化识别之前，首先利用Photoshop软件对图像锐化，进行图像增强处理。利用Image-Pro Plus软件根据图片自动识别阈值，进行图像二值化并识别出孔隙数量与孔隙等效直径。表2为二值图像平面中的孔隙数量，图5为样品A1、A2、A3、B3、C3的孔隙平面二值化图像与其孔径分布直方图。
表2 平面孔隙个数
Tab. 2 Numbers of pores in flat
[样品编号\&孔隙个数 / 个\&A1\&50\&A2\&67\&A3\&75\&B3\&63\&C3\&28\&]
由图5与表2可以发现，样品A1孔隙个数为50，孔隙等效直径集中在2~5 mm，最大孔隙等效直径小于8 mm，占总孔隙数量的60%以上，平面孔隙结构分布相对集中；样品A2孔隙个数为67，孔隙等效直径集中在2~5 mm，最大孔隙等效直径小于8 mm，占总孔隙数量的70%以上，平面孔隙结构分布相对均匀；样品A3孔隙个数为75，孔隙等效直径集中在2~6 mm，占总孔隙数量的80%以上，最大孔隙等效直径小于12 mm，平面孔隙结构分布均匀；样品B3孔隙个数为63，孔隙等效直径集中在3~7 mm，最大孔隙等效直径小于10 mm，占总孔隙数量的60%以上，平面孔隙结构分布均匀；样品C3孔隙个数为28，孔隙等效直径集中在4~10 mm，各粒级的孔均占总孔隙数的10%以上，最大孔隙等效直径小于14 mm，占总孔隙数量的60%以上，平面孔隙结构分布均匀。
对比样品A1~A3可以发现，在骨料粒径均为5~10 mm时，随着设计孔隙率的增加，孔隙个数由50增加至75，孔径等效直径集中区间增大，孔结构分布更加均匀。这是由于设计孔隙率的增加导致水泥浆体填充率降低使内部孔隙数量增加，孔隙结构均匀性增加，水泥浆体层厚度减小，孔隙等效直径增加，进一步使小孔变成大孔，甚至出现样品A3中超过10 mm粒径孔隙的情况，改变了孔隙级配，宏观上表现为透水系数的增加与抗压强度的降低。
对比样品A3~C3可以发现，当设计孔隙率为25%时，随着骨料粒径的变大，孔隙个数由75降低至28，孔径等效直径集中区间增大明显，孔结构分布更均匀，孔隙曲折度下降，正态分布曲线出现由“细短”向“长宽”转变的趋势，并且轴线逐渐右移，这说明骨料粒径对孔隙等效直径的影响十分明显，增大骨料粒径有利于增加孔隙等效直径和孔隙分布均匀性，改变孔隙级配作用明显。这是由于不同骨料粒径的碎石在自然堆积状态下，孔隙结构不同所造成的，当骨料粒径较小时，自然堆积状态下，骨料之间接触点较多，原始孔径偏小导致利用体积填充法配置的透水混凝土内部孔隙等效直径较小，但骨料之间的咬合作用较强。当骨料粒径增大时，自然堆积状态下，骨料之间接触点减少，原始孔径增大导致利用体积填充法配置的透水混凝土内部孔隙等效直径增大，但骨料之间的咬合作用减弱，宏观上表现为透水系数的增加与抗压强度的降低。
3 结 论
1）透水混凝土的实测孔隙率达到设计孔隙率的90%以上，与表观密度呈现良好的线性关系，与透水系数和抗压强度均呈现良好的幂函数关系。
2）利用体积填充理论可以配制强度等级为C15与C20的透水混凝土。
3）设计孔隙率的变化对骨料粒径较小的透水混凝土的透水性能影响较大。
4）较小的骨料粒径有利于增加透水混凝土的28 d抗压强度，较大的骨料粒径有利于增加透水混凝土的透水系数。
5）设计孔隙率与骨料粒径的增大均能使透水混凝土内部的孔隙等效直径增大，降低孔隙曲折度，改变孔隙级配，但骨料粒径的影响作用更为明显，二者的作用机理不同。工程建设中，可以根据实际需要选择合适的骨料粒径与设计孔隙率配制透水混凝土。