外摻材料對(duì)透水混凝土性能影響的研究進(jìn)展

摘   要：透水混凝土是“海綿城市”理念中的重要一環(huán)，對(duì)于減輕排水系統(tǒng)負(fù)擔(dān)、緩解城市熱島效應(yīng)、吸聲降噪等具有積極作用。外摻材料的不同直接影響透水混凝土的力學(xué)性能、透水性能、抗凍融性能等，基于此，敘述了傳統(tǒng)化學(xué)外加劑、復(fù)摻礦物摻合料和化學(xué)外加劑、樹(shù)脂類(lèi)聚合物改性劑、增強(qiáng)增韌材料對(duì)透水混凝土性能的影響，并對(duì)其研究方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：透水混凝土；外摻材料；傳統(tǒng)外加劑；樹(shù)脂類(lèi)聚合物；增強(qiáng)增韌材料

0   前言

      隨著現(xiàn)代混凝土技術(shù)的不斷提升，高性能、智能型、生態(tài)環(huán)保型混凝土逐漸成為研究熱點(diǎn)。其中，作為生態(tài)環(huán)保型混凝土之一的透水混凝土，因其具有較高的透水性、透氣性，在路面、河岸等工程中得到了廣泛應(yīng)用，甚至在非土木工程領(lǐng)域的水處理工程中也得到了一定的研究與應(yīng)用。

相對(duì)于普通混凝土來(lái)說(shuō)，透水混凝土一般不含砂，主要是通過(guò)水泥漿體與骨料的相互黏結(jié)形成的一種多孔狀混凝土，主要優(yōu)點(diǎn)有：①自身孔隙大、透水性、透氣性高，適合微生物生存與棲息；②透過(guò)的水流入地下，實(shí)現(xiàn)對(duì)水的二次利用，實(shí)用且環(huán)保。缺點(diǎn)是強(qiáng)度低，一般適用于非承重型的工程中，如公園路面、停車(chē)場(chǎng)等。鑒于不同使用場(chǎng)景、性能需求以及對(duì)經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益的考慮，在透水混凝土的制備過(guò)程中，往往需要添加不同的外摻材料?；诖耍疚臄⑹隽藝?guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于外摻材料對(duì)透水混凝土性能影響的研究，并對(duì)今后透水混凝土外摻材料的研究方向進(jìn)行了展望。

1   透水混凝土的作用

1.1   減輕排水系統(tǒng)負(fù)擔(dān)

暴雨后，城市產(chǎn)生內(nèi)澇的現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮，如采用透水混凝土路面，其特殊的孔隙結(jié)構(gòu)使得雨水能夠快速滲入地下，避免內(nèi)澇現(xiàn)象的發(fā)生，從而減輕路面排水系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

1.2   緩解“熱島效應(yīng)”

城市“高溫化”也稱為“熱島效應(yīng)”，鋪設(shè)透水混凝土路面，可利用其多孔構(gòu)造使得墊層土壤中的毛細(xì)水在降雨后通過(guò)自然蒸發(fā)等蒸騰作用達(dá)到降溫效果，有效緩解“熱島效應(yīng)”。

1.3   吸聲降噪作用

交通噪聲污染日益嚴(yán)重，使用達(dá)到路用強(qiáng)度和耐久性要求的透水混凝土，可起到吸聲降噪的作用，減少噪聲污染。主要原理是聲波通過(guò)孔隙傳播到混凝土內(nèi)部，使部分聲能轉(zhuǎn)換為熱能并最終消化。

1.4   改善生態(tài)環(huán)境

透水混凝土在路面、護(hù)坡中得到了大量的應(yīng)用，在兼顧使用要求的同時(shí)，還具備改善地面和地下動(dòng)植物、微生物生長(zhǎng)的條件，從而改善生態(tài)環(huán)境。

2   透水混凝土目前存在的不足

2.1   易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象

由于透水混凝土的孔隙率相對(duì)較大，長(zhǎng)時(shí)間使用容易出現(xiàn)孔隙被堵塞的現(xiàn)象，導(dǎo)致其透水性能下降。

2.2   缺乏維護(hù)措施

對(duì)于透水混凝土的孔隙堵塞現(xiàn)象，目前暫時(shí)沒(méi)有較好的方法進(jìn)行清理；另一方面，缺乏相應(yīng)的日常維護(hù)措施也是導(dǎo)致透水混凝土孔隙堵塞的原因之一。

2.3   力學(xué)性能和耐久性能不佳

由于透水混凝土特殊的結(jié)構(gòu)特征，其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等力學(xué)性能欠佳，且易受到空氣、水等其他物質(zhì)的侵蝕，耐久性也有待提高?？紫堵瘦^大是導(dǎo)致透水混凝土強(qiáng)度欠佳的原因之一。此外，原材料品質(zhì)、配合比設(shè)計(jì)、攪拌及成型工藝、環(huán)境氣候等也是影響透水混凝土強(qiáng)度的主要因素。

3   不同外摻材料對(duì)透水混凝土性能的影響

3.1   傳統(tǒng)化學(xué)外加劑

外加劑作為繼水、水泥、砂、石之后不可或缺的混凝土的第五組分，其重要性不言而喻。因此，研究外加劑對(duì)透水混凝土制備、性能、應(yīng)用等方面的影響意義深遠(yuǎn)。減水劑是最常用的一種化學(xué)外加劑，可以直接減少混凝土用水量，從而提高混凝土強(qiáng)度，一般減水劑與其他化學(xué)外加劑（如增稠劑、引氣劑等）復(fù)摻可以達(dá)到協(xié)同效應(yīng)。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的研究成果都為用于透水混凝土的化學(xué)外加劑摻量和種類(lèi)的選擇提供了理論依據(jù)和新的思路。

杭美艷研究表明，通過(guò)摻加0.3%聚羧酸型減水劑、1.0%早強(qiáng)劑和0.1%增稠劑后，透水混凝土的強(qiáng)度顯著提高，同時(shí)還增加了孔隙率。

      曲廣雷將聚羧酸型減水劑和一種荷葉疏水劑添加到透水混凝土中，發(fā)現(xiàn)包裹骨料的膠結(jié)層表面會(huì)形成一種特殊的憎水膜，對(duì)水有排斥作用，可以使孔道內(nèi)的水更加順暢地通過(guò)，透水系數(shù)可以達(dá)到4.11 mm/s；同時(shí)，還可以提高透水混凝士的強(qiáng)度（抗壓強(qiáng)度28.7 MPa、抗折強(qiáng)度4.47 MPa）。SHU、BONICELLI在透水混凝土中加入了減水劑、增稠劑、引氣劑等組分，發(fā)現(xiàn)增稠劑的摻入提高了混凝土的耐磨性，引氣劑的摻入不僅對(duì)透水混凝土的性能沒(méi)有負(fù)面影響，而且提高了其抗凍融性能。

摻加傳統(tǒng)化學(xué)外加劑的透水混凝土的性能明顯高于普通透水混凝土，減水劑、增稠劑、早強(qiáng)劑都有助于提高透水混凝土的強(qiáng)度和透水系數(shù)。其中，增稠劑的加入不僅對(duì)拌和物的黏結(jié)力有較大影響，同時(shí)還增加了透水混凝土的耐磨性；引氣劑的加入有助于提高透水混凝土的抗凍融性能，此外，水下透水混凝土工程還可以摻入抗分散劑來(lái)解決水下成型時(shí)漿體下沉及離析的現(xiàn)象，主要是利用抗分散劑的雙電層壓縮、電位中和以及高分子鏈的架橋作用產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象，從而提高水泥漿體的抗分散性。

3.2   復(fù)摻礦物摻合料和化學(xué)外加劑

相對(duì)于單摻化學(xué)外加劑來(lái)說(shuō)，在透水混凝土中摻加礦物摻合料的最大優(yōu)點(diǎn)是在提高性能的同時(shí)節(jié)約成本，且其在實(shí)際工程應(yīng)用中的性價(jià)比較高。

3.2.1   復(fù)摻粉煤灰和化學(xué)外加劑

粉煤灰作為火山灰質(zhì)材料之一，與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成難溶于水的水化硅酸鈣凝膠，這樣不僅降低了溶出的可能，還能提升混凝土內(nèi)部的致密性，進(jìn)而提高混凝土的力學(xué)性能和耐侵蝕性能。

      大量研究表明，粉煤灰等量取代水泥可以提高透水混凝土的強(qiáng)度，但是，粉煤灰對(duì)混凝土的早期強(qiáng)度不利。此外，采用粉煤灰還可以提高透水混凝土的抗凍性能。粉煤灰的摻入改變了透水混凝土的內(nèi)部化學(xué)組分，優(yōu)化了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)強(qiáng)度、抗凍性能等產(chǎn)生了有利影響。因此，復(fù)摻粉煤灰和化學(xué)外加劑可進(jìn)步一提高透水混凝土的性能。

3.2.2   復(fù)摻硅灰和化學(xué)外加劑

已有研究表明，硅灰的摻入能明顯改善混凝土拌和物的和易性，尤其是包裹性和黏結(jié)性，且對(duì)早期強(qiáng)度的提升較為有效，摻量為5%~6%時(shí)性能最佳。復(fù)摻減水劑和硅灰，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度可達(dá)25 MPa以上，且對(duì)透水系數(shù)幾乎無(wú)影響。復(fù)摻硅灰和增塑劑時(shí)，透水混凝土也表現(xiàn)出較好的滲透性、耐磨性和凍融耐久性，且比普通透水混凝土具有更好的抗疲勞性能。

      張勇研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)摻2%可再分散乳膠粉（主要成分是乙烯/醋酸乙烯共聚物）和5%硅粉，透水混凝土的28 d強(qiáng)度增加了47.91%。

      吳正光采用0.15 mm硅藻土復(fù)配5%硅灰、0.4%高效減水劑和0.3%葡萄糖酸鈉后，發(fā)現(xiàn)透水混凝土的抗壓強(qiáng)度得到提升，且孔隙率均滿足要求，葡萄糖酸鈉的摻入產(chǎn)生了吸附及絡(luò)合作用，使透水混凝土的結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。

      ZAETANG用再生骨料代替天然骨料，將硅藻土和浮石作為天然輕骨料，且都和增塑劑搭配使用，結(jié)果表明，透水混凝土的強(qiáng)度和耐磨性都得到了提高。

綜上所述，礦物摻合料和化學(xué)外加劑的多組分摻入不僅可以促進(jìn)材料的資源化利用、降低成本，同時(shí)還能提升和優(yōu)化透水混凝土的性能，符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。

3.3   樹(shù)脂類(lèi)聚合物改性劑

樹(shù)脂改性水泥材料具有優(yōu)異的防水性、黏結(jié)性和抗酸堿腐蝕性。近年來(lái)，樹(shù)脂類(lèi)聚合物改性透水混凝土受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

      萬(wàn)諱、蔣友新、李珍淑等利用環(huán)氧樹(shù)脂制備透水混凝土，研究表明，環(huán)氧樹(shù)脂能夠有效提升透水混凝土的力學(xué)性能和抗凍性能。

      孫鉑在混凝土中添加了高強(qiáng)樹(shù)脂黏結(jié)劑，研究表明，透水混凝土的黏結(jié)力得到了提高。

      目前，樹(shù)脂類(lèi)聚合物透水混凝土已在國(guó)內(nèi)諸多公園、小區(qū)路面中得到了應(yīng)用。

3.4   增強(qiáng)增韌材料

3.4.1   橡膠粉

將廢棄輪胎經(jīng)加工后摻入透水混凝土中可以改善透水混凝土的性能。目前，已有較多關(guān)于橡膠改性透水混凝土的研究。

      楊春峰、吳春雷研究發(fā)現(xiàn)，橡膠能夠有效提升透水混凝土的力學(xué)性能。

      GESOGLU研究發(fā)現(xiàn)，橡膠粉可以提高混凝土的耐磨性能和抗凍性，原因在于橡膠粉本身具有良好的韌性，能夠?qū)鋈谶^(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力起到緩沖作用，降低由凍融作用引起的負(fù)面效應(yīng)；同時(shí)，橡膠粉在水泥中可以發(fā)揮一定程度的引氣作用。

      于永霞研究了氯離子對(duì)透水混凝土滲透腐蝕情況的影響，結(jié)果表明，5%~10%的橡膠骨料能有效提升透水混凝土的抗腐蝕性能，原因在于橡膠骨料的摻入提高了混凝土的密實(shí)度。

3.4.2   纖維

王金龍、高潤(rùn)東將聚丙烯仿鋼纖維作為透水混凝土的外摻材料，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻量為3 kg/m3時(shí)，透水混凝土的力學(xué)性能最佳，抗壓和抗折強(qiáng)度分別為 13.7 MPa、2.6 MPa，透水性也滿足工程實(shí)際應(yīng)用的要求。聚丙烯仿鋼纖維的優(yōu)勢(shì)在于它避免了聚丙烯纖維和鋼纖維的缺點(diǎn)，既不易發(fā)生團(tuán)聚，也不會(huì)由于銹蝕而降低水泥漿體的強(qiáng)度。

      朱峰在透水混凝土中摻入聚丙烯腈纖維和塑鋼纖維，結(jié)果表明，透水混凝土的強(qiáng)度提高了30%，抗沖擊性能提高了60%，抗凍性能提高了55%，抗凍等級(jí)達(dá)到了D250，研究結(jié)果為聚丙烯腈纖維和塑鋼纖維在寒冷地區(qū)透水混凝土中的應(yīng)用和推廣創(chuàng)造了條件。

      HESAMI采用0.2%玻璃纖維、0.5%鋼纖維以及0.3%聚苯硫醚纖維改善透水混凝土的力學(xué)性能，研究表明，摻鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度提升率最高，為37%；玻璃纖維對(duì)抗拉強(qiáng)度的提升效果最好，為31%；聚苯硫醚纖維對(duì)抗彎強(qiáng)度的提升效果最好，為69%。

      WU研究了聚丙烯纖維、增稠劑、乙烯-醋酸乙烯酯乳液等對(duì)透水混凝土性能的影響，結(jié)果表明，即使在孔隙率較高的情況下，透水混凝土仍可以獲得更高的強(qiáng)度和更好的凍融耐久性。

綜上所述，增強(qiáng)增韌材料目前使用較多的是橡膠粉和纖維，且取得的效果都較好。但其他類(lèi)型的增韌增強(qiáng)材料目前研究較少，后續(xù)可從建筑廢料入手進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)材料的二次利用，變廢為寶。

4   結(jié)論與展望

（1）傳統(tǒng)混凝土化學(xué)外加劑和礦物摻合料在透水混凝土中的應(yīng)用已比較成熟，出于對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化透水混凝土性能的考慮，近年來(lái)，樹(shù)脂類(lèi)聚合物以及增強(qiáng)增韌材料改性透水混凝土受到了關(guān)注。

      （2）樹(shù)脂類(lèi)聚合物改性透水混凝土具有良好的力學(xué)性能和透水性，這主要得益于聚合物本身良好的黏結(jié)性和韌性等特點(diǎn)。

      （3）增強(qiáng)增韌材料以橡膠粉和纖維為代表，橡膠粉屬于廢料再利用，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益；纖維是提升透水混凝土抗拉強(qiáng)度的重要外摻材料。

      （4）目前，透水混凝土的外摻材料多為多種材料復(fù)合摻入，在實(shí)際工程應(yīng)用中，施工操作較繁瑣，需分別計(jì)算外摻材料的使用量。因此，后續(xù)可以考慮將多種材料復(fù)合形成產(chǎn)品，便于后續(xù)更方便快捷地投入生產(chǎn)使用。

      （5）關(guān)于廢料應(yīng)用于透水混凝土仍需更深入的研究，以進(jìn)一步提高透水混凝土的性能；同時(shí)，應(yīng)發(fā)掘更多的材料種類(lèi)，在提供優(yōu)良性能的同時(shí)，創(chuàng)造更大的環(huán)境效益和社會(huì)效益。