外摻材料對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、樹脂類聚合物改性劑、增強(qiáng)增韌材料對透水混凝土性能的影響，并對其研究方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：透水混凝土；外摻材料；傳統(tǒng)外加劑；樹脂類聚合物；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。

相對于普通混凝土來說，透水混凝土一般不含砂，主要是通過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透過的水流入地下，實(shí)現(xiàn)對水的二次利用，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、停車場等。鑒于不同使用場景、性能需求以及對經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益的考慮，在透水混凝土的制備過程中，往往需要添加不同的外摻材料?；诖?，本文敘述了國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于外摻材料對透水混凝土性能影響的研究，并對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，還具備改善地面和地下動植物、微生物生長的條件，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較大，長時間使用容易出現(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

對于透水混凝土的孔隙堵塞現(xiàn)象，目前暫時沒有較好的方法進(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。孔隙率較大是導(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、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)層表面會形成一種特殊的憎水膜，對水有排斥作用，可以使孔道內(nèi)的水更加順暢地通過，透水系數(shù)可以達(dá)到4.11 mm/s；同時，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透水混凝土的性能沒有負(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拌和物的黏結(jié)力有較大影響，同時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解決水下成型時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

相對于單摻化學(xué)外加劑來說，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節(jié)約成本，且其在實(shí)際工程應(yīng)用中的性價比較高。

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，且對早期強(qiáng)度的提升較為有效，摻量為5%~6%時性能最佳。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，且對透水系數(shù)幾乎無影響。復(fù)摻硅灰和增塑劑時，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，同時還能提升和優(yōu)化透水混凝土的性能，符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。

3.3   樹脂類聚合物改性劑

樹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，樹脂類聚合物改性透水混凝土受到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

      萬諱、蔣友新、李珍淑等利用環(huán)氧樹脂制備透水混凝土，研究表明，環(huán)氧樹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，樹脂類聚合物透水混凝土已在國內(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^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，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，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%；玻璃纖維對抗拉強(qiáng)度的提升效果最好，為31%；聚苯硫醚纖維對抗彎強(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，出于對進(jìn)一步優(yōu)化透水混凝土性能的考慮，近年來，樹脂類聚合物以及增強(qiáng)增韌材料改性透水混凝土受到了關(guān)注。

      （2）樹脂類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，應(yīng)發(fā)掘更多的材料種類，在提供優(yōu)良性能的同時，創(chuàng)造更大的環(huán)境效益和社會效益。