基于强度和渗透性的透水混凝土组成结构设计与制备

发布时间：2020-06-09 05:59

【摘要】：随着城镇化进程不断推进,基础设施逐年增加,逐渐改变了城市生态本底和水文特征,削弱了城市地表的渗透能力,导致内涝频发、热岛效应、地表沉降等城市环境问题日益严峻。为此,国家提出了“海绵城市”的构想,以期提升城市抵御内涝等自然灾害的能力,同时实现雨水资源合理利用。由于城市道路面积占城市面积的10～20%,因而实现路面透水铺装可有效地应对城市内涝,同时涵养地下水资源。作为透水铺装的主要材料,透水混凝土力学性能普遍较低,欲提高力学性能又将损失透水性能,很大程度上限制了透水混凝土的广泛应用。现有方法往往需要进行大量试配试验确定透水混凝土的配合比,依据经验预测透水混凝土的力学性能与透水性能,特别是浆体组成及用量的确定缺乏理论依据,难以评估淌浆和堵孔情况,未建立起透水混凝土骨架结构与性能的关系,也就无法基于性能合理设计透水混凝土的组成与配合比。本文研究了浆体流变性能与骨料表面浆体最大包裹层厚度关系,获知浆体包裹层厚度设计范围,进而评估透水混凝土中孔隙堵塞情况;通过建立透水混凝土骨架结构与力学性能和透水性能的关系,依据骨架结构参数(基体强度fc、骨料接触点数目N、接触区宽度W、骨料间浆体厚度T)计算透水混凝土的组成与配合比(浆体组成、骨料粒径、浆体/骨料比例),以期获得力学与透水性能可控的透水混凝土,具体工作包括:为模拟透水混凝土拌合、成型过程中骨料与浆体的作用过程、预测透水混凝土孔隙堵塞情况,提出采用跳桌等装置测试骨料表面浆体包裹层厚度PCT方法,探讨了跳桌跳动次数n、分样筛孔径ds和骨料粒径da对PCT测试结果、透水混凝土底部孔隙堵塞状态的影响。确定了不堵孔情况下,骨料表面浆体最大包裹层厚度MPCT的测试参数:n=2、ds=5.6mm、da为8.0～11.2mm。在该测试条件下,MPCT测试结果误差小、可重复性高(标准偏差小于± 3%)。通过调控水胶比、减水剂掺量以及胶凝材料种类与掺量,获得一系列具有不同流变性能的水泥浆体,研究了浆体流变参数与MPCT的关系。浆体屈服应力与MPCT关系可表达为:MPCT = aln(b·τ);粘度与MPCT之间服从指数关系:MPCT = ced·η;扩展度与MPCT之间关系为:MPCT = f·sm。采用浆体屈服应力或表观粘度预测MPCT时,预测值偏差均小于±5%,采用简单的浆体扩展度测试方法预测MPCT时,预测值的最大偏差小于± 8%,表明上述关系均可较好地调控和预测MPCT。采用图像分析(IA)方法观测透水混凝土切片中接触点数目N、触区宽度W及接触区骨料间浆体厚度T,获取透水混凝土孔隙结构参数(平面孔隙率、等效孔径等),建立了透水混凝土骨架结构与性能的量化关系。透水混凝土平面孔隙率PP与接触区浆体总面积CTPA(N、W、T三者乘积)服从线性关系:PP = P0-αCTPA,等效孔径DP与CTPA及接触点数目N的关系满足:DP = 2((P0-αCTPA)/πγNβ)1/2。骨架结构参数与透水混凝土抗压强度FC的关系可表示为:FC=(φ 'dfc-φ'd)ln(CTPA-C0),与透水系数k15的关系可描述为:k15= 4ω/π((PO-αCTPA)2)/γNβ。提出了基于力学和透水性能的透水混凝土配合比设计方法。根据骨料平均粒径da与N的关系(N = N0(da)θ)、浆体/骨料比例VP/VA与目标浆体包裹层厚度TPT的关系(VP/VA=6TPT/da)、T与TPT线性规律(T = 1.82TPT),首先设定水泥浆体(基体)强度fc、接触区浆体总面积CTPA与接触点数目N,同时兼顾骨料间浆体厚度T与接触区宽度W,并基于目标浆体包裹层厚度TPT调控MPCT(TPT≤MPCT)。依照提出的透水混凝土配合比设计方法,采用粒形较好的辉绿岩骨料可制备出28d抗压强度达37.2MPa、透水系数达14.1mm/s的透水混凝土。此外,透水混凝土的实际强度和透水系数均高于目标值,且强度与预测值最大偏差仅为4.2%,表明本文提出的配合比设计方法能够较为准确地调控透水混凝土力学与透水性能。本文揭示了浆体流变性能与MPCT关系,建立了透水混凝土骨架结构与力学、透水性能的关系,实现透水混凝土性能的可控设计。研究成果为透水混凝土结构表征、性能预测、孔隙堵塞评估提供了分析方法和基础数据,为研发高强、高透水混凝土提供了理论依据,为透水混凝土大规模制备和推广应用提供了技术支撑,将有力推动“海绵城市”建设、城市可持续发展等战略的实施,具有重大的生态、经济和社会效益。
【图文】：

比例,不透水面积,地表径流,雨水径流

随着城市建设的不断发展，城市不透水面积比例逐年升高，导致地表径流不断增大、下渗水比例逐渐减小。当城市中不透水面积超过75%时，约有55%的雨水形成地表径流，而仅有15%的水能够渗入地下（图1-1）[3]。研究表明，当自然水文特征的变化超过30%时，，则会对生态环境造成严重的影响[4]。图1-1 不透水路面比例对地表径流量的影响[3]Fig.1-1 Surface runoff with different proportion of impervious surface[3]近年来，城市基础设施及不透水路面的比例大幅增加，进一步削弱了城市地表的渗透能力。每逢汛期或连续暴雨天气时，城市地表极易产生大量的雨水径流，极大地增加

示意图,海绵,示意图,透水混凝土

第一章绪论3图1-2 中国“海绵城市”示意图[13]Fig. 1-2 Schematic diagram of ‘‘Sponge City” in China[13]1.1.3 透水混凝土的发展历程作为海绵城市潜在的“海绵体”之一，城市道路面积达到城市面积的10~20%[14]。因此，实现路面透水铺装，能够充分发挥路面渗、滞、蓄的作用，有效调控地表径流量。作为透水铺装的关键材料（图1-3），透水混凝土是由粗骨料、少量细骨料、水泥等胶凝材料、水以及外加剂拌制而成，采用振实或压实工艺成型的一种多孔混凝土，具有良好的透气和透水性能，受到了学者和工程领域的广泛关注。图1-3 透水混凝土路面Fig. 1-3 Photo of the pervious concrete pavement据记载，透水混凝土诞生于1852年，当时英国的一项工程因缺少细骨料，因而设计了不含细骨的多孔混凝土。至20世纪70年代
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU528

【参考文献】