作者：John T. Kevern，堪萨斯城密苏里大学堪萨斯城分校土木工程副教授，莫
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你：我是约翰·科本，密苏里大学堪萨斯城分校的土木工程副教授。首先，这里是关于硅灰在透水混凝土中的优化效果的研究，托尼·科朱迪克是研究合著者。这项研究源于透水混凝土在各地的使用，有些国家部分开始在透水混凝土中使用硅灰，尽管还没有对其益处进行实质性测试。因此，他们来找我们，希望我们能组织一项研究，看看剂量比例的效果。我在这里展示的是，我们为密尔沃基市制作了一系列预制透水混凝土人行道板块，这是一个含有硅灰的6英寸空心预制透水混凝土板块。这是我们非常技术性的装载测试，只要底基良好，性能就相当不错。
动机：有证据表明，硅灰在透水混凝土中有益，不仅提高了可操作性，还提高了耐久性。在实地评估透水混凝土的冻融耐久性时，如果出现冻融损伤，通常是因为一开始建造得不正确，所以很难判断是鸡生蛋还是蛋生鸡，是冻融问题还是建造质量差。透水混凝土的现场耐久性特别与表面磨损有关，他们认为表面更坚固，取出核心样本进行了LA磨损试验，结果表明它比替代品更好。因此，我们研究的重点是，硅灰是否影响可操作性和耐久性。这项研究实际上分为三个阶段，如果你想优化水泥浆料，特别是我们知道在较高剂量下会变得非常粘稠的那种，在透水混凝土中，如果任何人都放置过透水混凝土，我们知道当它变得粘稠时，你就会遇到麻烦，因为你无法获得足够的压实，它往往会干燥，工人无法足够快地放置它，你就会遇到麻烦。所以我们说好吧，这里发生了什么，第一阶段是对仅水泥浆料进行一些流变学测试，第二阶段是，如果我们要放置这些，假设我们有独立的空隙样本，我们将控制压实方法，就像我们在现场做的那样，我们将让空隙含量根据可操作性的影响而浮动，然后第三阶段是比较这些影响，让我们控制空隙，看看响应是什么。这是一张含有硅灰的透水混凝土的照片，它被锯切了，所以如果你有一个非常好的密实表面，你会得到一个锯切的透水混凝土。
如果您有一个边缘表面可能容易破碎，那么在锯切时您会倾向于拔出许多颗粒。这只是一个例子，显示我们确实有一个非常好的样本，它是一个非常硬的浆料，可以被锯切。
第一阶段 - 流变学：流变学是研究流体行为的学科，特别是我们要考虑的是围绕我们透水混凝土颗粒的浆料。基本上，透水混凝土由一块骨料和一些浆料组成，这些浆料只是为了满足骨料表面积而存在，然后您会有一些额外的浆料，即毛细浆料，帮助将这些东西粘合在一起。如果您有太多的毛细浆料，那么您就有了普通混凝土；如果毛细浆料不足，您就没有足够的粘合力来抵抗任何力量，您只有在现场的水泥涂层骨料。我们当然不希望这样。关键是，如果我们的浆料过于流动，那么我们就无法充分包围那个骨料或填补那些空隙，形成一个凹面。如果它太流动，那么它就会流到底部，这不好，可能会堵塞我们的基底，但实际上我们在顶部没有强度，我们就会遇到麻烦。
所以我们看这个，我们说好吧，我们如何表征这种行为，我们使用同心圆柱流变仪，这是标准的流变仪，用于番茄酱。基本上，如果您拿一支铅笔插入水中，您会发现它几乎没有阻力，但如果您将铅笔插入糖蜜中，您会感觉到旋转它需要多少能量。这就是同心圆柱流变仪的基本工作原理。因此，我们得到了两个属性：屈服应力和粘度。屈服应力是启动该流体所需的能量，粘度是保持其移动的阻力。因此，透水混凝土的屈服应力将控制您可以在那个骨料周围得到多少浆料；很高的屈服应力意味着我可以在那个骨料周围保持一定厚度的浆料。粘度将控制工作性，即控制毛细浆料，或者当我推动它时，它有多容易在地面上移动。它们是半相关的，所以您可能不会有一个非常低的屈服应力和一个非常高的粘度，但我们可以添加像粘度调节剂这样的东西，它们可以调整一个属性比另一个更多。
第一阶段 - 结果：当我们旋转这个装置时，我们得到了一些单位。我们在这里看到的粘度是底部的图表，我们的屈服应力是顶部的图表。这只是一个标准的透水混凝土浆料，我们看到的是0.4的水泥比，一些引气剂，一些减水剂，一些水合稳定剂。我们知道透水混凝土会随着时间变硬，因为它是一个低水泥比，我们倾向于有短暂的操作时间。
我们讨论了混合性能的基本情况。首先，我们将混合物混合并进行初步测试，随着分散剂在浆料中的分散，粘度开始下降，然后随着时间的推移，混合物会逐渐变硬。我们发现，如果持续混合，我们的浆料大约有75分钟的保持时间。因此，我们至少知道我们的透水混凝土浆料没有问题。接下来，我们将研究剂量比率的影响。我们决定混合10分钟，因为10分钟可以使我们达到最低水平。我们观察到，随着剂量比率的增加，屈服应力也增加，直到超过大约5.5%，然后又开始下降。当剂量超过5%时，我们基本上达到了颗粒填充的最大化，然后由于系统中有太多非常小的颗粒，屈服应力又开始下降。在这项研究中，我们使用了未密实的硅灰，因为密实的硅灰很难与浆料混合。我们注意到，随着剂量比率的增加，粘度也增加，但在5.5%左右，混合物开始变得非常粘稠。因此，我们从经验上得知，大约5%是透水混凝土的理想剂量，至少对于常规剂量比率而言。接下来，我们将使用圆形河卵石，关注空隙含量的变化，我们将使用固定的压实能量和标准的透水混凝土混合设计，其中包括一些沙子、水合稳定剂、减水剂和引气剂。这些是三个样本的平均值，是根据ASTM C1754标准测量的透水混凝土空隙含量。我们发现，在5%的硅灰剂量比率下，空隙确实减少了，因为我们有了更好的可操作性。在10%以上的高剂量下，混合物变得粘稠，空气空隙含量相应增加。我们还将研究剂量对强度的影响，对于这些样本，我们保持了相似的抗压强度，所以在7天时为2400 psi，在28天时为3000-4000 psi。这些都是硫磺封顶的样本。在5%的剂量下，我们没有看到抗压强度的增加或减少，但我们确实看到了劈裂抗拉强度的增加，这可能表明我们有了更好的粘结。在10%以上的剂量下，由于空隙增加，我们的强度也随之下降。我们还将研究剂量对冻融耐久性的影响，同样的样本进行了冻融耐久性测试。这是为了达到中等性能而设计的，我们的控制样本使用质量损失为基础，因为它更密实，性能更好。
在这段文字中，我们讨论了透水混凝土的第三阶段研究，即固定空隙含量。研究表明，大多数透水混凝土研究会制作一系列圆柱体，然后由不同的研究生以不同的方式进行处理，这导致数据与透水混凝土无关，质量不佳。为了直接观察效果，我们固定了空隙含量，这意味着每个圆柱体和梁的新鲜材料都被称量，然后使用液压机进行压实，无需人工接触。这样，我们得到了具有相同重量的紧密压实的圆柱体，从而使变异性极低。
在这部分研究中，我们观察了石灰石和河卵石，并进行了空隙测试。我们希望空隙含量为20%，这在测试的精度范围内。实际上，所有样本的空隙含量在统计上都是完全相同的。
剂量比率的影响：我们观察了洗涤和未洗涤的石灰石，这是堪萨斯城常用的普通石灰石。我们使用了较低的剂量，因为我们知道10%、15%、20%的剂量对我们没有好处。对于我们洗涤过的石灰石，我们确实看到了强度的增加，直到5%的剂量，然后在7%时强度下降。对于我们未洗涤的石灰石，3%到5%的剂量是相似的。有趣的是，我们一直认为透水混凝土需要洗涤河卵石，而石灰石可能不需要洗涤，因为石灰石细粒会融入浆料中。然而，在这里我们看到了洗涤和未洗涤的河卵石之间的显著差异。对于河卵石，洗涤和未洗涤之间没有太大差异，直到5%的剂量，然后我们实际上在未洗涤的河卵石中看到了显著的强度增加。河卵石上的材料和硅灰有助于提高粘结力。
磨损（ASTM C944）：左侧是ASTM C944，即对表面进行旋转磨削。我们没有看到任何显著变化。在未洗涤的石灰石中，我们看到了0%到3%之间磨损的减少，而在研究中的其他所有样本中，我们没有看到表面磨损方面的差异。对于河卵石样本，我们也没有看到任何差异。这些都是在ASTM C944测试中的透水混凝土的非常低的值，因此我们可能可以说，如果我们想看到差异，也许我们应该将其混合一个小时或更长时间。
在这段文字中，我们讨论了透水混凝土的耐磨性和冻融耐久性的研究结果。对于ASTM C1747耐磨性测试，我们制作了4英寸x4英寸的圆柱体，并在没有球的磨损机中进行了500次旋转，然后测量质量损失，以此来评估混合物的耐久性。我们发现，对于石灰石样本，无论是否添加硅灰，其耐磨性没有差异。然而，对于河卵石样本，添加硅灰后，质量损失显著减少。
在界面过渡区（ITZ）的观察中，我们发现控制样本中的河卵石在强度测试中容易从浆料中脱落，而5%硅灰样本的大部分是通过骨料断裂的，这表明我们可能在浆料和骨料的粘结上有所改进。
在冻融测试中，我们发现某些石灰石和河卵石样本的耐久性并不特别好。如果没有那些骨料，硅灰的添加并没有显著差异，整体性能较差。
研究总结：
流变学结果表明，在5%左右的剂量比率时，我们观察到了一些现象，这与我们在实地观察到的情况相符。
在空隙含量高于25%的情况下，我们没有看到太大的差异，因为混凝土的强度不足以有良好的精度。
当我们固定空隙比率时，5%的剂量比率提供了更好的可操作性，从而导致了更好的强度。
在3%到5%的剂量比率范围内，我们观察到了最佳的改进效果，我们确实在强度上获得了提高，对于河卵石样本，我们还观察到了耐磨性的改善，但对于石灰石样本，我们没有看到明显的差异。
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