摘要：高透水性是透水性混凝土的重要特征，現(xiàn)有的透水性混凝土滲透系數(shù)測(cè)試裝置存在試件側(cè)壁滲漏問題，為此提出了一種試件側(cè)面防水涂抹+柔性夾層+套筒剛性壁的防側(cè)漏復(fù)合結(jié)構(gòu)，提高了滲透系數(shù)測(cè)試精度。透水性混凝土的透水性和強(qiáng)度是一對(duì)矛盾體，此消彼長(zhǎng)，但目前對(duì)它們之間關(guān)系缺乏系統(tǒng)的研究。通過室內(nèi)滲透性和強(qiáng)度試驗(yàn)研究了多種因素（如：水灰比、集灰比、孔隙率）對(duì)透水性混凝土的強(qiáng)度和透水性的影響，建立了強(qiáng)度孔隙率模型、滲透性孔隙率模型和強(qiáng)度滲透性模型。研究結(jié)果表明：透水性混凝土與普通混凝土不同，存在一個(gè)最佳水灰比，最佳水灰比對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度最大；強(qiáng)度和水灰比成開口向下的二次拋物線關(guān)系，而孔隙率和集灰比均與滲透系數(shù)成正相關(guān)關(guān)系；透水性混凝土強(qiáng)度和滲透性關(guān)系服從Lorentzian函數(shù)，強(qiáng)度隨滲透性的增大而逐漸降低，降低速度先快后慢。在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)具體要求，確定最佳的強(qiáng)度和滲透性組合。

關(guān)鍵詞：透水性混凝土；滲透系數(shù)；強(qiáng)度滲透性模型

中圖分類號(hào)：TB302

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-4764（2013）04-0114-07

透水性混凝土是由特定級(jí)配的集料、水泥、外加劑和水等按特定比例，不含或含極少量的細(xì)集料，經(jīng)特殊成型工藝制成的，集料骨架間含有大量貫通性孔隙的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的混凝土。一般透水性混凝土的孔隙率在15%～25%之間，多為直徑超過1 mm的大孔，滲透系數(shù)為2～6 mm/s，最高可達(dá)10 mm/s^[1-2]。由于透水性強(qiáng)，透水性混凝土被廣泛用于道路、建筑、水利等領(lǐng)域排水結(jié)構(gòu)。在透水性混凝土的配合比設(shè)計(jì)、施工方法及力學(xué)性能等方面已有較多研究。Meininger^[3]與Paine^[4]分別通過室內(nèi)模型試驗(yàn)開展了透水性混凝土用于排水路面材料的研究，其中包括最佳孔隙率、水灰比、路面壓實(shí)與養(yǎng)護(hù)方法以及基層要求、施工方法等。楊靜等^[5]通過室內(nèi)路面模型試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，添加硅粉及增塑劑可有效提高透水性混凝土的強(qiáng)度，并且能保證它的滲透性、耐磨性及耐凍融性滿足工程要求。蔣正武等^[6]研究發(fā)現(xiàn)，級(jí)配、集料粒徑與集灰比是影響透水性混凝土滲透系數(shù)與強(qiáng)度的關(guān)鍵參數(shù)。Kevern等^[7-8]在愛荷華州立大學(xué)對(duì)透水性混凝土配比設(shè)計(jì)、養(yǎng)護(hù)方法、質(zhì)量控制等做了較系統(tǒng)研究，在密蘇里大學(xué)堪薩斯分校通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)透水性混凝土路面的耐久性進(jìn)行了探討^[9]，指出透水性混凝土中空隙系統(tǒng)對(duì)其透水性、強(qiáng)度及長(zhǎng)期耐久性等有很重要的影響 [10]。曾偉等^[11]研究發(fā)現(xiàn)透水性混凝土的尺寸效應(yīng)對(duì)強(qiáng)度影響較大。楊健榮^[12]對(duì)再生骨料透水性混凝土的應(yīng)用性能進(jìn)行了研究。郭鵬^[13]對(duì)鋼渣透水性混凝土進(jìn)行了應(yīng)用研究。王金晶等^[14]通過試驗(yàn)研究表明，在透水性混凝土中摻加聚丙烯纖維，可減少混凝土的干縮，抑制混凝土的開裂，并對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度有所改善，聚丙烯纖維的摻入對(duì)混凝土的透水系數(shù)影響不大，滿足透水要求。目前針對(duì)透水性混凝土結(jié)構(gòu)性能的研究也較多，如Vancura等^[15]對(duì)現(xiàn)有透水性混凝土路面的剛度與疲勞性能進(jìn)行了探討；Goede等^[16]對(duì)已經(jīng)運(yùn)營(yíng)20 a的2條透水性混凝土路面車載引起的應(yīng)力進(jìn)行了研究。

崔新壯，等：透水性混凝土強(qiáng)度-滲透性模型試驗(yàn)研究

雖然人們已對(duì)透水性混凝土滲透性和強(qiáng)度等性能指標(biāo)進(jìn)行了大量研究，但實(shí)踐證明，透水性混凝土的滲透性與強(qiáng)度是一對(duì)矛盾體，此消彼長(zhǎng)，如何尋求合適的平衡點(diǎn)，是設(shè)計(jì)者關(guān)心的問題。因此研究強(qiáng)度與滲透性關(guān)系，建立強(qiáng)度-滲透性模型對(duì)于工程應(yīng)用具有重要意義，而目前缺乏對(duì)此類模型的深入研究。另外，現(xiàn)有的透水性混凝土滲透性試驗(yàn)裝置和方法均未充分考慮試件側(cè)面開放通道帶來的側(cè)壁滲漏影響，導(dǎo)致滲透系數(shù)測(cè)試精度不夠。鑒于此，本文將根據(jù)透水性混凝土的自身特點(diǎn)，研制一種新的滲透性試驗(yàn)裝置，提出滲透系數(shù)精確測(cè)試方法，并通過滲透性和強(qiáng)度試驗(yàn)，建立透水性混凝土強(qiáng)度-滲透性等關(guān)系模型。

1透水性混凝土滲透試驗(yàn)裝置研制

現(xiàn)有的一些混凝土滲透系數(shù)測(cè)試裝置只適用于滲透性較低（流速小于0.01 mm/s）的普通混凝土。雖然針對(duì)孔隙率較大、滲透性較強(qiáng)（流速大于1 mm/s）的透水性混凝土也有人設(shè)計(jì)了一些測(cè)試裝置，但存在一些缺陷，測(cè)試精度不夠。目前透水性混凝土滲透系數(shù)測(cè)試裝置的最大缺陷是沒有充分考慮試件側(cè)壁的滲漏問題。這是因?yàn)橥杆曰炷猎嚰砻娣植贾罅块_口孔隙，這些孔隙直接與側(cè)壁貫通形成開放通道，開放通道的阻力小，水很容易從開放通道流出（如圖1（a）所示），從而改變滲流路徑，使得所測(cè)滲透系數(shù)明顯偏大。楊志峰^[17]曾試圖將試件端部與套筒內(nèi)壁接觸處密封，這樣雖然在一定程度上減小了側(cè)漏，但試件側(cè)面主體開放通道仍然存在，進(jìn)入試件內(nèi)部的水依然容易取道這些開放通道，從試件流出（如圖1（b）所示），導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果仍然偏大。本文研制了一種適用于精確測(cè)試透水性混凝土滲透系數(shù)的裝置（專利號(hào)：ZL201120452399.9），其優(yōu)點(diǎn)是可以防止側(cè)壁滲漏，操作簡(jiǎn)便，價(jià)格低廉，測(cè)試精度高。

該滲透儀主體結(jié)構(gòu)（如圖2所示）包括：儲(chǔ)水套筒、進(jìn)水軟管、進(jìn)水口、有機(jī)玻璃套筒、橡膠墊層、圓柱形試件、出水口、燒杯。其中有機(jī)玻璃套筒分為3節(jié)，用法蘭螺栓連接；上下2節(jié)分別設(shè)置進(jìn)水口和出水口；中間1節(jié)套筒的設(shè)計(jì)對(duì)防止側(cè)壁滲漏至關(guān)重要，它由左右2個(gè)半套筒組成。為防止透水性混凝土試件側(cè)漏，采用了試件側(cè)面防水涂抹+柔性夾層+套筒剛性壁的復(fù)合結(jié)構(gòu)，即：試驗(yàn)前用黃油或凡士林涂抹試件側(cè)面，以封堵試件開口空隙；套筒內(nèi)敷橡膠柔性墊層，這樣試件與套筒間就由剛性連接變?yōu)槿嵝赃B接，進(jìn)一步防止側(cè)壁滲漏，使水的滲流路徑達(dá)到圖1（c）所示的理想狀態(tài)。

2強(qiáng)度和滲透性試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)材料

水泥為濟(jì)南產(chǎn)山水牌42.5普通硅酸鹽水泥；粗集料是粒徑為5～10 mm的石灰?guī)r碎石，壓碎值為86%，表觀密度為2 665 kg/m3，堆積密度為1 655 kg/m3，孔隙率為38%；外加劑為山東華志混凝土有限公司生產(chǎn)的氨基磺酸鹽系高效減水劑，具有高效減水、超塑化、增強(qiáng)等功能，其用量根據(jù)水泥凈漿流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果選取。

2.2配合比

試驗(yàn)采用體積法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)：采用單粒級(jí)粗集料作為骨架，水泥凈漿薄層包裹在粗骨料顆粒的表面，作為集料顆粒之間的膠結(jié)層，形成骨架-空隙結(jié)構(gòu)的多孔混凝土材料。配合比設(shè)計(jì)需要確定的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)有：集料在緊密堆積下的空隙率V，可通過試驗(yàn)測(cè)定；所拌混凝土的目標(biāo)孔隙率P和水灰比W/C，試驗(yàn)中目標(biāo)孔隙率取10%、15%、20%和25%；水灰比取0.32、0.34、0.36、0.38和0.40。共對(duì)20種配合比進(jìn)行了研究。

2.3試件的制作與養(yǎng)護(hù)

透水性混凝土的拌合采用水泥裹石法：先將集料和15%的水加入攪拌機(jī)預(yù)拌30 s，使集料表面潤(rùn)濕；再加入水泥拌和，以形成包裹集料表面的水泥粉殼；最后將外加劑和剩余的水混合均勻后倒入，攪拌約120 s，待均勻混合后出料裝模。試件有3種尺寸規(guī)格：100 mm×100 mm×100 mm，用于抗壓強(qiáng)度測(cè)試；400 mm×100 mm×100 mm，用于抗折強(qiáng)度測(cè)試；（100 mm×100 mm，用于滲透系數(shù)的測(cè)試。成型方法采用振動(dòng)成型，振動(dòng)時(shí)間為15 s。養(yǎng)護(hù)方法采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。試件成型24 h后拆模，將試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)。

2.4強(qiáng)度試驗(yàn)

參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50081-2002）》^[18]進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。采用液壓萬能壓力機(jī)加壓，加載速度為0.5～0.8 MPa/s，試驗(yàn)中取3個(gè)試件的均值作為測(cè)試值。

2.5滲透性試驗(yàn)

利用自行研制的滲透儀，透水性混凝土滲透系數(shù)的測(cè)試方法如下：

1） 將一定齡期的試件取出，擦干表面并在側(cè)面涂抹黃油或凡士林，然后敷以柔性橡膠墊層；將試件安裝在有機(jī)玻璃套筒的中間段，并將固定螺栓擰緊；最后將套筒3部分連接，并用軟管與儲(chǔ)水套筒連接。

2） 打開水龍頭，從儲(chǔ)水套筒開始緩慢注水，水流自下而上灌滿整個(gè)試件套筒，且儲(chǔ)水套筒和試件套筒均開始溢流；調(diào)節(jié)儲(chǔ)水套筒高度使水位差保持在盡量小的水平，以保證水流處于層流狀態(tài)；靜置數(shù)分鐘，待水流穩(wěn)定且氣泡排凈后開始測(cè)試。

3） 開啟秒表，同時(shí)用燒杯接取一定時(shí)間內(nèi)的滲流水量，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)水的體積流量Q，由v=Q/A（A為試件橫截面積）得水的滲流速度；重復(fù)試驗(yàn)3次，取其平均值；用直尺測(cè)定水頭損失Δh，由i=Δh/l（l為試件長(zhǎng)度）得到相應(yīng)的水力梯度。改變儲(chǔ)水套筒高度，以改變水力梯度，重復(fù)上述步驟（不少于6次）。

滲流速度隨水力梯度的變化曲線如圖3所示。可見，當(dāng)水力梯度較小時(shí)，滲流速度隨水力梯度線性增長(zhǎng)，但當(dāng)水力梯度達(dá)到臨界值時(shí)，增長(zhǎng)速度將逐漸變緩。這一過程反映了透水性混凝土中水的流動(dòng)從層流到紊流的過渡過程。在透水性混凝土工程應(yīng)用中，水的流動(dòng)一般是層流，所以根據(jù)達(dá)西定律，本文取滲流速度水力梯度曲線最初直線段的斜率作為透水性混凝土的滲透系數(shù)。

3.2水灰比對(duì)強(qiáng)度的影響

圖5所示為透水性混凝土強(qiáng)度隨水灰比的變化曲線?？梢?，透水性混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和水灰比之間的關(guān)系與普通水泥混凝土抗壓強(qiáng)度隨水灰比降低而提高的關(guān)系不同，存在著一個(gè)最佳水灰比。在0.32～0.40的水灰比范圍內(nèi)，強(qiáng)度和水灰比成開口向下的二次拋物線關(guān)系。由圖5可見，當(dāng)目標(biāo)孔隙率為20%和25%時(shí)，最佳水灰比基本在0.35～036之間；但當(dāng)目標(biāo)孔隙率為15%時(shí)，抗折強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的最佳水灰大于抗壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的最佳水灰比。

出現(xiàn)最佳水灰比的原因主要是由于當(dāng)水灰比提高時(shí)，集料表面的水泥漿體厚度減薄、強(qiáng)度下降，造成集料間粘結(jié)強(qiáng)度下降而使透水性混凝土強(qiáng)度降低；當(dāng)水灰比過小時(shí)，雖然集料表面的水泥漿體厚度增加、強(qiáng)度提高，但會(huì)造成混凝土成型困難、不夠密實(shí)，從而使透水性混凝土強(qiáng)度降低。

4結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有透水性混凝土滲透系數(shù)測(cè)試裝置存在試件側(cè)壁滲漏問題，提出了一種試件側(cè)面防水涂抹+柔性夾層+套筒剛性壁的防側(cè)漏方法，研制了一種新型透水性混凝土滲透性測(cè)試裝置。并通過滲透性試驗(yàn)和強(qiáng)度試驗(yàn)等，研究了透水性混凝土強(qiáng)度和滲透性等關(guān)鍵指標(biāo)間的關(guān)系，取得了如下主要研究結(jié)論：

1）透水性混凝土與普通混凝土不同，存在一個(gè)最佳水灰比，最佳水灰比對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度最大；強(qiáng)度和水灰比成開口向下的二次拋物線關(guān)系。

2）透水性混凝土孔隙率和集灰比均與滲透系數(shù)成正相關(guān)關(guān)系。集灰比小于5.5時(shí)，水灰比對(duì)滲透系數(shù)的影響不大；集灰比大于5.5時(shí)，水灰比的影響較大。

3）透水性混凝土強(qiáng)度和滲透性關(guān)系服從Lorentzian函數(shù)，強(qiáng)度隨滲透性的提高而降低，但降低的速率逐漸減小。由強(qiáng)度滲透性模型可以看出強(qiáng)度和透水性是一對(duì)矛盾體，在設(shè)計(jì)時(shí)須根據(jù)工程要求和強(qiáng)度滲透性模型確定最優(yōu)配合比。

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（編輯薛婧媛）