于福，張健

（1.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071；2.中交隧道工程局有限公司南京分公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

國家大力倡導建設(shè)海綿城市，透水混凝土將成為非常重要的基礎(chǔ)材料。透水混凝土可以認為是一種特殊的生態(tài)混凝土，通過選用合理級配的粗骨料，沒有或少許細骨料，用膠凝材料將粗骨料膠結(jié)成多孔的、內(nèi)部孔隙相連通的混凝土，具有透氣、透水、輕質(zhì)等特點，但強度偏低。圍繞透水混凝土強度偏低的不足，國內(nèi)外學者開展了大量的研究，例如采用高強度等級水泥作為膠凝材料、添加增強劑、降低水膠比以及調(diào)整骨料級配等，成功制備出28 d抗壓強度超過30 MPa的透水混凝土，并應(yīng)用于實際工程[1-4]。然而，目前用于透水混凝土制備的膠凝材料主要是硅酸鹽水泥，其硬化后呈強堿性，不利于植被的生長。此外，硅酸鹽水泥制備的透水混凝土抗折強度偏低，難以滿足道路工程的荷載性能需求。

磷酸鎂水泥是一種近年來快速發(fā)展的新型膠凝材料，主要通過酸堿中和反應(yīng)產(chǎn)生凝結(jié)硬化并形成強度[5-8]。由于具有超強的粘結(jié)力、早期強度發(fā)展快、良好的體積穩(wěn)定性、優(yōu)異的耐久性和硬化后接近中性環(huán)境等技術(shù)特點，磷酸鎂水泥在道路快速修補工程中得到了很好的應(yīng)用。本文基于磷酸鎂水泥優(yōu)異的粘結(jié)強度和硬化后呈中性環(huán)境，將其作為膠凝材料制備透水混凝土，研究了膠凝材料用量、骨料粒徑、成型方式對透水混凝土強度和透水系數(shù)的影響，并基于大粒徑碎石制備的透水混凝土進行了植生試驗。

1 試驗

1.1 原材料

磷酸鎂水泥：由重燒氧化鎂（MgO）、偏高嶺土（MK）、磷酸二氫氨（NH4H2PO4）、硼砂和分散劑制成，可直接使用，其中重燒氧化鎂和偏高嶺土的主要化學成分見表1，制備的磷酸鎂水泥1 h抗壓強度為50 MPa，28 d抗壓強度為80 MPa。

表1 重燒氧化鎂和偏高嶺土的主要化學成分 %

骨料：選用粒徑為 10～15 mm、5～10 mm 的碎石和 6～10目的石英砂。

1.2 試樣制備

采用一次加料法，先將稱量好的磷酸鎂水泥和骨料加入到攪拌機中，干拌30 s，再加水高速攪拌3 min，將攪拌好的混合物迅速倒入不同試模中，采用震動密實成型。1 h后硬化脫模，置于室溫條件下[溫度（20±5）℃、相對濕度（70±10）%]自然養(yǎng)護至測試齡期。

1.3 性能測試方法

1.3.1 有效孔隙率測試

試樣尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，將自然養(yǎng)護至28 d的試樣在水中浸泡24 h后，在水中測試試樣的質(zhì)量m1，然后將試樣風干24 h，測其質(zhì)量m2，根據(jù)式（1）計算混凝土的有效孔隙率Ρ：

式中：V——試樣的體積，本研究取0.001 m3；

ρw——水的密度，取1000 kg/m3。

1.3.2 強度測試

透水混凝土強度參照GB/T 50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試；抗壓強度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm；抗折強度試件尺寸為100 mm×100 mm×400mm，采用三分點加載；測試齡期分別為3 h、1 d和28 d。

1.3.3 透水系數(shù)測試

測試齡期為28 d，每個試樣進行3次平行試驗。采用“恒定水位高度法”測試透水混凝土的透水系數(shù)，試樣為直徑100 mm、高度20mm的圓柱體，預先將試樣側(cè)面用環(huán)氧樹脂密封，使成型面作為測試表面（見圖1）。透水系數(shù)參照式（2）計算：

式中：K——透水系數(shù)，cm/s；

Q——時間t內(nèi)的滲水量，cm3；

L——試樣的厚度，cm；

A——試樣的上表面積，cm2；

H——水位差，cm；

t——通過的時間，s。

圖1 透水系數(shù)測試裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 MPC用量的影響

采用骨料緊密堆積密度作為單位體積骨料用量進行透水混凝土配制，選取粒徑10～15 mm的碎石，用量為1650 kg/m3；磷酸鎂水泥是一種需水量非常小的膠凝材料，在制備過程中維持水膠比為0.16不變。干粉料加水攪拌后，很快在骨料表面形成一層包漿，由于磷酸鎂水泥的超快硬化特性，這些漿體在震動密實成型過程中并未出現(xiàn)流漿和沉底現(xiàn)象，如圖2所示，試樣中骨料完全被水泥漿體包裹，連通孔隙顯著。試樣成型后30 min左右已完全硬化，1 h可脫模。MPC用量對透水混凝土性能的影響如表2所示。

圖2 試樣破壞斷面

表2 MPC用量對透水混凝土性能的影響

從表2可以看出，磷酸鎂水泥配制透水混凝土具有2個特性：（1）早期強度發(fā)展迅速，3h已經(jīng)有較高的抗壓強度，可以達到10 MPa以上；（2）所配制的透水混凝土具有非常高的抗折強度，對比文獻[9]中采用纖維改性的硅酸鹽水泥配制的透水混凝土，其抗折強度很少有超過5.0 MPa的，而磷酸鎂水泥配制的透水混凝土28 d抗折強度均超過5.0 MPa，最高可達7.3 MPa，可滿足重荷載道路工程的強度要求。從這2個特性看，磷酸鎂水泥非常適合用于配制透水混凝土，尤其是對于早期強度有要求的工程，可大幅度提高施工速度，縮短施工周期。

分析表2中MPC用量對透水混凝土力學性能的影響可以看出：（1）隨著MPC用量的增加，透水混凝土不同齡期的抗壓和抗折強度均明顯提高。但隨著MPC用量的增大，其強度提高幅度不同：MPC用量從300 kg/m3增大到350 kg/m3，28 d抗壓強度從15.2 MPa提高到25.4 MPa，提高了67%；而MPC用量從500 kg/m3增大到 550 kg/m3，28 d抗壓強度從34.0 MPa提高到35.2 MPa，僅提高了3.5%。這表明，對于磷酸鎂水泥配制的透水混凝土，當骨料表面包裹了一層漿體后，再提高膠凝材料用量，其強度提高幅度有限。一般而言，透水混凝土強度主要由骨料之間咬合摩擦力及骨料與水泥漿體之間的粘結(jié)力決定，當膠凝材料用量較少（本研究中低于350 kg/m3）時，水泥漿體不能完全包裹骨料，因此，其強度較低；而當膠凝材料用量足以包裹骨料并在骨料表面形成1層厚度1 mm以上的水泥漿包裹層，由于磷酸鎂水泥超高的粘結(jié)性能，膠凝材料用量繼續(xù)增大，其對強度的貢獻幅度減小，試樣的破壞主要發(fā)生在骨料本身（見圖2）。（2）隨MPC用量的增加，不同齡期強度發(fā)展幅度有顯著不同。圖3給出了MPC用量對試樣早期強度發(fā)展速率（3 h、1 d抗壓強度占28 d抗壓強度的百分比）的影響。從圖3可以看出，隨著MPC用量的增加，其早期強度發(fā)展幅度增大。對于MPC用量為350 kg/m3的試樣，其3 h和1 d抗壓強度分別達到28 d的33.5%和62.9%；而MPC用量為550 kg/m3的試樣，其3 h和1 d抗壓強度分別達到28 d的49.1%和78.1%。這主要是由于磷酸鎂水泥反應(yīng)是酸堿中和放熱反應(yīng)，當MPC用量越大，其反應(yīng)熱越大，越有利于早期水化反應(yīng)和早期強度的發(fā)展。

圖3 MPC用量對透水混凝土早期強度發(fā)展速率的影響

從表2中有效孔隙率和透水系數(shù)可以看出，隨著MPC用量的增加，其有效孔隙率減小，透水系數(shù)降低。即使MPC用量達到550 kg/m3，其透水系數(shù)還能達到3.50 cm/s，具有非常優(yōu)異的透水效果。綜合考慮，對于粒徑為10～15 mm的骨料，配制透水混凝土，其MPC用量選擇380～400 kg/m3比較合適，所制備的透水混凝土強度和透水性能均能較好滿足工程需求。

2.2 骨料粒徑的影響

保持MPC用量為380 kg/m3、骨料用量為1650 kg/m3、水膠比為0.16不變，骨料粒徑對透水混凝土性能的影響見表3。

表3 骨料粒徑對透水混凝土性能的影響

由表3可以看出，骨料粒徑對透水混凝土性能有較大的影響。對于采用5～10 mm、10～15 mm碎石配制的透水混凝土，骨料粒徑越小，其強度越高，這主要是因為骨料粒徑大，骨料顆粒之間的咬合點減少，由此產(chǎn)生的咬合摩擦力及其與水泥漿體的粘結(jié)力減小所致。同時由于骨料粒徑的減小，混凝土內(nèi)部的有效孔隙率也呈現(xiàn)一定的降低，其透水系數(shù)減小。因此，對有一定性能要求的透水混凝土，應(yīng)選擇合適的骨料粒徑。采用6～10目的石英砂配制透水混凝土，與采用5～10 mm碎石的相比，其抗壓強度降低了25%左右，但抗折強度卻提高了9%左右。對于石英砂而言，其顆粒呈球形，顆粒之間缺少足夠的咬合摩擦力，主要是靠膠凝材料的粘結(jié)力。當受到壓荷載時，顆粒之間發(fā)生的是剪切滑移破壞，即使磷酸鎂水泥具有較高的粘結(jié)強度，但在剪切荷載作用下，缺少咬合摩擦力，因此其抗壓強度較低。但受彎荷載時，對于起粘結(jié)作用的膠凝材料則更多體現(xiàn)的是其抗拉強度。由于磷酸鎂水泥超高的粘結(jié)強度，故采用石英砂配制的透水混凝土其抗折強度相對于碎石并未有降低，反而有所提高。

3 植生試驗研究

綠化混凝土也是一種透水混凝土，為了改善其內(nèi)部堿性環(huán)境，通常摻入綠化劑或者采用礦渣等活性混合材降低硅酸鹽水泥的堿性。然而，由于硅酸鹽水泥自身的強堿性，綠化混凝土內(nèi)部長期的堿性環(huán)境致使植被第2年難以正常生長。

考慮到植生對孔隙率的要求并結(jié)合實際工程，選用粒徑為25～31.5 mm的碎石作為粗骨料、磷酸鎂水泥作為膠凝材料配制多孔透水混凝土，配合比（kg/m3）為：m（MPC）∶m（碎石）∶m（水）=350∶1600∶56，制備的多孔透水混凝土性能指標見表 4。

表4 多孔透水混凝土的性能指標

由表4可以看出，制備的多孔透水混凝土28 d抗壓強度達到25.8 MPa，滿足一般綠化混凝土對于強度的要求，其有效孔隙率達到33.6%，更為重要的是其內(nèi)部pH值為7.8，接近中性，滿足植被生長的環(huán)境條件要求。

將上述多孔混凝土澆筑到花盆中，待其硬化后進行植草試驗，設(shè)計了2種方案：（1）將營養(yǎng)土和草種子按配比混合均勻，然后將其填充入多孔混凝土孔隙中，混凝土表面無多余的營養(yǎng)土，如圖4（a）所示；（2）將營養(yǎng)土在水作用下填充入多孔混凝土孔隙中，當填充的營養(yǎng)土距多孔混凝土表層約5 mm時，將草種子與營養(yǎng)土混合均勻，并繼續(xù)填充進多孔混凝土孔隙以及表面覆蓋1層約10 mm，如圖4（b）所示。填充完畢后進行澆水養(yǎng)護。為保證種子的正常發(fā)芽，不定期地進行澆水、施肥。

圖4 小草種植及生長情況

觀察2種不同種植方式的小草在多孔混凝土中的生長情況，1周左右草種均開始發(fā)芽，1周后大量種子開始發(fā)芽，1個月左右植物生長良好，基本覆蓋了多孔混凝土表面。對比2種不同的種植方式，采用表層覆土播種其種子發(fā)芽率高且植被生長較好[見圖 4（d）]；采用第（1）種播種方式，種子也能較好地發(fā)芽和生長[見圖4（c）]，表明混凝土內(nèi)部的酸堿性環(huán)境可適合植被的生長。

4 結(jié)論

（1）采用磷酸鎂水泥作為膠凝材料配制的透水混凝土具有較高的早期強度，3 h抗壓強度可達10 MPa以上。

（2）與硅酸鹽水泥配制的透水混凝土相比，磷酸鎂水泥透水混凝土具有較高抗折強度，其28 d抗折強度超過5.5 MPa，滿足道路工程需求。

（3）采用單粒徑碎石配制透水混凝土，粒徑越小，其抗壓強度越高，而透水系數(shù)越??；采用石英砂配制透水混凝土，其抗壓強度小于碎石配制的透水混凝土，但抗折強度有所提高。

（4）選用粒徑為25～31.5 mm的碎石作為粗骨料、磷酸鎂水泥作為膠凝材料，按 m（MPC）∶m（碎石）∶m（水）=350∶1600∶56制備多孔透水混凝土，其內(nèi)部pH值為7.8，接近中性，滿足植被生長的環(huán)境條件要求。植生試驗表明，采用2種不同的播種方法，種子均能較好地發(fā)芽和生長。