楊幼江， 薛維龍， 蔣玉龍， 宋文學(xué)， 吳進(jìn)良

(1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 武漢 430056； 2.包頭市公路工程股份有限公司， 內(nèi)蒙古 包頭 014060； 3.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074)

隨著我國城市內(nèi)澇問題頻發(fā)，城市建設(shè)與治理中引入“海綿城市”[1]理念。國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，大孔隙透水混凝土路面不僅具有吸熱和儲(chǔ)熱能力，也是一種良好的排水材料[2]，有助于解決城市內(nèi)澇問題。近年來，通過對(duì)大孔隙透水水泥混凝土成型工藝及力學(xué)性能等的研究，逐漸形成了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，本文依照規(guī)范要求，對(duì)重慶地區(qū)大孔隙透水水泥混凝土進(jìn)行研究，希望對(duì)今后海綿城市的地區(qū)性建設(shè)提供參考。

1 原材料選擇

1.1 水泥

水泥對(duì)混凝土強(qiáng)度有很大影響，其選擇應(yīng)參照技術(shù)規(guī)范CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》[3]，采用了重慶鄰水地區(qū)的P·O 42.5水泥，其性能滿足GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》[4]中的相關(guān)要求。

1.2 骨料

水泥混凝土中，骨料分為粗骨料與細(xì)骨料。骨料之間相互嵌擠構(gòu)成水泥混凝土的骨架，骨架可以單獨(dú)承受荷載，能夠很好地抑制結(jié)構(gòu)收縮，防止混凝土結(jié)構(gòu)因收縮產(chǎn)生裂縫。良好的顆粒級(jí)配對(duì)混凝土的性能提升比較顯著，能夠有效降低水和水泥用量，還能夠很好地提高混凝土的和易性、保水性等。本文使用重慶市某采石廠提供的5 mm～16 mm石灰?guī)r骨料，其性能滿足規(guī)范GB/T 14685—2011《建設(shè)用碎石卵石》[5]中的相關(guān)要求。

1.3 粉煤灰

粉煤灰作為一種活性礦物摻合料，它具有改善拌和物的和易性、流動(dòng)性、粘聚性與保水性的作用，特別是對(duì)細(xì)集料含量很少的透水水泥混凝土。本文采用重慶某公司出產(chǎn)的F類Ⅱ級(jí)粉煤灰，出廠指標(biāo)均符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》[6]中的要求，具體參數(shù)如表1所示。

表1 粉煤灰廠控指標(biāo) %

1.4 減水劑

減水劑可以降低拌和時(shí)的用水量。經(jīng)過大量嘗試發(fā)現(xiàn)聚羧酸高效減水劑摻量為1%時(shí)能顯著降低混凝土拌和用水量，減水率可達(dá)28%，同時(shí)保有較好的流動(dòng)性與粘聚性。

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1.1 水膠比

水膠比的高低對(duì)拌和物的強(qiáng)度、流動(dòng)性、和易性、耐久性等都有非常顯著的影響。Chindaprasirt[7]發(fā)現(xiàn)水膠比為0.20～0.25的材料加入1%高效減水劑進(jìn)行充分混合后，可以制成15%～25%的孔隙率、抗壓強(qiáng)度較高的透水性混凝土。CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》[3]中推薦水膠比范圍為0.25～0.35，結(jié)合張朝輝等[8]的研究，當(dāng)試件的水膠比為0.23～0.35時(shí)，隨著水灰比的增加，透水混凝土的透水系數(shù)和強(qiáng)度都呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，本文初試水膠比取為0.30。

2.1.2 原材料密度

透水水泥混凝土一般采用體積法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，本文使用材料的密度如表2所示。

表2 所用原材料密度 kg/m3

2.1.3 目標(biāo)孔隙率

混凝土試件只有在存在孔隙的條件下才能透水。孔隙率越高，該試件的透水能力就越高，但孔隙率的存在會(huì)直接影響混凝土強(qiáng)度，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)與研究成果，本文選擇16%、20%、24%為目標(biāo)孔隙率。

2.2 配合比設(shè)計(jì)與選擇

張賢超等[9]優(yōu)化了透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)；凌天清等[10]采取了正交試驗(yàn)方法，研究了各因素對(duì)透水性混凝土的性能影響程度的高低，本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)研究。

2.2.1 計(jì)算配合比

按照規(guī)范要求采用體積法確定透水混凝土的計(jì)算配合比，該步驟是在確定原材料參數(shù)與配合比設(shè)計(jì)方法后進(jìn)行的。透水混凝土計(jì)算配合比如表3所示。

表3 透水混凝土的計(jì)算配合比

2.2.2 基準(zhǔn)配合比

在試拌過程中，觀察拌和物的粘聚性、流動(dòng)性與泌水量是否滿足需要，對(duì)用水量進(jìn)行調(diào)整，本文在水膠比0.3的基礎(chǔ)上增減0.05進(jìn)行對(duì)比研究，得到如表4所示的基準(zhǔn)配合比。

表4 基準(zhǔn)配合比

2.2.3 最終配合比

根據(jù)基準(zhǔn)配合比成型試件后，對(duì)孔隙率與強(qiáng)度進(jìn)行測定，選擇其中滿足要求的配合比進(jìn)行后續(xù)研究，規(guī)范要求強(qiáng)度值不應(yīng)小于20 MPa，同時(shí)通過試驗(yàn)可得實(shí)際孔隙率，它與設(shè)計(jì)孔隙率存在一定的差異，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

根據(jù)28 d抗壓強(qiáng)度分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水膠比為0.28～0.32時(shí)，混凝土的孔隙率與抗壓強(qiáng)度效果滿足規(guī)范要求，故在后面的研究中選取水膠比0.28、0.30、0.32時(shí)的混凝土配合比作為最終配合比進(jìn)行研究，其最終配合比如表6所示。

3 技術(shù)性能

透水水泥混凝土不僅要滿足孔隙要求，還要滿足相關(guān)技術(shù)性能的要求。蔣正武等[11]發(fā)現(xiàn)透水混凝土的孔隙率、強(qiáng)度以及透水系數(shù)主要與骨料的粒徑、骨料的級(jí)配以及骨灰比相關(guān)。

表5 抗壓強(qiáng)度與孔隙率測試結(jié)果

表6 透水混凝土最終配合比

3.1 孔隙率與有效孔隙率

透水水泥混凝土作為一種透水材料，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為多孔結(jié)構(gòu)。其孔隙結(jié)構(gòu)主要包括連通孔隙(即有效孔隙)、半連通孔隙與非連通孔隙3種。國內(nèi)對(duì)有效孔隙率P1的測定主要采用排水法[12]，而測定總孔隙率則在參考已有研究文獻(xiàn)[13]的基礎(chǔ)上再結(jié)合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)測瀝青混合料試件孔隙率的方法，類比得出一種計(jì)算總孔隙率P2的算法。

有效孔隙率P1：

式中：P1為試件有效孔隙率，%；m2為試件烘干24 h后的質(zhì)量，g；m1為試件完全侵入水中24 h后的質(zhì)量，g；ρ為水的密度，g/cm3；V為試件實(shí)測體積，cm3。

總孔隙率P2：

式中：P2為試件總孔隙率，%；ρs為透水混凝土毛體積密度，g/cm3；ρt為透水混凝土理論密度，g/cm3；Pc為水泥與碎石的重量比，%；Pf為粉煤灰與碎石的重量比，%；ρc為水泥密度，g/cm3；ρf為粉煤灰密度，g/cm3；ρb為碎石合成毛體積密度，g/cm3；M1、M2…Mn為單種碎石占碎石總質(zhì)量的百分率，%；ρ1、ρ2…ρn為碎石毛體積密度，g/cm3。

透水混凝土實(shí)測孔隙率與有效孔隙率如表7所示，二者的關(guān)系如圖1所示。

由圖1可知，有效孔隙率與總孔隙率之間存在良好的線性關(guān)系，且隨著有效孔隙率的增大，總孔隙率也增大。

3.2 強(qiáng)度測試

在工程應(yīng)用中，混凝土強(qiáng)度是首要指標(biāo)。采用TYA-300C壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)透水水泥混凝土試件測定其28 d抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度。研究表明加載速率會(huì)影響測試強(qiáng)度[14]，本試驗(yàn)在考慮設(shè)計(jì)強(qiáng)度的情況下按照規(guī)范要求速率進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如圖2和表8所示，試件破壞后的照片如圖3所示。

表7 目標(biāo)孔隙率、總孔隙率與有效孔隙率 %

圖1 有效孔隙率與總孔隙率

由圖2可知，有效孔隙率與抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均存在良好的線性關(guān)系，如圖2(a)、(c)所示；總孔隙率與抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度也存在良好的線性關(guān)系，如圖2(b)、(d)所示?；炷恋目箟簭?qiáng)度與抗折強(qiáng)度隨著孔隙率的增大而減小。

3.3 滲水系數(shù)

混凝土的透水性能一般用滲水系數(shù)來表征，該參數(shù)是用常水頭滲水裝置測試，如圖4所示。

本文按照規(guī)范CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》[3]中儀器原理圖，自制簡易常水頭裝置進(jìn)行滲水試驗(yàn)研究。該裝置使用常見PVC塑料薄膜及管材，造價(jià)低廉，易拆卸組裝，但當(dāng)水流過大時(shí)會(huì)有溢水情況。測試步驟如下：

(a) 有效孔隙率與抗壓強(qiáng)度

(b) 總孔隙率與抗壓強(qiáng)度

(c) 有效孔隙率與抗折強(qiáng)度

(d) 總孔隙率與抗折強(qiáng)度

表8 強(qiáng)度測試結(jié)果

(a) 抗壓破壞

(b) 抗折破壞

(a) 測試原理示意

(b) 現(xiàn)場測試照片

1) 混凝土試件養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，用鉆芯機(jī)和切割機(jī)加工試驗(yàn)試件，試件為直徑100 mm，高度50 mm的圓柱體試件。

2) 用塑料薄膜和透明的止水膠帶將試件的側(cè)面緊密包裹，直至試件只從上下表面透水而側(cè)面不透水為止，需注意試件的上下表面不能是試件的成型面。

3) 將包裹好的試件放入水中浸泡，直至試件表面無氣泡時(shí)取出放入透水系數(shù)試驗(yàn)裝置，將試件與形狀為圓形的透水筒連接在一起，在連接時(shí)要注意確保兩者結(jié)合處緊密不漏水。

4) 給試驗(yàn)裝置供水并觀察在注水過程中裝置是否存在漏水情況，當(dāng)試驗(yàn)裝置中的透水圓筒與儲(chǔ)水槽的溢流口都有水流出，且水量比較穩(wěn)定時(shí)，用帶有刻度的量筒在儲(chǔ)水槽的溢流口出接水，并記錄5 min時(shí)間的出水量。

5) 測量透水圓筒與儲(chǔ)水槽之間的水位差并測量此時(shí)的水溫。

6) 常水頭法測透水系數(shù)計(jì)算公式如下所示：

式中：Tt為t℃時(shí)透水混凝土的透水系數(shù)，mm/s；Q為5 min時(shí)間內(nèi)透過的水量，mm3；h為透水試件高度，mm；A為試件上表面積，mm2；T為測試時(shí)間，一般為300 s；H為透水圓筒與儲(chǔ)水槽之間的水位差，mm。常水頭法試驗(yàn)結(jié)果如表9、圖5所示。

表9 常水頭法測試結(jié)果

圖5 有效孔隙率與滲水系數(shù)擬合曲線

由圖5可知，有效孔隙率越大滲水系數(shù)越大，二者之間存在良好的線性關(guān)系。這一結(jié)論與吳國雄等[15]通過正交試驗(yàn)得出透水混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度與其孔隙率成負(fù)相關(guān)，透水系數(shù)與其孔隙率成正相關(guān)的結(jié)論一致。

4 結(jié)論

本文主要從原材料、配合比設(shè)計(jì)、技術(shù)性能方面對(duì)透水水泥混凝土進(jìn)行了探究，主要認(rèn)識(shí)如下：

1) 在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上類比國內(nèi)瀝青混合料孔隙率計(jì)算方法，得到計(jì)算透水水泥混凝土總孔隙率的計(jì)算公式與不同配合比下的總孔隙率值，同時(shí)參照現(xiàn)有規(guī)范中有效孔隙率計(jì)算公式計(jì)算獲得不同配合比下的有效空隙率值，發(fā)現(xiàn)二者存在著良好的線性關(guān)系。

2) 研究表明有效孔隙率與抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均存在良好的負(fù)相關(guān)，即孔隙率越大，其抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度越小。

3) 采用自制常水頭滲水裝置進(jìn)行透水泥混凝土透水性能研究結(jié)果表明，透水水泥混凝土的透水系數(shù)與它的孔隙率成正相關(guān)。

4) 本文透水水泥混凝土選材主要來源于重慶地區(qū)，對(duì)重慶地區(qū)海綿城市的建設(shè)有一定的參考作用。