呂劍鋒 梁麗敏 李世華 王小亮 李 云

(云南建投綠色高性能混凝土股份有限公司，云南 昆明 650501)

0 引言

透水混凝土是由歐美、日本等國家針對(duì)原城市道路的路面缺陷，開發(fā)使用的一種能讓雨水流入地下，有效補(bǔ)充地下水，緩解城市地下水位急劇下降等一些城市環(huán)境問題的路面鋪裝混凝土；和普通混凝土相比，透水混凝土在原材料組成、結(jié)構(gòu)組成和性能要求等方面有很大的區(qū)別[1]。從材料組成來看，透水混凝土通常不含細(xì)骨料或含有少量細(xì)骨料；從結(jié)構(gòu)組成來看，透水混凝土硬化后形成一種由骨料表面包裹一層薄水泥漿互相粘結(jié)而形成孔穴均勻分布的蜂窩狀結(jié)構(gòu)；從性能要求來看，透水混凝土需要有一定的有效孔隙率來保證透水性能。因此影響透水混凝土性能的因素和普通混凝土也大不相同。姚明來等[2]研究了水灰比對(duì)透水混凝土強(qiáng)度和透水性能的影響，結(jié)果表明，在最佳的水膠比范圍下，透水混凝土的綜合新能最優(yōu)；孔新宇[3]綜合許多學(xué)者的研究成果指出水膠比、骨膠比和骨料性能對(duì)透水混凝土的力學(xué)性能和透水性能有較大的影響，徐杰等[4]通過試驗(yàn)研究也得出了類似的結(jié)論；張勇等[5]研究了設(shè)計(jì)孔隙率對(duì)透水混凝土強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著設(shè)計(jì)孔隙率的提高透水混凝土的抗壓強(qiáng)度下降。

本文以透水混凝土的強(qiáng)度、有效孔隙率和透水性能三者為研究對(duì)象，通過對(duì)比水膠比、骨膠比、骨料粒徑和種類對(duì)透水混凝土強(qiáng)度、有效孔隙率和透水性能的影響規(guī)律，系統(tǒng)的研究了透水混凝土性能的影響因素，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究了有效孔隙率、透水系數(shù)和強(qiáng)度三者之間的相互關(guān)系。

1 原材料和配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

1)水泥：水泥選用宜良紅獅P.O42.5水泥。

2)骨料：骨料選用粒徑分別為5 mm～10 mm和10 mm～20 mm的石灰?guī)r質(zhì)碎石和河卵石，骨料的性能指標(biāo)見表1。

表1 骨料性能技術(shù)指標(biāo)

3)外加劑：云南建投高分子材料有限公司生產(chǎn)的PCA-800型高性能聚羧酸減水劑，固含量為15.2%，減水率為23.4%。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)上述骨料參數(shù)，按照CJJ/T 135透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程中規(guī)定的配合比設(shè)計(jì)方法計(jì)算各組分的用量，設(shè)定設(shè)計(jì)孔隙率為25%，水膠比為0.30，外加劑摻量根據(jù)推薦摻量確定為1.6%，各骨料粒徑的基準(zhǔn)配合比詳見表2。

表2 透水混凝土基準(zhǔn)配合比

1.3 試驗(yàn)方法

1)透水混凝土采用下屬工藝成型。

設(shè)定松鋪系數(shù)為1.10，根據(jù)容重和試模體積稱量相應(yīng)重量的拌合物，分兩層裝入，每層插搗25次，裝好之后采用小型平板振搗器整平試模表面。

2)透水系數(shù)。

透水系數(shù)的測試采用定水頭法，具體方法見《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》附錄A[6]中規(guī)定。

3)孔隙率測定。

孔隙率的測定采用重量法測試，分別稱量試件烘干后的重量和在水中的重量，兩者之差即為試件因孔隙被水填充而試件受到的浮力，孔隙率的計(jì)算公式如式(1)所示，所測得的孔隙率包括連通孔隙和半連通孔隙，不包括封閉孔隙。

(1)

式中：P——孔隙率，%；

m1——試件在水中的重量，g；

m2——試件在烘箱中烘24 h后的重量，g；

V——試件體積，cm3。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 水膠比對(duì)透水混凝土性能影響

普通混凝土的力學(xué)性能和水膠比存在比較確定的數(shù)學(xué)關(guān)系F—f(W/B)，而對(duì)于透水混凝土其拌合物一般呈干硬狀態(tài)，水膠比變化范圍較小，水膠比和力學(xué)性能只在很小范圍內(nèi)與普通混凝土有類似的規(guī)律[1]。透水混凝土中水膠比的大小直接影響到漿體的流動(dòng)度，進(jìn)而影響骨料與漿體之間的粘結(jié)性和漿體的填充率，因此水膠比對(duì)透水混凝土的工作性能、力學(xué)性能和透水性能有很大的影響。本試驗(yàn)以0.25，0.27，0.30，0.32，0.35五個(gè)不同的水膠比制備透水混凝土，通過對(duì)比新拌透水混凝土的工作性能和硬化后的強(qiáng)度和透水系數(shù)研究水膠比對(duì)透水混凝土性能的影響規(guī)律。透水混凝土性能隨水膠比的變化關(guān)系曲線如圖1所示。

由圖1可以看出透水混凝土水膠比的大小對(duì)力學(xué)性能和透水性能的影響較大，在最佳水膠比上下浮動(dòng)0.2，28 d抗壓強(qiáng)度降低高達(dá)30%左右，透水系數(shù)則隨著水膠比的增大呈下降趨勢。這是因?yàn)殡S著水膠比的增大漿體流動(dòng)度增加，成型后漿體在重力的作用下流入試塊底部造成堵孔封底現(xiàn)象，透水性能下降，進(jìn)而粘結(jié)骨料的漿體數(shù)量減少，接觸面積減小，骨料之間的粘結(jié)力下降，最終導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度的降低。水膠比過小，漿體呈干硬狀態(tài)，水泥顆粒易于結(jié)團(tuán)堵塞孔隙，使得孔隙的連通性變差而導(dǎo)致透水性能下降，由于漿體的流動(dòng)性不足，同樣導(dǎo)致骨料與漿體之間的粘結(jié)力下降而導(dǎo)致最終的強(qiáng)度下降。

2.2 骨膠比對(duì)透水混凝土性能影響

透水混凝土的強(qiáng)度受漿體層厚度和骨料性能的影響較大，漿體層厚度的大小同時(shí)與有效孔隙率和透水性能密切相關(guān)。本試驗(yàn)采用固定的最佳水膠比和骨料用量，選取骨膠比為3.9～5.2制備透水混凝土(見圖2)。

由圖2可知，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著骨膠比的增大而降低，透水性能則呈相反的變化趨勢。隨著骨膠比的增大，透水混凝土中的膠凝材料減少，導(dǎo)致透水混凝土中連通孔隙數(shù)量的增多，相應(yīng)的平均孔徑增大，而粘結(jié)骨料之間的漿體數(shù)量和厚度減小，漿骨之間的粘結(jié)力下降，最終導(dǎo)致透水系數(shù)的增大和抗壓強(qiáng)度的降低。

2.3 骨料性能對(duì)透水混凝土性能的影響

透水混凝土用骨料一般為間斷級(jí)配或單粒級(jí)碎石，作為主要的兩大原材料之一，骨料的性能對(duì)透水混凝土的力學(xué)性能和透水性能影響較大。試驗(yàn)選取粒徑為5 mm～10 mm和10 mm～20 mm的兩種碎石，骨料分為石灰?guī)r質(zhì)碎石和河卵石兩種(見圖3)。

采用5 mm～10 mm骨料透水混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度高于10 mm～20 mm骨料，透水系數(shù)變化規(guī)律則相反；卵石的粒型和壓碎值優(yōu)于碎石，但是相同骨料粒徑條件下采用碎石配制的透水混凝土28 d抗壓強(qiáng)度高于卵石配制的混凝土，卵石透水混凝土的透水系數(shù)略高于碎石。骨料粒徑小，緊密堆積狀態(tài)下孔隙率小，透水混凝土整體密實(shí)度高，抗壓強(qiáng)度提高的同時(shí)透水性能下降。卵石圓度較高，表面光滑，配制的透水混凝土骨料之間的接觸面積小于碎石，且漿體與骨料之間的粘結(jié)力小，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度較低。

2.4 抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)和有效孔隙率之間的相互關(guān)系

透水混凝土中抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)和有效孔隙率三個(gè)指標(biāo)是相互影響和制約的，圖4所示為有效孔隙率與透水系數(shù)和28 d抗壓強(qiáng)度的的線性回歸曲線，隨著有效孔隙率的增加，透水系數(shù)呈線性增大趨勢，28 d抗壓強(qiáng)度則呈線性趨勢下降，線性回歸關(guān)系分別為y=0.14x-0.64和y=34.15-0.63x。透水系數(shù)和28 d抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖5所示，對(duì)透水混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度來說，隨著透水系數(shù)的增加，抗壓強(qiáng)度呈線性下降趨勢，其線性回歸關(guān)系為y=28.35-2.57x。

透水混凝土中有效孔隙率的大小決定了透水系數(shù)的大小，同時(shí)對(duì)透水混凝土的力學(xué)性能有較大的影響。大量研究表明普通混凝土的強(qiáng)度和孔隙率的關(guān)系不適用于透水混凝土，但是在總體變化趨勢上是一致的?，F(xiàn)行的透水混凝土配合比設(shè)計(jì)方法中只涉及了設(shè)計(jì)孔隙率這一參數(shù)，對(duì)強(qiáng)度、透水系數(shù)等參數(shù)沒有明確規(guī)定，缺乏科學(xué)性和合理性。通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)找到三者之間存在的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，在透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)中加以充分的考慮，對(duì)于保證透水混凝土強(qiáng)度和透水系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3 結(jié)語

1)水膠比和骨膠比對(duì)透水混凝土強(qiáng)度和透水性能有較大的影響。水混凝土配合比設(shè)計(jì)中，應(yīng)通過小試驗(yàn)確定最佳的水膠比和骨膠比，此時(shí)的透水混凝土強(qiáng)度較好，透水性能滿足要求。

2)骨料的粒徑和種類對(duì)透水混凝土的強(qiáng)度影響較大，對(duì)透水系數(shù)影響較小，相同粒徑碎石透水混凝土的強(qiáng)度優(yōu)于卵石透水混凝土，相同種類骨料配制的透水混凝土，骨料粒徑越大，強(qiáng)度越低。

3)透水混凝土的有效孔隙率、透水系數(shù)和強(qiáng)度三者存在一定的線性關(guān)系，隨著有效孔隙率的增大，透水系數(shù)呈線性增大趨勢，抗壓強(qiáng)度呈線性下降趨勢。