賀圖升 謝夢(mèng)倩 劉洋 黎載波

（韶關(guān)學(xué)院 化學(xué)與土木工程學(xué)院）

透水混凝土作為一種功能性路面鋪裝材料，與其他傳統(tǒng)不透水路面鋪裝材料相比，透水混凝土可緩解城市抗洪排水和管道疏浚的壓力，及時(shí)消除路面積水并補(bǔ)充地下水資源[1]，減小地基下沉；另外，通過混凝土內(nèi)孔中水分的蒸發(fā)，可減少城市地面熱能吸收和緩解城市的“熱島效應(yīng)”，有效降低城市的噪音污染[2]。因此，混凝土透水混凝土具有顯著的生態(tài)環(huán)境效益，符合中國(guó)目前正在推行的“海綿城市”建設(shè)理念[3]。

透水混凝土屬于骨架空隙結(jié)構(gòu)，是由集料表面包裹水泥基漿體而形成的統(tǒng)一整體，其內(nèi)部呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，具有高孔隙率、高透水性以及低抗壓強(qiáng)度等特點(diǎn)[4]?？箟簭?qiáng)度和透水系數(shù)是透水混凝土配合比設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要指標(biāo)，其值相互關(guān)聯(lián)，相互制約，其值的大小直接影響到透水混凝土的使用性能[5-6]。研究表明[7-10]，透水混凝土抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)與水灰比、集灰比、集料級(jí)配、集料空隙率、混凝土表觀密度以及空隙率等因素密切相關(guān)。各因素對(duì)其性能的影響存在相互關(guān)聯(lián)、相互制約的關(guān)系，但各因素對(duì)其性能的影響程度有待進(jìn)一步探討。灰色關(guān)聯(lián)分析是通過灰色關(guān)聯(lián)度來分析計(jì)算各因素對(duì)系統(tǒng)主行為的影響程度的一種方法[11]，本文通過對(duì)多組不同配合比透水混凝土的試驗(yàn)，并運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，確定了各因素對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度與透水系數(shù)的影響程度，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥采用PO42.5R普通硅酸鹽水泥，表觀密度3.05g/cm3，比表面積為385m2/㎏，3d和28d抗壓強(qiáng)度29.1MPa和49.1MPa；集料采用4.75～9.5mm與9.5～16mm單粒級(jí)石灰石碎石，密度2.733g/cm3。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 攪拌與成型工藝

攪拌成型工藝：集料與適量水混合攪拌，再加入膠凝材料攪拌，然后加入大部分水和全部減水劑攪拌，最后用剩余水調(diào)整拌合物狀態(tài)。將新拌透水混凝土拌合物裝入100mm×100mm×200mm的試模，成型時(shí)將拌合物分2層裝入模具，每層50mm，每層均采用振動(dòng)加壓成型工藝，成型壓力為0.08～0.09MPa，成型后24h拆模，將試件濕養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，測(cè)試透水混凝土的28d抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)。

1.2.2 集料空隙率測(cè)定

按照J(rèn)TG E42-2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行集料空隙率的測(cè)定。

1.2.3 透水混凝土表觀密度和抗壓強(qiáng)度測(cè)定按照DL/T 5150-2017《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)定透水混凝土的表觀密度和抗壓強(qiáng)度。

1.2.4 透水混凝土有效孔隙率測(cè)定

將試件完全浸泡在清水中24h后，測(cè)試水中試件的質(zhì)量（m1），然后把試件取出，在空氣中干燥24h后測(cè)量其質(zhì)量（m2），透水混凝土有效孔隙率可通過式⑴計(jì)算：

式中，

V——試件的體積，cm3；

ρw——水的密度，g/cm3。

試件的質(zhì)量用美國(guó)雙杰電子秤JJ2000Y，精確到0.1g；試件的尺寸采用游標(biāo)卡尺測(cè)量，精確到1mm。

1.2.5 透水混凝土透水系數(shù)測(cè)定

依據(jù)《透水路面磚和透水路面板》（GB/T 25993-2010）標(biāo)準(zhǔn)來測(cè)定透水混凝土的透水系數(shù)。

透水系數(shù)測(cè)試方法：透水混凝土試件采用尺寸為100mm×100mm×100mm的立方體，將試件裝入透水系數(shù)試驗(yàn)裝置（圖1），試件與透水圓筒的連接用塑料薄膜密封好。放入溢流水槽，打開供水閥門，使水進(jìn)入容器中，等溢流水槽的溢流口有水流出時(shí)，調(diào)整進(jìn)水量，使透水圓筒保持一定的水位H（約150mm），待溢流水槽的溢流口和透水圓筒的溢流口流出水量穩(wěn)定后，用量筒從出水口接水，記錄一分鐘流出的水量（Q）。再根據(jù)透水系數(shù)計(jì)算公式（式⑵）計(jì)算出透水系數(shù)：

式中，

kT——水溫為T℃時(shí)試樣的透水系數(shù)，cm/s；

Q——時(shí)間t秒內(nèi)的滲出水量，ml；

L——試樣的厚度，cm；

A——試樣的上表面面積，cm2；

H——水位差，cm；

t——時(shí)間，s。

2 結(jié)果與分析

灰色關(guān)聯(lián)分析是基于行為因子序列微觀或宏觀的幾何接近，以分析和確定因子間的影響程度或因子對(duì)主行為的貢獻(xiàn)程度而進(jìn)行的一種分析方法。其目的在于尋求系統(tǒng)中各因素之間的主要關(guān)系，找出影響目標(biāo)值的重要因素，從而掌握事物的主要特征[11]。

首先確定系統(tǒng)行為特征X0=｛x0（k｝）為參考序列（又稱母序列），k=1,2,…，n；Xi=｛xi（k｝）為比較序列（又稱子序列），k=1,2,…，n，i=1,2,…，m。

對(duì)灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算按以下步驟：

⑴對(duì)各數(shù)據(jù)序列進(jìn)行初值化：

⑵計(jì)算被評(píng)價(jià)對(duì)象子序列與母序列對(duì)應(yīng)元素的絕對(duì)差值Δ0i（k），即：

⑷計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)：分別計(jì)算每個(gè)比較序列與參考序列對(duì)應(yīng)元素的關(guān)聯(lián)系數(shù)

式中，ξ為分辨系數(shù)，通常ξ取0.5。

以28d抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)為母序列，以相應(yīng)各影響因素為子序列（見表1），并計(jì)算各影響因素與透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)之間的關(guān)聯(lián)度，分別見表2和表3。

表1 母序列與子序列

表2的計(jì)算結(jié)果顯示，各因素對(duì)透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度的影響程度由大到小依次為：混凝土有效空隙率、混凝土表觀密度、集料空隙率、集灰比、水灰比、4.75～9.5mm質(zhì)量百分比。

表2 各因素對(duì)透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度的灰色關(guān)聯(lián)分析

表3的計(jì)算結(jié)果顯示，各因素對(duì)透水混凝土透水系數(shù)的影響程度由大到小依次為：混凝土有效空隙率、集料空隙率、混凝土表觀密度、4.75～9.5mm質(zhì)量百分比、集灰比、水灰比。

表3 各因素對(duì)透水混凝土透水系數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)分析

上述排序結(jié)果表明：

⑴有效空隙率是影響透水混凝土抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的最主要的因素；其原因主要是隨著空隙率的增大，混凝土內(nèi)部的連通孔增多，實(shí)際透水面積增大，透水受到的阻力相應(yīng)減少，導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)通過的水量增加，因而透水系數(shù)增加。

⑵表觀密度反映了試件的密實(shí)程度，是與透水混凝土孔隙率密切相關(guān)的因素，是影響其抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的重要因素。

⑶集料在透水混凝土中起支架作用，其空隙率反映了集料的堆積密實(shí)度以及集料之間的嚙合度，對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)具有較大影響。

⑷水灰比對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)影響較小，主要原因是：與普通混凝土中水灰比決定混凝土的抗壓強(qiáng)度不同，透水混凝土屬于干硬性混凝土，空隙率是影響透水混凝土抗壓強(qiáng)度的最主要因素，而水泥漿體對(duì)集料的均勻性包裹也是決定透水混凝土抗壓強(qiáng)度的重要因素，但低水灰比易造成集料與水泥漿體間粘結(jié)力下降，削弱了水灰比下降對(duì)水泥漿體的增強(qiáng)作用；同時(shí)透水混凝土高空隙率也大大削弱了水灰比的下降對(duì)透水混凝土的增強(qiáng)作用。因此，水灰比降低時(shí)，透水混凝土的整體抗壓強(qiáng)度提高并不明顯。在此研究范圍內(nèi)，水灰比的改變對(duì)透水混凝土透水系數(shù)的影響最小。

⑸集灰比對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)有一定影響。

在集料級(jí)配和用量一定的情況下，隨著集灰比的下降，水泥用量逐漸增加，集料表面包裹的水泥漿體越厚，集料之間的粘結(jié)面積以及粘結(jié)點(diǎn)的數(shù)量增加，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著集灰比的下降而增大。

隨著水泥用量的增大，粗集料之間原來連通的孔隙會(huì)逐漸減小，變得不連通，整個(gè)骨架透水通道的減少，使其透水系數(shù)降低。水泥用量的增大將使其更趨于采用填充集料之間空隙的方式來構(gòu)成結(jié)構(gòu)，因此使得透水混凝土的空隙率及透水系數(shù)顯著下降[12]。因此，集灰比對(duì)透水混凝土透水系數(shù)有一定影響。

3 結(jié)論

⑴由灰色關(guān)聯(lián)分析方法獲得各因素對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響程度由大到小依次為：混凝土有效空隙率、混凝土表觀密度、集料空隙率、集灰比、水灰比、4.75～9.5mm質(zhì)量百分比；各因素對(duì)透水混凝土透水系數(shù)的影響程度由大到小依次為：混凝土空隙率、集料空隙率、混凝土密度、4.75～9.5mm顆粒質(zhì)量百分比、集灰比、水灰比。

⑵有效空隙率是影響透水混凝土抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)最主要因素；表觀密度反映了試件的密實(shí)程度，是與透水混凝土孔隙率密切相關(guān)的因素；空隙率反映了集料的堆積密實(shí)度以及集料之間的嚙合度，也是影響透水混凝土抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的重要因素。