張東培，劉蘇南，田志剛，張 豐，白 銀，寧逢偉，胡海明

(1.揚(yáng)州市水利局，江蘇 揚(yáng)州 225200； 2.揚(yáng)州市瓜洲泵站工程建設(shè)處，江蘇 揚(yáng)州 225200；3.揚(yáng)州市城市河道管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200； 4.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

0 引言

透水混凝土是由粗骨料及水泥基膠結(jié)料經(jīng)拌合而成的具有連續(xù)孔隙結(jié)構(gòu)的混凝土，其與普通混凝土最大的區(qū)別在于無(wú)細(xì)骨料。透水混凝土內(nèi)部含有較多孔隙，且多為直徑>1mm大孔，因此具有良好的透水性，但強(qiáng)度較普通混凝土低，采用強(qiáng)度等級(jí)為C15，C20的較少，C25及以上的透水混凝土更是少見(jiàn)。

自20世紀(jì)中期開(kāi)始，我國(guó)對(duì)透水混凝土進(jìn)行了較深入的研究，并將研究成果應(yīng)用到北京奧運(yùn)村廣場(chǎng)和上海世博園等重點(diǎn)項(xiàng)目中[1]。我國(guó)陸續(xù)發(fā)布了關(guān)于透水混凝土的標(biāo)準(zhǔn)，如CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》、CJJ/T 253—2016《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》、DB33/T 1153—2018《透水混凝土路面應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》等[2-4]。通過(guò)在粗骨料中摻入較細(xì)骨料的方式提高強(qiáng)度，細(xì)骨料摻量為粗骨料的5%～10%。由已有研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)[5]，碎石和卵石的選擇、粒徑級(jí)配、孔隙率和水灰比等是限制透水混凝土應(yīng)用的主要因素。程娟等[6]研究發(fā)現(xiàn)，摻入硅灰可有效填充水泥漿體的毛細(xì)孔隙，對(duì)透水系數(shù)的影響較小，可有效提高透水混凝土強(qiáng)度，理想摻量約為6%。潘杰[7]通過(guò)摻入適量礦物摻合料和外加劑，研制出抗壓強(qiáng)度30MPa、透水系數(shù)1.5mm/s的高性能透水混凝土。楊靜等[8]選用小粒徑骨料，加入礦物摻合料和有機(jī)增強(qiáng)劑，研制出抗壓強(qiáng)度>40MPa、透水性良好的透水混凝土。霍亮[9]研究發(fā)現(xiàn)，摻入礦物摻合料可有效提高透水混凝土力學(xué)性能。

本文在滿足透水系數(shù)≥1.0mm/s的前提下，采用正交試驗(yàn)研究增黏劑A、增強(qiáng)劑B、硅粉、聚丙烯纖維對(duì)透水混凝土連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)、抗壓強(qiáng)度的影響，確定增強(qiáng)材料最優(yōu)組合及關(guān)鍵組分。

1 原材料

1.1 水泥

采用P·II52.5硅酸鹽水泥和P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表1所示，所檢水泥各項(xiàng)指標(biāo)均滿足GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的技術(shù)要求。

1.2 粗骨料

采用5～16mm連續(xù)級(jí)配碎石，測(cè)得其表觀密度為2 810kg/m3，緊密堆積密度為1 680kg/m3，含泥量為0.7%，壓碎值為15.9%，所檢指標(biāo)均滿足SL 677—2014《水工混凝土施工規(guī)范》的技術(shù)要求。

1.3 增強(qiáng)材料

通過(guò)查閱文獻(xiàn)，選用增黏劑A、增強(qiáng)劑B、硅粉、聚丙烯纖維作為增強(qiáng)材料，其中硅粉(920U型半加密硅粉)密度為2.20g/cm3，28d活性指數(shù)為93%，聚丙烯纖維(J-02型聚丙烯纖維)長(zhǎng)6mm。

1.4 其他

采用HLC-PC102型聚羧酸系高性能減水劑，推薦折固摻量為0.16%～0.30%，減水率≥28%。拌合水采用當(dāng)?shù)刈詠?lái)水。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試件制備

參照《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，選定目標(biāo)孔隙率為15%，水灰比為0.27，摻減水劑(摻量0.05%)調(diào)整拌合物至“標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)”(表面發(fā)亮、有光澤，且漿體不會(huì)積聚在骨料下面)。水泥∶水∶粗骨料為425∶115∶1 642。 將骨料、膠材等加入攪拌機(jī)內(nèi)干拌30s混合均勻，然后邊攪拌邊均勻加入水(預(yù)先加入減水劑并混合均勻)，攪拌180s后出料裝模[10]。采用人工插搗方式成型[11]，將拌合物分2層裝入試模，每層用振搗棒均勻插搗15次，并用抹刀抹平表面(可用配重塊適當(dāng)碾壓)。

2.2 連續(xù)孔隙率測(cè)定

參照《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》規(guī)定測(cè)定連續(xù)孔隙率，試件尺寸為100mm×100mm×100mm。首先將試件放入(105±5)℃烘箱中烘干至恒重，取出后冷卻至室溫后，用游標(biāo)卡尺測(cè)量試件尺寸，并計(jì)算體積V；然后將試件完全浸泡水中，待無(wú)氣泡出現(xiàn)時(shí)稱得試件在水中質(zhì)量m1；最后將試件放入60℃烘箱中烘24h后稱得質(zhì)量m2。按下式計(jì)算連續(xù)孔隙率Cvoid：

Cvoid=[1-(m2-m1)/(V·ρ)]×100%

(1)

2.3 透水系數(shù)測(cè)定

參照《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》中定水頭法測(cè)定透水混凝土透水系數(shù)，成型試件尺寸為φ100mm×200mm，養(yǎng)護(hù)7d后將其切割成尺寸為φ100mm×60mm的試件。按下式計(jì)算透水系數(shù)kT：

kT=Q·L/(A·H·t)

(2)

式中：Q為時(shí)間t內(nèi)滲出的水量(mm3/s)；L為試件厚度(mm)；A為試件上表面積(mm2)；H為水位差(mm)；t為時(shí)間(s)。

2.4 抗壓強(qiáng)度測(cè)定

參照DL/T 5150—2017《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》有關(guān)規(guī)定測(cè)定試件抗壓強(qiáng)度，將100mm×100mm×100mm混凝土試件帶模放入(20±1)℃標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，24h拆模后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至指定齡期后取出，在計(jì)算機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上加載，受壓面積0.01m2(100mm×100mm)，壓力機(jī)精度不低于±2%。

2.5 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)指的是依據(jù)正交性的原理在全面的試驗(yàn)中選擇具有代表性的試驗(yàn)方案進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，所選試驗(yàn)方案具有“均勻分散、整齊可比”的特點(diǎn)，用部分試驗(yàn)代替全面試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)部分試驗(yàn)結(jié)果的分析了解全面試驗(yàn)的情況。在前期單摻試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展四因素三水平正交試驗(yàn)，其中聚丙烯纖維采用混凝土體積摻量，其余組分采用膠材質(zhì)量摻量，如表2所示。

表2 因素水平

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 正交試驗(yàn)分析

透水混凝土連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)和28d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知，摻增強(qiáng)材料后，透水混凝土試件連續(xù)孔隙率均有一定程度減小，減小幅度為4%～31%。連續(xù)孔隙率較大的為Z1，Z2，Z8，Z9組試件，與未摻增強(qiáng)材料試件接近。透水系數(shù)較大的為Z1，Z8，Z9組試件，均>2.0mm/s，與未摻增強(qiáng)材料試件接近。摻增強(qiáng)材料后，透水混凝土試件28d抗壓強(qiáng)度均提高，其中Z4，Z5組試件28d抗壓強(qiáng)度較高，說(shuō)明增強(qiáng)組分的摻入對(duì)透水混凝土強(qiáng)度提高有利，Z5組透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度最高達(dá)29.7MPa，較對(duì)比樣提高了50%。

表3 透水混凝土連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)和28d抗壓強(qiáng)度

透水混凝土正交試驗(yàn)結(jié)果如表4～6所示。由表4可知，對(duì)透水混凝土連續(xù)孔隙率而言，增強(qiáng)材料最優(yōu)組合為0.50%增強(qiáng)劑B+2%硅粉；硅粉摻量對(duì)連續(xù)孔隙率的影響最大，增黏劑A摻量次之，增強(qiáng)劑B和聚丙烯纖維摻量的影響較小。

表4 連續(xù)孔隙率各水平總和與極差

由表5可知，對(duì)透水混凝土透水系數(shù)而言，增強(qiáng)材料最優(yōu)組合為0.05%增強(qiáng)劑B+2%硅粉；硅粉和增黏劑A摻量對(duì)透水系數(shù)的影響較大，聚丙烯纖維摻量的影響最小。

表5 透水系數(shù)各水平總和與極差

由表6可知，對(duì)透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度而言，增強(qiáng)材料最優(yōu)組合為1%增黏劑A+0.5%增強(qiáng)劑B+6%硅粉+0.2%聚丙烯纖維；硅粉摻量對(duì)28d抗壓強(qiáng)度的影響最大，增黏劑A摻量次之，增強(qiáng)劑B和聚丙烯纖維摻量的影響較小。

表6 28d抗壓強(qiáng)度各水平總和與極差

對(duì)3次試驗(yàn)得到的連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)、28d抗壓強(qiáng)度平均值進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1所示。在選定的增強(qiáng)材料種類及其摻量范圍內(nèi)，透水混凝土連續(xù)孔隙率隨增黏劑A摻量的增加，連續(xù)孔隙率先減小后增大；隨增強(qiáng)劑B摻量的增加，連續(xù)孔隙率先增大后減??；隨硅粉、聚丙烯纖維摻量的增加均逐漸減小，其中硅粉摻量影響較大。透水混凝土透水系數(shù)隨增黏劑A、增強(qiáng)劑B摻量的增加均先減小后增大，隨硅粉摻量的增加逐漸減小，隨聚丙烯纖維摻量的增加小幅度增大。透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度隨增黏劑A摻量的增加先增大后減小，隨增強(qiáng)劑B摻量的增加逐漸減小，隨硅粉摻量的增加逐漸增大，隨聚丙烯纖維摻量的增加先減小后增大。

圖1 透水混凝土連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)與28d抗壓強(qiáng)度變化曲線

綜上所述，在選定增強(qiáng)材料種類及其摻量范圍內(nèi)，增強(qiáng)材料的摻入會(huì)使透水混凝土連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)降低，但可一定程度提高其28d抗壓強(qiáng)度。其中，硅粉對(duì)透水混凝土連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)或28d抗壓強(qiáng)度均起了重要作用，為關(guān)鍵組分，摻量越大，透水混凝土越密實(shí)，抗壓強(qiáng)度提高顯著，但連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)也明顯降低。為保證透水混凝土具有一定透水性，并考慮經(jīng)濟(jì)因素，最終選定增強(qiáng)材料最優(yōu)組合為1%增黏劑A+0.5%增強(qiáng)劑B+2%硅粉+0.1%聚丙烯纖維，記為A。

3.2 重復(fù)性驗(yàn)證

為更好地驗(yàn)證由正交試驗(yàn)得出的增強(qiáng)材料最優(yōu)組合方案A的可靠性，分別采用P·II52.5水泥和P·O52.5水泥，外摻A增強(qiáng)組分進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試透水混凝土的連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)、28d抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表7所示。

表7 摻增強(qiáng)組分透水混凝土連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)和28d抗壓強(qiáng)度

由表7可知，相同條件下，A增強(qiáng)材料的摻入使透水混凝土連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)均有一定程度減小，但變化并不顯著，連續(xù)孔隙率減小4%～20%，透水系數(shù)減小4%～23%，且摻A增強(qiáng)材料后透水混凝土透水系數(shù)仍滿足kT≥1mm/s的指標(biāo)要求。而A增強(qiáng)材料的摻入，對(duì)透水混凝土強(qiáng)度提高作用明顯，采用P·II52.5水泥時(shí)，透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度較對(duì)比樣提高了59%，達(dá)到34.7MPa；采用P·O42.5 水泥時(shí)，28d抗壓強(qiáng)度也提高39%，增強(qiáng)效果顯著。這驗(yàn)證了A增強(qiáng)材料作用效果的可靠性。

4 工程應(yīng)用

以某工程為例，外摻1%增黏劑A、0.5%增強(qiáng)劑B、2%硅粉和0.1%聚丙烯纖維的增強(qiáng)材料制備透水混凝土，配合比如表8所示。透水混凝土采用人工插搗方式成型，測(cè)得其連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗凍性能等，如表9所示。

表8 透水混凝土配合比

表9 透水混凝土綜合性能

由表9可知，采用P·II52.5和P·O42.5水泥制備的透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度可達(dá)29.6～39.6MPa，彎拉強(qiáng)度可達(dá)5.68～6.34MPa；經(jīng)50次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度損失率均滿足≤20%的要求，質(zhì)量損失率均滿足≤5%的要求。結(jié)果表明，復(fù)摻1%增黏劑A、0.5%增強(qiáng)劑B、2%硅粉和0.1%聚丙烯纖維可明顯改善透水混凝土綜合性能，在滿足透水系數(shù)kT≥1mm/s的條件下，制備的透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度接近30MPa、28d彎拉強(qiáng)度>5.0MPa，使透水混凝土具有高強(qiáng)度、高透水性的特點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)多種增強(qiáng)材料進(jìn)行優(yōu)選，得到增強(qiáng)材料最優(yōu)組合為1%增黏劑A+0.5%增強(qiáng)劑B+2%硅粉+0.1%聚丙烯纖維，其中增黏劑A和硅粉為關(guān)鍵組分，對(duì)透水混凝土連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)、28d抗壓強(qiáng)度起重要作用。

2)利用增強(qiáng)材料最優(yōu)組合制備透水混凝土?xí)r，可明顯改善透水混凝土綜合性能，使透水混凝土具有高強(qiáng)度、高透水性的特點(diǎn)，透水系數(shù)為1.51～2.05mm/s，28d抗壓強(qiáng)度可達(dá)29.6～39.6MPa，28d彎拉強(qiáng)度可達(dá)5.68～6.34MPa。