劉 鑫

(湖南省交通運(yùn)輸廳規(guī)劃與項(xiàng)目辦公室， 湖南 長沙 410116)

0 引言

透水混凝土又稱多孔混凝土，其在制造過程中減少或避免使用細(xì)骨料，使內(nèi)部形成連通孔隙，從而獲得透水性能。透水混凝土在公路路面應(yīng)用中遇到惡劣天氣能夠起到防滑、防水等作用，從而減少交通事故發(fā)生[1-2]。此外，作為路面材料，透水混凝土還能在起到凈化雨水、改善城市排水、緩解城市“熱島效應(yīng)”等作用。因此，透水混凝土在生態(tài)城市建設(shè)中的應(yīng)用越來越廣泛[3-6]。

20世紀(jì)80年代，美國、日本等國家就開始了透水混凝土的研究。Ghafoori等[7]對(duì)其物理力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和分析，探索了透水混凝土在道路材料中的應(yīng)用。1996年,Legret等[8]通過試驗(yàn)研究了停車場(chǎng)中4種不同透水混凝土的耐久度、透水性能等，結(jié)果表明透水混凝土具有足夠的耐久性，并且對(duì)于雨水同樣具有良好的透水性能，在滲水過程中還能夠過濾雨水中的銅、鋅、鉛等雜質(zhì)。Schlueter等[9]根據(jù)透水混凝土性能研發(fā)設(shè)計(jì)的透水路面能夠有效地減少路面積水。但是，透水混凝土路面由于孔隙率高，存在混凝土松散、孔洞堵塞、強(qiáng)度和耐久性低、維護(hù)困難等性能問題。隨著混凝土承載能力的提高以及建筑和運(yùn)輸領(lǐng)域?qū)ν杆炷恋男枨蟛粩嘣黾?，?duì)于透水混凝土性能改善的研究也在不斷深入。在海綿城市建設(shè)中，透水混凝土有著很大的應(yīng)用空間。怎樣提高傳統(tǒng)透水混凝土的性能如耐久性、抗壓強(qiáng)度等、減少使用過程中的阻塞、后期的維修等都是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的工作。

本文從成型方式、振動(dòng)時(shí)間、砂率、骨料粒度和水灰比等5個(gè)因素出發(fā)，對(duì)透水混凝土的孔隙率、滲透系數(shù)和28 d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析。通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，建立了孔隙率、滲透系數(shù)和28 d抗壓強(qiáng)度與影響因素的回歸曲線，并獲取使透水混凝土性能達(dá)到最佳的影響因素范圍。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的透水混凝土試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，并將其按照不同的影響因素分為5組。其中，第1組樣品12個(gè)試件(4種因素，每種因素制作3個(gè)試件，A1～A4)的成型方式分別為手工插搗、機(jī)械振搗、靜壓成型、機(jī)械振搗和靜壓同時(shí)使用。第2～5組的成型方式均為機(jī)械振搗。第2組樣品15個(gè)試件(5種因素，每種因素制作3個(gè)試件,B1～B5)振搗的時(shí)間分別為4、8、12、16、20 s。第3組樣品15個(gè)試件(5種不同因素，每種因素制作3個(gè)試件，C1～C5)的砂率分別為0、1.96%、3.23%、4.46%、6.25%。第4組樣品18個(gè)試件(6種不同因素，每種因素制作3個(gè)試件,D1～D6)骨料級(jí)配不同。第5組樣品30個(gè)試件(10種不同因素，每種因素制作3個(gè)試件,E1～E10)水灰比分別為0.24、0.27、0.30、0.33、0.36、0.39、0.42、0.45、0.48、0.51。

本文采用單因素試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，通過對(duì)比每個(gè)影響因素的影響規(guī)律曲線，并擬合出其回歸方程。以此來對(duì)透水混凝土性能的不同影響因素進(jìn)行研究分析。

1.1 試驗(yàn)原材料基本性能

水泥為普通硅酸鹽水泥(P·O42.5)；細(xì)骨料為天然河砂，基本性能的測(cè)試采用文獻(xiàn)[9]和[12]中的方法,測(cè)試結(jié)果見表1；粗骨料為碎石，選用5～10 mm、10～16.5 mm的人工碎石，基本性能見表2；減水劑選用PCA-1型。

表1 細(xì)骨料基本性能性能指標(biāo)表觀密度/(kg·m-3)堆積密度/(kg·m-3)空隙率/%細(xì)度模數(shù)有機(jī)物含量控制值≥2 500>1 350<47≥2.3合格檢驗(yàn)結(jié)果2 6201 460402.7合格

表2 粗骨料基本性能粒徑/mm含泥量(質(zhì)量比)/%表觀密度/(kg·m-3)體積密度/(kg·m-3)孔隙率/%10～16.50.22 7781 43249.25～100.22 7781 45347.7

1.2 透水混凝土配比設(shè)計(jì)

采用體積法進(jìn)行混凝土配合比及材料用量計(jì)算。計(jì)算式如式(1)。

(1)

式中：mg、mc、mf分別為粗骨料、水泥、摻合料的用量，kg；ρg、ρc、ρf分別為粗骨料、水泥、摻合料的表觀密度,kg /m3；Vt為粗骨料孔隙率，%；Va為試件目標(biāo)孔隙率，%。配合比方案如表3所示。

表3 透水混凝土試件配合比設(shè)計(jì)編號(hào)水泥/(kg·m-3)水/(kg·m-3)粗骨料5～10 mm/(kg·m-3)粗骨料10～16.5 mm/(kg·m-3)減水劑/%中砂/(kg·m-3)成型方式A14001201 50002.50手工插搗20次A24001201 50002.50機(jī)械振搗8 sA34001201 50002.50靜壓成80 kNA44001201 50002.50機(jī)械振搗8 s+靜壓60 kNB14001201 50002.50機(jī)械振搗4 sB24001201 50002.50機(jī)械振搗8 sB34001201 50002.50機(jī)械振搗12 sB44001201 50002.50機(jī)械振搗16 sB54001201 50002.50機(jī)械振搗20 sC14001201 50002.50靜壓成型60 kNC24001201 50002.530靜壓成型60 kNC34001201 50002.550靜壓成型60 kNC44001201 50002.570靜壓成型60 kNC54001201 50002.5100靜壓成型60 kND14001201 50002.50靜壓成型60 kND24001201 2003002.50靜壓成型60 kND34001209006002.50靜壓成型60 kND44001206009002.50靜壓成型60 kND54001203001 2002.50靜壓成型60 kND640012001 5002.50靜壓成型60 kN

續(xù)表3 透水混凝土試件配合比設(shè)計(jì)編號(hào)水泥/(kg·m-3)水/(kg·m-3)粗骨料5～10 mm/(kg·m-3)粗骨料10～16.5 mm/(kg·m-3)減水劑/%中砂/(kg·m-3)成型方式E1400961 50002.50靜壓成型60 kNE24001081 50002.50靜壓成型60 kNE34001201 50002.50靜壓成型60 kNE44001321 50002.50靜壓成型60 kNE54001441 50002.50靜壓成型60 kNE64001561 50002.50靜壓成型60 kNE74001681 50002.50靜壓成型60 kNE84001801 50002.50靜壓成型60 kNE94001921 50002.50靜壓成型60 kNE104002041 50002.50靜壓成型60 kN

1.3 試件攪拌與成型工藝

采用水泥包裹法對(duì)透水混凝土原材料進(jìn)行拌和，參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)要求制成150 mm×150 mm×150 mm混凝土試塊[10]，按規(guī)范進(jìn)行混凝土養(yǎng)護(hù)。

1.4 試件性能測(cè)試

1.4.1抗壓強(qiáng)度

混凝土試塊養(yǎng)護(hù)28 d后，放在壓力機(jī)上進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。試塊取出后，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行晾干處理。保持0.8 MPa /s的加荷載速度，對(duì)每組透水混凝土試塊進(jìn)行3次強(qiáng)度測(cè)試并取平均值。

1.4.2孔隙率

達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后進(jìn)行孔隙率測(cè)試，孔隙率計(jì)算式如式(2)所示。

(2)

式中:V為試件的體積；m1為水中浸泡24 h后試件的質(zhì)量；m2為風(fēng)干24 h后試件質(zhì)量；ρw為水的密度。為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確率，對(duì)m1、m2重復(fù)測(cè)試3次。

1.4.3透水性能

采用“固定水位高度法”計(jì)算混凝土的透水系數(shù)，計(jì)算式如式(3)。

kpc=h/t

(3)

式中：t為透水方筒中水位降至0 ml所用時(shí)間。

抗壓強(qiáng)度測(cè)試與透水性能測(cè)試如圖1所示。

(a) 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同成型方式對(duì)透水混凝土的影響

采用手工插搗(A1)、機(jī)械振搗(A2)、靜壓成型(A3)、機(jī)械振搗和靜壓同時(shí)使用(A4)這4種不同的成型方式制作混凝土試塊。試塊養(yǎng)護(hù)完成后對(duì)透水混凝土性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見圖2。

圖2 成型方式對(duì)透水混凝土性能的影響

4種混凝土成型方式中，A1組的抗壓強(qiáng)度低，但孔隙率和透水系數(shù)較大，分析原因，手工振搗法得到的混凝土拌和不夠充分，從而造成混凝土骨料結(jié)合不夠緊密，產(chǎn)生的孔隙增加了混凝土的透水性能，但減小了混凝土的強(qiáng)度[11]。A4組混凝土的抗壓強(qiáng)度在4組混凝土中最大，為31.8 MPa；透水系數(shù)為3.02，在4組混凝土中透水性能也較為優(yōu)越。A2組和A3組的混凝土抗壓強(qiáng)度基本相同，透水系數(shù)也相差不大；并且透水性能和力學(xué)性能都沒有較為突出的優(yōu)勢(shì)。

綜合比較，通過機(jī)械振搗+靜壓成型方法(A4組)得到的透水混凝土性能最為優(yōu)越。本組混凝土拌和較為充分，各種骨料之間的結(jié)合較為密實(shí)，并且混凝土內(nèi)部還存在較為均勻的孔隙。因此，A4組混凝土擁有較好的透水性能和優(yōu)越的力學(xué)性能。

2.2 振搗時(shí)間對(duì)透水混凝土的影響

B1、B2、B3、B4、B5分別為振搗時(shí)間4、8、12、16、20 s下的透水混凝土，試塊的配合比和性能試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

通過圖3中的數(shù)據(jù)可知，透水混凝土的透水系數(shù)隨著振搗時(shí)間的增加不斷減小，抗壓強(qiáng)度則先增大后減小。分析原因?yàn)?機(jī)械振搗的原理為借助骨料自身的重力，促使骨料不斷下沉來達(dá)到混凝土密實(shí)，但是隨著振搗時(shí)間增加，粗骨料已經(jīng)達(dá)到了最合適位置而不能繼續(xù)下降。此時(shí)，繼續(xù)振搗會(huì)造成水泥漿和粗骨料之間的離析，水泥漿大部分積聚在混凝的底部，不但會(huì)減小混凝土的強(qiáng)度，還降低了混凝土的透水性能。因此，存在一個(gè)適中的振搗時(shí)間，此時(shí)混凝土的骨料被水泥漿均勻包裹，混凝土的強(qiáng)度最高且透水性能最好。

(a) 孔隙率

將振搗時(shí)間與透水混凝土孔隙率、透水系數(shù)和抗壓強(qiáng)度擬合得到關(guān)系方程，如式(4)～(6)所示。其中，振搗時(shí)間與孔隙率的擬合關(guān)系見式(4)；振搗時(shí)間與透水系數(shù)的擬合關(guān)系見式(5)；振搗時(shí)間與抗壓強(qiáng)度的擬合關(guān)系見式(6)。

Ppc=23.71·t-2.7

(4)

kpc=-0.05e(t/5.4)+3.2

(5)

σpc=26.8+3.4e[-(t-8)2 / 28.8]

(6)

式中：Ppc為試件的孔隙率；kpc為試件的透水系數(shù)；σpc為試件28 d抗壓強(qiáng)度；t為試件振搗時(shí)間。

綜上，將振搗時(shí)間保持在8～12 s，混凝土有較為優(yōu)越的力學(xué)性能和透水性能。

2.3 砂率對(duì)透水混凝土的影響

圖4為砂率對(duì)混凝土性能的影響。圖4數(shù)據(jù)顯示，透水混凝土的孔隙率和透水系數(shù)隨著砂率的增加不斷減小，抗壓強(qiáng)度則隨著砂率的增加而增大。分析原因?yàn)?，?dāng)砂率為0時(shí)，由水泥和水組成的水泥漿體在粗骨料之間形成漿體層。由于水泥漿體中水泥粒徑很小，可以充分填補(bǔ)粗骨料之間的孔隙，故此時(shí)孔隙率和透水系數(shù)最大，而由于整體水泥漿體的量最少，不能在粗骨料之間形成充分的漿體層，粗骨料之間的黏結(jié)性能較差，故此時(shí)抗壓強(qiáng)度最低。隨著砂率的提高，水泥漿體中由于砂的加入，無法填補(bǔ)較小的孔隙，此時(shí)透水混凝土試件的孔隙率和透水系數(shù)會(huì)隨之降低。而由于砂率的增加，水泥砂漿的量也越來越大，粗骨料之間可以形成充分的水泥砂漿層，故抗壓強(qiáng)度隨之提高。

(a) 孔隙率

對(duì)砂率與混凝土性能的關(guān)系進(jìn)行擬合,其中，砂率與孔隙率的擬合關(guān)系如式(7)所示；砂率與透水系數(shù)的擬合關(guān)系如式(8)所示；砂率與抗壓強(qiáng)度的擬合關(guān)系如式(9)所示。

(7)

kpc=3.1-0.4Sp

(8)

σpc=26.5+2Sp

(9)

式中:Ppc為試件的孔隙率；kpc為試件的透水系數(shù)；σpc為試件的28 d抗壓強(qiáng)度；Sp為試件的砂率。

2.4 骨料級(jí)配對(duì)透水混凝土的影響

不同骨料集配對(duì)透水混凝土性能的影響結(jié)果見圖5，隨著混凝土5～10 mm 的骨料含量(ρ5-10)增加，透水混凝土的透水系數(shù)和孔隙率先增大后降低，抗壓強(qiáng)度先降低后增大[13]。5～10 mm和10～16.5 mm骨料的混凝土搭配使得到的混凝土性能較為優(yōu)越。5～10 mm混凝土能夠增加骨料之間的結(jié)合密實(shí)度，但也會(huì)影響孔隙率，從而降低混凝土透水性能。10～16.5 mm骨料增加會(huì)增加孔隙率，并增加混凝土的透水性能，但也會(huì)影響混凝土的強(qiáng)度。通過以上分析并對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2種型號(hào)的碎石較為均衡時(shí)，混凝土具有較為平衡的性能，若需要較好的力學(xué)性能則適當(dāng)增加小粒徑的粗骨料，若需要較好的透水性能則可增加大粒徑粗骨料。

(a) 孔隙率

對(duì)5～10 mm粒徑粗骨料含量與混凝土性能的擬合關(guān)系見式(10)～(12)。

Ppc=18.4+0.15ρ5-10-0.01ρ5-102+

0.000 06ρ5-103

(10)

kpc=3.496-0.03ρ5-10-0.002ρ5-102+

0.000 01ρ5-103

(11)

σpc=26.37+0.096ρ5-10-8.4ρ5-102

(12)

式中：Ppc為試件的孔隙率；kpc為試件的透水系數(shù)；σpc為試件28 d抗壓強(qiáng)度；ρ5-10為試件中5～10 mm粒徑粗骨料的含量。

2.5 水灰比對(duì)透水混凝土的影響

不同水灰比對(duì)混凝土性能的影響結(jié)果見圖6。圖6為水灰比對(duì)混凝土性能影響。隨著水灰比增加，透水混凝土的孔隙率不斷增大?；炷恋耐杆阅芘c抗壓性能隨著水灰比增大呈先增大后減小趨勢(shì)。當(dāng)水灰比含量為27%時(shí)，透水混凝土試件的透水系數(shù)和抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，分別為3.1 mm/s和29.3 MPa。隨著水灰比的增大，水泥漿體的流動(dòng)度也不斷增加。當(dāng)較大水灰比的水泥漿體加入到粗骨料中后，隨著水泥漿體的流動(dòng)以及靜壓成型過程的進(jìn)行，越來越多的水泥漿體流動(dòng)到透水混凝土試件的底部，此時(shí)雖然透水混凝土試件的孔隙率得到了提高，不過由于大部分水泥降低沉積在試件底部，堵塞了孔道，導(dǎo)致了透水系數(shù)的不斷降低。且隨著水灰比的增大，透水混凝土試件底部的水泥漿體越來越多，試件上部的水泥漿體越來越少，試件的抗壓強(qiáng)度也隨水灰比的增大而先提高后不斷降低。

(a) 孔隙率

對(duì)水灰比與混凝土性能的關(guān)系進(jìn)行擬合，其中，水灰比與孔隙率的擬合關(guān)系見式(13)；水灰比與透水系數(shù)的擬合關(guān)系見式(14)；水灰比與抗壓強(qiáng)度的擬合關(guān)系見式(15)。

Ppc=4.8-0.63(w/c)-0.01(w/c)2-

0.000 07(w/c)2

(13)

kpc=-17.6+1.75(w/c)-0.05(w/c)2+

0.000 04(w/c)3

(14)

σpc=-54.3+7.31(w/c)-0.21(w/c)2+

0.002(w/c)3

(15)

式中：Ppc為試件的孔隙率；kpc為試件的透水系數(shù)；σpc為試件28 d抗壓強(qiáng)度；w/c為試件的水灰比。

綜上，當(dāng)水灰比在0.27～0.3時(shí)，混凝土具有較好的透水性能與抗壓性能。

3 結(jié)論

1) 手工振搗制作的混凝土孔隙率與透水系數(shù)較高，但抗壓強(qiáng)度達(dá)到不要求。機(jī)械振搗+靜壓得到的混凝土透水與力學(xué)性能為最佳。

2) 適當(dāng)增加機(jī)械振搗時(shí)間能夠改善混凝土的透水性能與力學(xué)性能。但是，振搗時(shí)間過長會(huì)降低混凝土的性能，本試驗(yàn)的最佳振搗時(shí)間為8～12 s。

3) 透水混凝土的孔隙率和透水系數(shù)隨著砂率的增加不斷減小，抗壓強(qiáng)度則隨著砂率的增加而增大。

4) 骨料粒徑的搭配對(duì)混凝土性能的影響較為明顯，增加小粒徑骨料能提高其力學(xué)性能，增加大粒徑骨料能提高其透水性能。2種型號(hào)的碎石較為均衡時(shí)，混凝土具有較為平衡的性能。若需要較好的力學(xué)性能，則適當(dāng)增加小粒徑的粗骨料，若需要較好的透水性能,則可增加大粒徑粗骨料。

5) 水灰比增加，透水混凝土的孔隙率增大，透水性能與抗壓性能則先增大后減小。水灰比在0.27～0.3時(shí)，混凝土具有較好的透水性能與抗壓性能。