李秀飛

（中核華泰建設(shè)有限公司 深圳 518055）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)以及受氣候變化影響，城市內(nèi)澇問(wèn)題日益凸顯。海綿城市理念作為系統(tǒng)性水資源優(yōu)化調(diào)配理論受到廣泛重視，并在國(guó)內(nèi)多個(gè)城市和項(xiàng)目中應(yīng)用［1］。海綿城市要求人行道、停車(chē)場(chǎng)和廣場(chǎng)的透水鋪裝率不低于50%，公共區(qū)域甚至要達(dá)到70%［2］。城市透水路面是海綿城市建設(shè)的重要組成要素，透水材料性能直接影響到雨水的下滲能力。透水混凝土與常規(guī)混凝土相比具有多孔特點(diǎn)，多孔性在增加透水能力的同時(shí)會(huì)造成混凝土力學(xué)強(qiáng)度下降。要同時(shí)滿(mǎn)足強(qiáng)度和透水性要求，透水混凝土的水泥用量相對(duì)較高，但水泥用量偏高時(shí)多余的漿體在影響滲透性的同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致透水混凝土路面產(chǎn)生早期裂縫。作為建設(shè)海綿城市的重要綠色建筑材料，國(guó)內(nèi)大量市政工程都設(shè)計(jì)有透水混凝土路面；如何在提高透水混凝土強(qiáng)度、透水性能（連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)）的前提下，同時(shí)減少透水混凝土的工程成本，是目前大多數(shù)工程需要解決的問(wèn)題。

對(duì)透水混凝土性能的改進(jìn)，可通過(guò)在微觀尺度上改善骨料之間的黏結(jié)強(qiáng)度和接觸面積，從而提升透水混凝土的工作性能。外加劑是影響透水混凝土性能的主要因素［3-4］。聚羧酸減水劑作為新一代減水劑，具有環(huán)保無(wú)污染、摻量少減水率高的特點(diǎn)，聚羧酸減水劑在水泥中的作用機(jī)理以靜電斥力作用、空間位阻效應(yīng)以及水化膜潤(rùn)滑作用為主［5］。目前，日本、德國(guó)等國(guó)家生產(chǎn)的聚羧酸系減水劑質(zhì)量穩(wěn)定，用量已占到其國(guó)內(nèi)減水劑總量的60%以上［6］。王玲等人［6-10］研究了聚羧酸減水劑對(duì)混凝土性能影響。現(xiàn)有對(duì)透水混凝土的研究主要集中在骨料級(jí)配、外加劑用量等因素的影響，基于工程實(shí)際需求，系統(tǒng)考慮透水混凝土目標(biāo)性能與設(shè)計(jì)參數(shù)、最優(yōu)孔隙率及減水劑摻量的研究較少。

本文結(jié)合具體工程實(shí)例探討透水混凝土最佳設(shè)計(jì)孔隙率、最優(yōu)減水劑摻量的確定方法，在滿(mǎn)足透水性能前提下保證強(qiáng)度最大原則，提升透水混凝土應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性。

1 技術(shù)路線(xiàn)

本研究對(duì)透水混凝土摻加聚羧酸高性能減水劑時(shí)強(qiáng)度、透水性能（連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)）進(jìn)行研究，技術(shù)路線(xiàn)為：

⑴ 擬定5 組設(shè)計(jì)孔隙率10.0%、12.5%、15.0%、17.5%、20.0%，計(jì)算理論配合比。

⑵按照各配合比制作試件，開(kāi)展試驗(yàn)，測(cè)定對(duì)應(yīng)不同設(shè)計(jì)孔隙率的強(qiáng)度、連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)。

⑶根據(jù)透水混凝土路面的性能指標(biāo)要求，滿(mǎn)足透水性前提下盡量保證強(qiáng)度最大，確定最優(yōu)孔隙率。

⑷選定水泥凈漿流動(dòng)度，測(cè)定對(duì)應(yīng)不同減水劑摻量的減水率。

⑸以最優(yōu)孔隙率為基準(zhǔn)，分別探討保持水泥用量不變及減少水泥用量保持水膠比不變兩種情況下，減水劑對(duì)透水混凝土性能的影響。

⑹根據(jù)透水混凝土路面性能指標(biāo)要求，綜合考慮透水性及強(qiáng)度要求，確定水泥用量及減水劑摻量。

2 配合比計(jì)算

2.1 性能參數(shù)

該道路設(shè)計(jì)圖紙對(duì)透水混凝土路面的主要性能要求如表1、表2所示。

表2 集料性能指標(biāo)Tab.2 Aggregate Performance Index

2.2 基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)步驟

原材料種類(lèi)及性能如下：PO42.5 水泥的表觀密度為3 000 kg/m3；碎石為5～10 mm，級(jí)配合格，表觀密度2 700 kg/m3，堆積密度1 550 kg/m3；外加劑為混凝土聚羧酸高性能減水劑（液體），含固量20%，廠家建議普通混凝土摻量1.8%，拌和用水為自來(lái)水。以上材料經(jīng)檢檢均合格。

2.3 拌和及成型工藝

本次試驗(yàn)拌和選用預(yù)拌水泥凈漿法；采用王敏等人［11］的擊實(shí)法成型，該方法可保障透水混凝土透水率，同時(shí)提升力學(xué)性能。成型24 h 后拆模置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)。

2.4 理論配合比計(jì)算

配合比設(shè)計(jì)根據(jù)《透水混凝土路面技術(shù)規(guī)程：CJJ/T 135—2009》［12］進(jìn)行：

⑴計(jì)算單位體積粗骨料用量

式中：Wg為1 m3透水混凝土中粗骨料質(zhì)量（kg）；ρs'為粗骨料緊密堆積密度（kg/m3）；α為粗骨料用量修正系數(shù)，取0.98。

⑵計(jì)算膠結(jié)料漿體體積

式中：Vp為1 m3透水混凝土中膠結(jié)料漿體體積（水、砂與膠凝材料的混合物的漿體體積）（m3）；α為粗骨料用量修正系數(shù)，取0.98；Rvoid為設(shè)計(jì)孔隙率（%）；νg為粗骨料緊密堆積空隙率（%）；ρs'為粗骨料緊密堆積密度（kg/m3）；ρs為粗骨料表觀密度（kg/m3）。

⑶計(jì)算單位體積膠凝材料用量

式中：mb為1 m3透水混凝土中膠凝材料（水泥+摻合料）質(zhì)量，路面透水混凝土約為300～450 kg；mc為1 m3透水混凝土中水泥質(zhì)量；mf為1 m3透水混凝土中摻合料質(zhì)量；mw為1 m3透水混凝土中水的質(zhì)量；βf為礦物摻合料的取代率（%）；RW/C為水膠比；ρp為水泥漿液密度；ρc、ρw為水泥、水的密度；

⑷計(jì)算單位體積用水量

式中：mw為1 m3透水混凝土中水的質(zhì)量（kg）。

⑸計(jì)算外加劑用量

式中：ma為1 m3透水混凝土中外加劑用量（kg）；Rs為外加劑的摻量（%）。

⑹根據(jù)各材料的計(jì)算用量進(jìn)行試拌，當(dāng)透水混凝土表面具有金屬光澤且經(jīng)振動(dòng)后漿體不堆積為宜。

⑺根據(jù)試拌情況調(diào)整各材料的用量，確定最終配合比。

⑻配合比設(shè)計(jì)計(jì)算

求解設(shè)計(jì)孔隙率10%，水膠比0.3 時(shí)的計(jì)算配合比。文獻(xiàn)［12］建議水膠比選擇范圍控制在0.25～0.35，根據(jù)摻配試驗(yàn)選定為0.3。

原材料種類(lèi)及性能如下：42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，表觀密度為3 000 kg/m3；Ⅰ級(jí)粉煤灰，表觀密度為2 250 kg/m3；石灰?guī)r碎石：5～10 mm，級(jí)配合格，表觀密度2 700 kg/m3，堆積密度1 550 kg/m3。

由式⑴～式⑼可得設(shè)計(jì)孔隙率0.1 對(duì)應(yīng)的各材料配合比，同理可計(jì)算出對(duì)應(yīng)孔隙率0.125、0.150、0.175、0.200對(duì)應(yīng)的配合比，如表3所示。

表3 透水混凝土配合比Tab.3 Pervious Concrete Mix Ratio

3 透水混凝土試驗(yàn)

3.1 確定不加減水劑情況下的最優(yōu)配合比

未添加減水劑情況下，透水混凝土強(qiáng)度、連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)與設(shè)計(jì)孔隙率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)系如圖1～圖3所示。

圖1 設(shè)計(jì)孔隙率-強(qiáng)度關(guān)系Fig.1 Designed Porosity - Strength Relationship

圖2 設(shè)計(jì)孔隙率-連續(xù)孔隙率關(guān)系Fig.2 Designed Porosity - Continuous Porosity Relationship

圖3 設(shè)計(jì)孔隙率-透水系數(shù)關(guān)系Fig.3 Designed Porosity - Permeability Coefficient Relationship

試驗(yàn)結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)孔隙率為12.5%時(shí)，透水混凝土的連續(xù)孔隙率為15%，透水系數(shù)為0.843，滿(mǎn)足連續(xù)孔隙率≥10%、透水系數(shù)≥0.5 的透水性能要求，此時(shí)抗壓強(qiáng)度為34.69 MPa，滿(mǎn)足≥30.0 MPa 強(qiáng)度要求。透水混凝土強(qiáng)度隨著孔隙率增大而降低，根據(jù)強(qiáng)度最大原則，設(shè)計(jì)孔隙率12.5%為最優(yōu)孔隙率。

在試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)拌和料水分丟失過(guò)快，僅1 h左右，拌和料表面水泥漿水分即丟失嚴(yán)重，表面呈干硬狀態(tài)，雖然試驗(yàn)室試塊能順利成型，但無(wú)法滿(mǎn)足施工現(xiàn)場(chǎng)施工工序時(shí)長(zhǎng)要求。一方面是由于透水混凝土的多孔性造成水分散失速度比常規(guī)混凝土快，另一方面應(yīng)該和拌和配合比中水泥用量超過(guò)了推薦用量300～450 kg 有關(guān)。因此，需要添加聚羧酸高性能減水劑改善透水混凝土混合料性能。

3.2 聚羧酸高性能減水劑摻量對(duì)強(qiáng)度、連續(xù)孔隙率及滲水系數(shù)的影響

3.2.1 水泥用量不變，減少用水量

選定最優(yōu)設(shè)計(jì)孔隙率（12.5%）、水膠比0.3，研究保持水泥用量不變的前提下，加入減水劑減少用水量對(duì)透水混凝土強(qiáng)度、連續(xù)孔隙率及滲水系數(shù)性能的影響。減水劑摻量選取0.0%、0.9%、1.5%、2.1%、2.7%共5種摻量。

以235 mm 作為水泥凈漿流動(dòng)度標(biāo)準(zhǔn)值，采用水泥凈漿流動(dòng)度試驗(yàn)，測(cè)得減水劑摻量為0.9%、1.5%、2.1%、2.7% 時(shí)，減水率分別為0.275、0.300、0.325、0.340。結(jié)合前述計(jì)算方法，得到對(duì)應(yīng)減水劑摻量0.0%、0.9%、1.5%、2.1%、2.7%的5 組配合比（見(jiàn)表4）?？梢?jiàn)，隨著減水劑摻量的增加和用水量的減少，水膠比逐漸減少。

表4 透水混凝土配合比Tab.4 Pervious Concrete Mix Ratio

添加減水劑后，透水混凝土強(qiáng)度、連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與減水劑摻量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)系如圖4～圖6所示。

圖4 減水劑摻量-強(qiáng)度關(guān)系Fig.4 Water Reducer Content - Strength Relationship

圖5 減水劑摻量-連續(xù)孔隙率關(guān)系Fig.5 Water Reducer Content - Continuous Porosity Relationship

圖6 減水劑摻量-透水系數(shù)關(guān)系Fig.6 Water Reducer Content - Permeability Coefficient Relationship

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著減水劑的增加，同時(shí)減少相應(yīng)用水量，透水混凝土的7 d 及28 d 強(qiáng)度均有明顯的增加，7 d 抗壓強(qiáng)度從28.54 MPa 漸變至37.08 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度從34.69 MPa 漸變至43.25 MPa，同時(shí)連續(xù)孔隙率從15%增大至16.7%，透水系數(shù)從0.843 增大至0.924。由此可見(jiàn)，保持水泥用量不變的前提下加入減水劑，各組配合比均滿(mǎn)足透水混凝土性能指標(biāo)要求，從工程經(jīng)濟(jì)性角度考慮，有必要進(jìn)一步探討加入減水劑、減少水泥用量下的透水混凝土性能。

3.2.2 同時(shí)減少水泥用量和用水量

按5%、10%、15%、20%減少配合比中水泥的用量，按照減水劑摻量0.9%、1.5%、2.1%、2.7%計(jì)算減水劑用量，保持水灰比不變，得到5組配合比（見(jiàn)表5）。

表5 透水混凝土配合比Tab.5 Pervious Concrete Mix Ratio

水泥用量逐步減少后，透水混凝土強(qiáng)度、連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與水泥減少百分率的關(guān)系如圖7～圖9所示。

圖7 水泥減少百分率-強(qiáng)度關(guān)系Fig.7 Cement Reduction Percentage - Strength Relationship

圖8 水泥減少百分率-連續(xù)孔隙率關(guān)系Fig.8 Cement Reduction Percentage - Continuous Porosity Relationship

圖9 水泥減少百分率-透水系數(shù)關(guān)系Fig.9 Cement Reduction Percentage - Permeability Coefficient Relationship

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著水泥用量的減少和減水劑的增加，在水膠比保持0.3不變前提下，透水混凝土的7 d及28 d強(qiáng)度均有明顯的降低，7 d抗壓強(qiáng)度從35.85 MPa減小至30.06 MPa，28 d 抗壓強(qiáng)度從41.87 MPa 漸變至35.02 MPa，同時(shí)連續(xù)孔隙率從16.7%增大至17.9%，透水系數(shù)從0.924 增大至1.043。這是因?yàn)橥杆炷了嘤昧繙p少時(shí)，填充混凝土內(nèi)部空隙的漿體減少，孔隙增多，增加了混凝土的滲透性。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，水泥用量減少15%情況下，強(qiáng)度、連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)滿(mǎn)足性能要求。

4 試驗(yàn)結(jié)果及經(jīng)濟(jì)性分析

加入聚羧酸高性能減水劑能減少透水混凝土的水泥用量并增大滲透性，同時(shí)提升拌和料的粘聚性、保水性，骨料間出現(xiàn)明顯的拉絲現(xiàn)象，拌和料放置2.5 h 仍呈現(xiàn)濕潤(rùn)及明顯的金屬光澤，如圖10所示。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)加入減水劑后能使水泥用量在推薦用量300～450 kg 內(nèi)。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)7 d 強(qiáng)度均超過(guò)了28 d 強(qiáng)度的80%，應(yīng)該是拌和料中水泥用量較普通混凝土高及成型后孔隙率較大，養(yǎng)生時(shí)水分能進(jìn)入內(nèi)部造成。

圖10 混合料拌合效果Fig.10 Mixture Mixing Effect

該P(yáng)O42.5 水泥市場(chǎng)報(bào)價(jià)為540 元/t；混凝土聚羧酸高性能減水劑（液體），含固量20%，市場(chǎng)報(bào)價(jià)為1 800元/t。僅摻加水泥時(shí)，單方水泥用量為493.275 kg，透水混凝土單價(jià)為441.47 元/m3；水泥用量減少15%時(shí)，每m3透水混凝土減少的水泥用量為73.991 kg，費(fèi)用為39.955元；增加的聚羧酸高性能減水劑為10.359 kg，費(fèi)用為18.646 元，減少的水量費(fèi)用忽略不計(jì)，在提高透水混凝土的各項(xiàng)性能的同時(shí)能減少4.22%的工程成本。

5 結(jié)論

聚羧酸高性能減水劑的作用極大程度地改善了新拌透水混凝土的物理性能。加入聚羧酸高性能減水劑可以顯著降低透水混凝土單方用水量，降低水膠比，在同等膠材用量下，相當(dāng)于提高了混凝土強(qiáng)度等級(jí)；或在保證強(qiáng)度等級(jí)不變的前提下，節(jié)省膠材用量，降低生產(chǎn)成本。

聚羧酸高性能減水劑對(duì)水泥性能的影響存在多重作用，使用減水劑相比于未加入減水劑的透水混凝土透水性有一定的提高。

透水混凝土孔隙率大，水分散失快，水泥漿體因過(guò)于干燥而不易均勻包裹在骨料表面，骨料之間粘結(jié)不牢，不利于強(qiáng)度的提高。聚羧酸高性能減水劑的加入使得透水混凝土路面施工時(shí)不致水分過(guò)早流失，保證透水混凝土的粘聚性及保水性，不容易出現(xiàn)泌水離析等現(xiàn)象，保證施工各工序時(shí)長(zhǎng)要求。

試驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)聚羧酸減水劑對(duì)骨料含泥量要求較高，施工中應(yīng)重點(diǎn)控制；聚羧酸減水劑為高效減水劑，摻量低，施工中應(yīng)計(jì)量準(zhǔn)確；施工中應(yīng)嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行充分拌和。

本文確定透水混凝土配合比及減水劑摻量的方法可為類(lèi)似工程提供借鑒。