透水混凝土抗堵塞性能室內模擬實驗研究

張 晶

(河北省子牙河務中心，河北 衡水 053000)

透水混凝土是一種經過特殊工藝制成的存在連續性孔隙的生態環保型混凝土，其不僅具有一定的強度，還具有一定的透氣性和透水性[1]。目前，透水混凝土已經廣泛應用于市政和水利工程領域的透水鋪裝，具有良好的社會效益、環境效益和生態效益[2]。顯然，透水混凝土的廣泛應用主要是因為其在能夠滿足強度要求的情況下，具有良好的透水和透氣性能[3]。但是，透水混凝土的孔隙一旦被堵塞，其上述屬性就會顯著下降[4]。在水利工程中，河道行洪和地表徑流中往往會夾帶大量的泥沙，其中的細小顆粒會隨著水流進入透水混凝土造成堵塞，進而影響到透水混凝土生態性能的有效發揮[5]。目前，國內外關于透水混凝土透水性能的研究尚處于起步階段，相關研究并不全面和完善[6]。基于此，此次研究通過室內試驗的方式，將我國北方地區的表層粉土制作的泥漿作為堵塞介質，通過多次淋泥—晾干循環，測定透水混凝土透水性能的衰減規律和特點，以便為透水混凝土的工程應用與后期維護提供必要的支持和幫助。

1 試驗設計

1.1 透水混凝土試件的制備

制備透水混凝土的原材料主要有粗集料、水泥、摻合料以及各種外加劑[7]。結合當前透水混凝土鋪裝的工程經驗和此次試驗目的，此次研究采用的粗集料是粒徑為5～10 mm的石灰巖碎石，其表觀密度為2.665 g/cm3、孔隙率為37.89%、壓碎值為8.6%，各項指標均滿足實驗要求；試驗用水泥為本溪市紅星建材有限責任公司出品的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其化學成分和技術指標符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的相關要求；試驗中使用的外加劑為山東華志混凝土有限公司生產的氨基磺酸鹽系高效減水劑，減水率為20%～30%。

為了研究不同孔隙率混凝土的抗堵塞性能，研究中設計了10%和15%兩種不同目標孔隙率[8]。其中，10%目標孔隙率的透水混凝土水泥用量為409 kg/m3、水用量為147 kg/m3；15%目標孔隙率的透水混凝土水泥用量為335kg/m3、水用量為121kg/m3；粗集料和減水劑的用量均為1622kg/m3和0.8%。透水混凝土的制備采用一次投料法[9]。將稱量好的各種原材料一起加入攪拌設備，共同攪拌3min，將攪拌好的混凝土料裝入尺寸為100mm×100mm的圓柱形試模內，限用鋼筋進行初步插搗，然后用平板振搗機進行低頻振搗[10]。將制作完成的透水混凝土試件在自然條件下放置48h拆模，然后置于標準養護室內養護至28d齡期。

1.2 堵塞材料

試驗中選擇北方地區道路積水部位的表層粉土作為堵塞材料的土樣。對取得的土樣利用4.75mm的方孔篩進行篩分，去除其中的大顆粒、樹葉、枯草等雜質。將篩分后的土樣放在溫度為105℃的烘干箱內烘干至恒重后取出冷卻至室溫。取出500g土樣倒入容積為10L的圓柱形容器中，加入5L自來水浸泡2h，其中每間隔20min充分攪拌2min，然后去除容器底部的沉淀物，形成飽和懸濁液。將飽和懸濁液澆撒在透水混凝土試件上，在進入試件內部的孔隙之后，部分懸浮液會吸附在透水混凝土內部孔隙的孔壁上，在陰涼干燥后再進行下一組循環試驗。

1.3 試驗設計

降雨形成的泥漿是自然工況下透水混凝土材料內部堵塞的主要因素[11]。結合我國的氣候特點，以一次“淋泥—晾干”循環模擬一次暴雨過程，在進行5次循環試驗之后測定一次透水混凝土試件的透水指標，試驗過程中進行25次完整的試驗循環。具體的試驗步驟如下：首先，對養護完畢的試件測定初始透水速率系數，晾干備用；然后，將制備的飽和懸濁液均勻淋灑在試件的迎水面，每個試件每循環淋撒3L飽和懸濁液；最后，將淋撒過后的試件在室溫20℃的條件下晾干，再進行下一個循環的試驗，每完成5個試驗循環進行一次透水指標的測定。試驗中試件的透水系數測定采用的是南通市測量儀器儀表廠生產的SL 352—01滲透系數測定儀，該儀器主要由試件密封容器和水壓穩定平衡兩大系統組成，測量誤差在5%以內，完全可以滿足試驗測定要求[12]。試驗過程可以完全實現自動化，在試驗時將待測試件側面進行蠟封處理，之后安裝在儀器下方硅膠筒內，試驗結束后自動生成和存儲相關實驗數據。

2 試驗結果與分析

按照上節的試驗方法，對兩種不同孔隙率透水混凝土試件在0、5、10、15、20和25次試驗之后的透水性指標進行測試，結果見表1。由試驗結果可知，隨著循環試驗次數的不斷增加，透水混凝土試件的各項指標值呈現出逐漸下降的特點，這說明在試驗過程中由于泥漿向混凝土內部滲透，逐漸造成內部孔隙的堵塞。在經過25次循環試驗之后，10%孔隙率透水混凝土的透水系數下降至0.57mm/s；而15%孔隙率透水混凝土在25次循環試驗之后的透水系數也下降至0.39mm/s。與初始透水系數相比均有十分顯著的下降，說明透水混凝土的透水性能大幅降低。

表1 透水混凝土試件透水性指標試驗結果

按照CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術規程》的相關規定，透水混凝土在15℃條件下的透水系數不低于0.50mm/s，由于本次試驗的溫度條件為20℃，按照水的動力黏滯系數進行計算，在20℃條件下，透水混凝土的透水系數不低于0.59mm/s。由此可見，在進行25次循環試驗之后，兩種不同孔隙率的透水混凝土的透水系數均不滿足相關要求，也就是已經基本失去透水能力。

為了進一步分析透水性能隨循環試驗的變化規律，利用試驗數據，繪制出如圖1和圖2所示的透水速率系數和透水系數兩個主要指標隨循環試驗次數的變化曲線。由此可知，透水混凝土的透水指標衰減與循環試驗次數之間具有較高的相關性。總體來看，15%孔隙率透水混凝土的指標衰減相對較快。究其原因，主要是透水混凝土內部孔隙較多時，在試驗過程中孔隙內部所附著的顆粒數量也較大，因此造成連通孔隙的堵塞現象更為明顯。

圖1 透水速率系數隨循環試驗次數變化曲線

圖2 透水系數隨循環試驗次數變化曲線

利用試驗結果，對兩種不同目標孔隙率透水混凝土試件在不同循環試驗次數下的透水性指標損失率進行計算，結果見表2。由計算結果可知，對于15%孔隙率透水混凝土而言，要滿足20℃條件下0.59mm/s的透水系數要求，其對應的試驗循環次數為20次，此時的透水系數損失率為67.57%，透水速率系數為0.49%；對于10%孔隙率透水混凝土而言，要滿足20℃條件下0.59mm/s的透水系數要求，其對應的試驗循環次數為15次，此時的透水系數損失率為39.05%，透水速率系數為0.47%。總之，對于水利和市政工程中常用的10%和15%孔隙率透水混凝土而言，在經歷15～20次雨洪泥漿堵塞循環之后，其透水性將大幅降低，難以滿足相關工程規范關于透水性的最低要求。如果要延長其服役期限，充分發揮其生態屬性和價值，建議在透水混凝土施工過程中采用便于更換的透水磚，同時下層的透水粒料也需要具有一定的反濾功能。此外，在透水混凝土鋪裝的服役期，還應該采取必要的清洗措施。

表2 透水混凝土試件透水性指標損失率計算結果

3 結論

雨洪徑流中攜帶的泥沙顆粒沉積會對透水混凝土的透水性造成十分顯著的影響。此次研究通過室內模擬試驗的方式，對透水混凝土抗堵塞性能展開研究，獲得雨洪泥漿堵塞作用對透水混凝土透水性的影響規律，并提出了相應的工程施工和維護建議，對透水混凝土的工程施工和后期維護工作具有重要的指導價值。當然，城鎮地區河道治理工程是水工領域透水混凝土應用的主要場景，因此其堵塞源的成分比較復雜，不僅包括表層土的沖淤，還包括工業粉塵、汽車輪胎磨損粉末等，在后續研究中需要選擇更符合城市河道徑流中懸浮顆粒特征的堵塞物質進行研究，以提高研究成果的科學性和準確性。