透水性混凝土的制備及性能研究

徐柳 葉海華 （天津開發區建設工程試驗中心 天津300456）

透水性混凝土的制備及性能研究

徐柳 葉海華 （天津開發區建設工程試驗中心 天津300456）

透水性混凝土是一種新型環保型混凝土，它具有較大的孔隙率，能將雨水迅速滲入地表，同時將水流中的污染微粒沉淀下來，起到凈化水質的作用；透水性混凝土能吸聲降噪，增加車輛行駛及路人行走的安全性和舒適性。研究了水灰比、骨灰比和粉煤灰摻量對透水性混凝土抗壓強度、孔隙率及透水系數的影響。

透水性混凝土 透水系數 粉煤灰 抗壓強度

0 引言

透水混凝土是一種經過特殊工藝制成的具有連續空隙的混凝土，它具有一定的強度，又具有透水性，是一種新型環保性混凝土，它能把雨水迅速滲入地表，同時能凈化水質；透水混凝土能吸聲降噪，增加車輛行駛及路人行走的安全性和舒適性，使環境更干凈、清涼、舒適。在歐美、日本等發達國家的研究比較深入，也達到了應用的程度。20世紀90年代以來，國內對透水性混凝土路面材料開始進行研究并取得了一定的成果。[1-6]目前國內研究主要是在保證透水系數的情況下提高強度，以及研究各項的影響因素。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

1.1.1 水泥 唐山京東水泥有限公司生產的“京唐”牌P.O42.5級水泥，其物理力學性能指標見表1。

表1 水泥的物理性能

1.1.2 粗集料 粒徑為5～10 mm的單一粒級的碎石，碎石的物理性能見表2。

表2 碎石的物理性能

1.1.3 粉煤灰 為了進一步改善粘附在粗集料上的漿體的流動性，另一方面降低成本，取得更好的經濟效益，本實驗通過摻入適量的粉煤灰來制備透水性混凝土。

1.1.4 高效減水劑 減水劑能減少水泥漿體中孔隙率，提高水泥漿體的強度，對透水性混凝土的強度及其他性能有較大影響。本實驗采用天津飛龍外加劑廠生產的羧酸高效減水劑，減水率為20%，最佳摻量為1.2%。

1.1.5 拌合水 采用一般潔凈自來水即可。

1.2 試驗方法

1.2.1 配合比設計 配合比設計的原則是將集料顆粒表面用水泥漿包裹，并將集料顆粒互相粘結起來，形成一個整體，具有一定的強度，將集料之間的空隙填充密實。

1.2.2 制備 許多研究表明：在孔隙率相差不多的情況下，采用水泥裹石法時，多孔混凝土的抗壓強度較高。[7]所以本實驗采用的攪拌方法為兩次加料法，振動成型。

1.2.3 養護 由于粉煤灰具有很高的潛在水硬性，所以采用濕熱養護就可以完全達到28天標準養護所要求的物理力學性能指標。[7]

圖1 簡易透水性測定裝置

1.2.4 透水系數的測定 測定透水系數采用簡易透水性測定裝置（見圖1），上下兩端均為開口的透明方框，斷面形狀與試件的斷面形狀相同，正面有刻度。測量前先將試件四周用蠟封好，然后將透水儀方框置于試件上，方框和試件之間接縫用蠟密封好，接著向方框中加水超過200 mm，水通過試件滲漏，當水平面下至刻度為160 mm時起開始計時為t0，水平面下降至140 mm時的時間為tl，方框中的水全部滲漏完畢時的時間為t。

透水系數分為變水位系數和定水位透水系數兩種，分別計算如下:

其中Tl為平均在150 mm時的定水位透水系數，T2為水位從160 mm變化到零過程中的平均透水系數。

1.2.5 抗壓強度的測定 按《普通混凝土力學性能測試方法》GB/T50081-2002，在微機控制全自動壓力試驗機上進行測定。

2 實驗結果與分析

2.1 水灰比對透水性混凝土性能的影響

透水性混凝土的結構示意圖[8]如圖2所示。

圖2 透水性混凝土的內部空隙結構模型

設：透水混凝土粗集料的孔隙體積為V，水泥漿的體積為VC，VP1為透水混凝土的宏觀孔隙率，在量上存在如下關系式：VP1=V-VC；VP2為透水混凝土水泥石中的孔隙率，該孔隙率主要取決于水灰比；模型的邊長為單位1，透水混凝土的宏觀孔隙的截面積為S1，透水混凝土水泥石中的孔隙截面積為S2。

根據T.C.Hansen的孔隙率理論，[9]混凝土的強度主要取決于孔隙率，即：

其中，f為透水混凝土的強度，f0為孔隙水泥石的強度，用孔隙率帶入（1）得：

其中，k1、k2為常數。

本實驗1 m3混凝土的水泥用量為320 kg、5～10 mm的碎石1 600 kg，通過調整用水量，研究了水灰比分別為：0.24、0.26、0.28、0.30、0.32、0.34 時，透水性混凝土的性能。為了使水泥漿有較好的流動性，制備時加入適量高效減水劑，減水劑的摻入量為水泥用量的1.2%。實驗結果見表3。

表3 水灰比對透水性混凝土性能的影響

從表3和圖3可以看出：當透水性混凝土的水灰比小時，混凝土的強度隨水灰比的增大而增大。從實驗過程和對實驗現象的觀察發現，當水灰比較小時，水泥漿的流動性較小，水泥漿不能完全均勻地包裹在骨料的表面，致使骨料間形成不連續的膠結層，骨料間的粘結強度也就較低，隨著水灰比的增大，有效地降低了此現象。當水灰比增大到0.28時，強度最高，達17.45 MPa，當水灰比繼續增大時，透水性混凝土的強度開始降低。當水灰比最佳時，骨料表面包裹了一層完整的膠結層，膠結層的強度較高，因而透水性混凝土的強度也最高；當水灰比大于0.28時，水泥漿的流動度就過大，振動成型時，水泥漿在振動外力及自身重力的作用下會從集料表面滑落到骨料間的孔隙中，占據部分孔隙，骨料間的粘結減弱，一部分漿體流到試塊的底部，使試件底部孔隙堵塞更加嚴重，但增強了試塊底部骨料間的粘結，這樣就形成底部較密實，上部疏松的不均勻結構，致使透水性混凝土的強度較低。

圖3 水灰比對透水性混凝土性能的影響

2.2 骨灰比對透水性混凝土性能的影響

在骨料強度、級配基本相同的情況下，多孔混凝土的抗壓強度主要受骨料與水泥漿體間的粘結強度的影響，而水泥漿體的強度和界面厚度則嚴重影響著界面粘結強度。水泥漿體的抗壓強度主要由水灰比決定，在一定水灰比下，水泥用量的增大使得界面厚度增大，粘結面積以及粘結點的數量增加，從而提高界面的粘結，對混凝土強度的提高是有利的，但另一方面會造成孔隙率的降低，對混凝土的透水性不利，因此應選擇恰當的水泥用量。[10]本實驗在采用基準配合比的基礎上，水灰比為0.28。改變骨灰比為 4.71、4.85、5、5.16，即 1 m3混凝土的水泥用量分別為 340 kg、330 kg、320 kg、310 kg，實驗結果見表 4。

表4 骨灰比對透水性混凝土性能的影響

從圖4a可看出：滲透系數隨著骨灰比的減小而減小。這是因為隨著水泥用量的增大，骨料顆粒之間的粘結狀況發生變化，由原來通過水泥漿體的點接觸粘結發展為通過水泥漿體的面接觸粘結，粗骨料之間原來連通的孔隙會逐漸減小有些變得不連通，造成孔隙率的降低，因此，透水系數降低。又因水泥漿體的流變性比較大，水泥用量的增大將使其更趨于采用填充骨料之間孔隙的方式來構成結構，因此使得多孔透水混凝土的孔隙率及透水系數顯著下降。

圖4 骨灰比對透水性混凝土性能的影響

由圖4b可見，隨著骨灰比的減少，水泥用量的增大，試件的抗壓強度有一定幅度的增大。多孔透水混凝土的抗壓強度主要由粗骨料之間的咬合摩擦力以及骨料與水泥漿體的粘結強度決定。在骨料級配基本相同的情況下，多孔透水混凝土的抗壓強度主要受骨料與水泥漿體間的粘結強度影響，而水泥漿體的抗壓強度和界面厚度則影響了界面粘結抗壓強度。水泥漿體的抗壓強度主要由水灰比決定，在一定水灰比下，水泥用量的增大使得界面厚度增大，粘結面積以及粘結點的數量增加，從而提高了它的抗壓強度。

2.3 粉煤灰摻量對透水性混凝土性能的影響

混凝土提高流動性后很容易引起離析和泌水，使新拌混凝土的體積不穩定。摻入礦物細摻料的高性能混凝土則有很好的粘聚性。需水量小的細摻料（如粉煤灰）可以進一步降低混凝土的水膠比而保持良好的工作性能。礦物細摻料還能增進混凝土的后期強度，增強混凝土的耐久性。[11]參考上述理論，在透水性混凝土中摻入粉煤灰以改善透水性混凝土的性能。實驗結果見表5。

表5 粉煤灰對透水性混凝土的影響

從圖5a可知：透水系數隨著粉煤灰摻量的增大而減小，主要由于粉煤灰的密度比水泥小，顆粒較細，充分填充在透水性混凝土的空隙中。當處于密實或毛細孔狀態時，沒有形成可以透水的孔隙；此時處于第一類小孔狀態，雖然形成了孔隙，但是由于孔隙不連通也不能有很好的透水性，導致滲透系數有所下降。

從圖5b可知，粉煤灰的摻量從0%增加到20%，透水性混凝土的抗壓強度均呈上升趨勢，在20%的地方有個峰值，摻量再增加時，強度開始下降，這與普通混凝土不同，透水性混凝土的強度隨著粉煤灰的摻量增大而減小。分析其原因，可能是因為摻入粉煤灰的透水性混凝土有很好的粘聚性，在成型過程中水泥漿體不容易流淌到試件底部，由于粉煤灰顆粒較細，起到微填充的作用，加上粉煤灰的二次水化使它后期對混凝土的貢獻很大，整體表現為整個齡期強度均較大。當粉煤灰的摻量超過20%，粉煤灰的水化進行較慢，因加入的膠凝材料總量不變，漿體厚度不變；但由于粉煤灰強度低于水泥，水泥漿中又存在大量沒有水化的粉煤灰，漿體中水泥的量比較少，從而導致透水性混凝土的抗壓強度下降。

4 結論

水灰比對透水性混凝土的孔隙率、滲透系數和強度都有很大的影響。孔隙率、滲透系數隨水灰比的增大而減小。當水灰比較小時，透水性混凝土的強度隨水灰比的增大而增大；當水灰比增大到0.28時，強度最高，達17.45 MPa；當水灰比繼續增大時，強度開始下降。滲透系數隨著骨灰比的減少而減小，抗壓強度隨著骨灰比的減少而增大。透水系數隨著粉煤灰摻量的增大而減小，粉煤灰的摻量從0%增加到20%，透水性混凝土的抗壓強度均呈上升趨勢，當摻量為20%時，強度最高，達22.5 MPa，摻量再增加時，強度開始下降。配制小粒徑（5～10 mm）的透水性混凝土的最佳水灰比為0.28，摻入20%粉煤灰可使透水性混凝土的抗壓強度提高到22.5 MPa，透水系數大于 1.5 mm·s-1。■

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2011-05-09