高透水性混凝土配合比設計及性能試驗研究

程聰武， 蔣 慧， 李香強， 郭業榮， 鄧 聰

(桂林電子科技大學建筑與交通工程學院， 廣西桂林 541004)

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高透水性混凝土配合比設計及性能試驗研究

程聰武， 蔣 慧， 李香強， 郭業榮， 鄧 聰

(桂林電子科技大學建筑與交通工程學院， 廣西桂林 541004)

文章根據目前國內外對透水性混凝土的研究現狀，運用正交試驗原理對高透水性混凝土的配合比進行試驗研究，研究了骨灰比、水灰比和骨料級配等因素對其透水性能和力學性能的影響規律，選出了最佳混凝土配合比，為透水性混凝土的配合比設計提供了依據。

透水性混凝土； 透水系數； 抗壓強度； 配合比

現代城市的大部分面積都被混凝土所覆蓋，導致地下水系統的平衡破壞、地面塌陷等問題。高透水性生態混凝土具有比較大的孔隙率，因此存在透水、補充地下水資源、過濾、調節城市地表的溫度和濕度等諸多生態方面的優點[1]。目前國內對透水混凝土的研究處于深化研究階段，在礦物摻合料和外加劑的作用效果[2]、透水混凝土的強度相關性實驗與測試方法[3]、透水混凝土的最佳配制條件[4]等方面進行了大量深入的研究，為改善透水混凝土的力學性能發揮了重要作用。本文運用正交試驗原理對高透水性混凝土的配合比進行試驗研究，得出了單位體積水泥用量、水灰比和骨料級配等因素對其透水性能和力學性能的影響規律。

1 試驗概要

1.1 原材料

本實驗所用原材料為32.5級普通硅酸鹽水泥；普通自來水；粒徑分別為9.5～16(大粒徑)、4.75～9.5(小粒徑)、4.75～16(混合粒徑)的石灰巖碎石。

1.2 配合比

為考察不同水灰比和骨灰比對透水性混凝土強度的影響，水灰比W/C分別采用0.30、0.32、0.34，骨灰比分別采用3.6、4.0、4.4。同時，為探討骨料粒徑與透水性混凝土強度的關系，分別采用了3種不同的骨料配合比方式，分別為大粒徑、小粒徑、混合粒徑。

1.3 試件制作與養護

試件尺寸規格為：100 mm×100 mm×100 mm正方體(用于抗壓強度和透水系數測試)。實踐制作采用插搗工藝成型，分三層插搗，第一層為試件模具的1/3處，插搗15次；第二層為試件高度的2/3處，插搗20次；第三層為滿高度，插搗25次。試件成型后，經過24 h后編號拆模。然后在溫度為(20±2)℃，相對濕度90 %以上的標準養護室中養護28 d。

2 試驗內容與裝置

2.1 抗壓強度

參照GB/T 50081—2002 《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試。采用液壓式萬能壓力機加壓，加載速度每1 s為0.5～0.8 MPa，選取每組試塊(100 mm×100 mm×100 mm)樣本進行立方體軸心受壓承載力試驗。抗壓強度取三個試件結果的算術平均值。

2.2 透水系數

從高為20 cm的方形套筒上端邊緣注水，水流通過橫截面為z的試塊滲透流入下端盛水容器，注水時謹慎控制流量，始終保持10 cm的水頭(以上端距邊緣5 cm處設置的水頭為參照)，為防止水由于側漏等因素影響，采用石蠟涂抹密封，保證水流只從試塊滲流而過。在單位時間T內接取V體積的水量，則取得透水系數K。

2.3 透水性試驗裝置

圖1所示為研制的透水性實驗裝置。具有試塊加裝快速方便、測試高效準確、環境適應性強等優點，相比其他對測試有特殊要求的設備更實用，也更易開展試驗；同時，在測試的過程中不需要太多的維護，有較強的抗干擾能力，只需兩人配合即可完成試驗；裝置本身采用不銹鋼整體成型，分為可拆卸式的上下兩部分，上部預留盛放試塊的部位與試塊尺寸相吻合，在接縫處澆灌熔融蠟條，可保證密封可靠。

圖1 混凝土透水性實驗裝置

3 試驗結果與分析

3.1 水灰比對透水性混凝土性能的影響

對骨灰比為3.60、水灰比為0.30～0.34的透水性混凝土進行強度、透水性實驗，實驗結果如表1所示，水灰比和強度及透水性的關系見圖2。從圖中可看出隨著水灰比的增大，透水性混凝土的強度增大，而透水系數也有略微增大。這是由于當水灰比過小時，就不能有效地包裹骨料顆粒表面而降低顆粒之間的粘結力，從而導致強度降低。當水灰比增大時，水泥漿流動性增加，填充包裹骨料均勻，骨料表面的漿體豐富，有利于骨料之間的粘結，因此強度提高。但過大的流動性會使漿體流淌到試件底面，減少有效聯通孔隙，破壞了混凝土的透水能力，同時影響了骨料之間的粘結力，導致強度降低。

表1 水灰比對透水性混凝土性能的影響

圖2 水灰比對透水性混凝土性能的影響規律

3.2 骨灰比對透水性混凝土性能的影響

表2為水灰比0.30時試驗所得實驗數據。當水灰比不變時，隨著骨灰比的增加，抗壓強度先略有增加再有一定的減小，其透水系數卻有較大的增加。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，水灰比一定時，水泥用量的增加使得包裹骨料的水泥漿厚度增大，粘結面積以及粘結點的數量增加使抗壓強度提高。但另一方面水泥用量的增大會使水泥漿體填充骨料的孔隙，造成孔隙率的減小，降低混凝土的透水系數。

表2 骨灰比對透水性混凝土性能的影響

3.3 骨料級配對透水性混凝土性能的影響

表3為水灰比為0.34時實驗所得數據。當水灰比和骨灰比不變時，透水性混凝土抗壓強度隨著骨料粒徑的增大而減小；當骨料粒徑為混合粒徑時，混凝土抗壓強度則比單一骨料粒徑的混凝土抗壓強度更高。而透水系數也隨著骨料粒徑的增大而增大；混合粒徑的透水系數則比單一骨料粒徑的透水系數要小。這是由于骨料粒徑越小，單位體積內骨料顆粒之間的接觸點數量就越多，所形成的結點骨架越密，膠結面積就越大，從而提高透水性混凝土的整體強度，而透水系數也隨著骨料的密集而減小。混合骨料粒徑的混凝土形成的結點骨架比小粒徑骨料的更密，故抗壓強度更大，透水系數也更小。

表3 骨料級配對透水性混凝土性能的影響

4 試驗結論

為研究水灰比、骨灰比和骨料級配對抗壓強度和透水性的顯著性和交互影響，對該三因素進行了正交試驗設計，正交實驗結果極差分析結果如表4。

表4 正交實驗結果極差分析

根據表1到到表4的實驗結果和極差分析可以得出以下結論：

(1)單位體積水泥用量是影響透水性混凝土性能(透水系數)和力學性能(抗壓強度)的主要因素，水灰比、骨料顆粒級配依次次之。

(2)透水性混凝土的透水性能隨著單位體積水泥用量和水灰比的增加而降低；力學性能隨著單位體積水泥用量和水灰比的增加而增加；但是，顆粒級配及透水性能和力學性能沒有直觀的線性關系。

(3)各性能指標的最佳配合比：透水系數是4A，抗壓強度是7C。比較兩個最佳配合比，為保證透水性混凝土具有良好的透水性能和力學性能，建議采用配合比為水灰比0.32，骨灰比3.6，粒徑9.5～16。

[1] 朱平華, 張鑫鑫. 路用透水性再生混凝土研究現狀與發展趨勢[J]. 混凝土， 2015(10).

[2] 孟云芳, 眭克仁, 買文智. 復合礦物摻和料對混凝土的增強效應[J]. 建筑材料學報， 2008, 10(6).

[3] 王賓, 周立超, 潘杰, 等. 透水性混凝土材料試驗研究[J]. 科學技術與工程， 2010, 10(16).

[4] 錢波, 程鵬, 李淮旭, 等. 基于相似正交試驗的透水性混凝土配合比研究[J]. 混凝土， 2009(5).

廣西大學生創新創業訓練計劃(項目編號:201410595111)，廣西高校科學技術研究項目(項目編號:LX 2014140)

程聰武(1994～)，男，本科在讀，土木工程專業。

蔣慧(1978～)，女，碩士，講師，從事土木工程施工技術與管理、結構分析與優化研究。

TU528.59

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[定稿日期]2016-05-09