孔隙率和尺寸效應(yīng)對(duì)透水混凝土力學(xué)性能的影響研究

徐德飛

（上海崇明水務(wù)局，上海 202150）

孔隙率和尺寸效應(yīng)對(duì)透水混凝土力學(xué)性能的影響研究

徐德飛

（上海崇明水務(wù)局，上海 202150）

根據(jù)透水混凝土的結(jié)構(gòu)特征，本文對(duì)其配制參數(shù)和配合比計(jì)算方法進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了以總孔隙率為第一設(shè)計(jì)參數(shù)，抗壓強(qiáng)度為第二參數(shù)的配合比設(shè)計(jì)方法。試驗(yàn)證明：采用該方法制備的透水混凝土具有良好的透水性和強(qiáng)度，基本能夠達(dá)到最初的設(shè)計(jì)要求。研究了骨料粒徑、孔隙率和尺寸效應(yīng)對(duì)透水混凝土力學(xué)性能的影響，為透水混凝土工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

透水混凝土；配合比；尺寸效應(yīng)；力學(xué)性能

隨著城市化進(jìn)程的加快，人們對(duì)城市環(huán)境和舒適度的要求越來越高，作為生態(tài)環(huán)境友好型混凝土之一的透水混凝土也逐漸成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)之一[1]。與傳統(tǒng)混凝土相比，透水混凝土最大的特點(diǎn)是具有大量的連通孔隙，具有非常好的透氣性和透水性，將這種混凝土用于廣場(chǎng)、人行道路的鋪設(shè)，既能擴(kuò)大城市的透水、透氣面積，增加行人、行車的舒適性和安全性，又能減少交通噪聲，對(duì)調(diào)節(jié)城市空氣的溫度和濕度、維持地下土壤的水位和生態(tài)平衡具有重要作用。透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)及施工工藝與普通混凝土不同，就其工程應(yīng)用而言，要求既要有足夠的強(qiáng)度，又要有良好的透水性。透水混凝土的研究和應(yīng)用，始于 50 年代初，但由于其抗折、抗壓強(qiáng)度較低，會(huì)在工程應(yīng)用中出現(xiàn)各種問題，如承載能力差，粗骨料之間粘結(jié)力小，抗凍融性能以及孔穴堵塞等問題，致使透水混凝土的大面積應(yīng)用還需做大量工作。

本文驗(yàn)證了以總孔隙率為第一設(shè)計(jì)參數(shù)，抗壓強(qiáng)度為第二參數(shù)的配合比設(shè)計(jì)方法[2-3]，研究了孔隙率與透水混凝土力學(xué)性能之間的關(guān)系。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

（1）本試驗(yàn)采用鉆牌 P·O42.5 水泥，需水量比和細(xì)度分別為 90% 和 8% 的Ⅰ級(jí)粉煤灰。

（2）4.75～9.5mm、9.5～19.0mm 單粒級(jí)石灰?guī)r碎石，性能指標(biāo)如表 1 所示，采用減水率 33% 的聚羧酸減水劑。

表 1 單粒徑碎石性能指標(biāo)

（3）砂：天然河砂，Ⅱ區(qū)粗砂，性能指標(biāo)見表 2。

表 2 天然砂性能指標(biāo)

（4）拌合水：自來水。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）根據(jù)透水混凝土的結(jié)構(gòu)特征，本文試驗(yàn)將采用重慶大學(xué)王智教授等人提出的以總孔隙率為第一設(shè)計(jì)參數(shù)，抗壓強(qiáng)度為第二參數(shù)的配合比設(shè)計(jì)方法。同時(shí)本試驗(yàn)采用人工壓制成型，確定水灰比為 0.35。由此計(jì)算出的不同孔隙率的透水混凝土配合比如表 3 所示。

（2）測(cè)試兩種粒徑不同孔隙率的透水混凝土 28 天抗折、抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度[4]，分析比較骨料粒徑和孔隙率對(duì)透水混凝土力學(xué)性能的影響。

（3）對(duì)不同孔隙率（5%，10%，20%）、不同骨料粒徑（4.75～9.5mm，9.5～19.0mm）的透水混凝土 100mm、150mm 和 200mm 立方試塊尺寸效應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。分析其中某一變量對(duì)透水混凝土力學(xué)性質(zhì)的影響以及試件尺寸引起的力學(xué)性能的變化。

表 3 不同目標(biāo)孔隙率透水混凝土配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 實(shí)測(cè)孔隙率與目標(biāo)孔隙率對(duì)比

透水混凝土的透水性大小取決于有效孔隙率的大小，本試驗(yàn)中所測(cè)得的孔隙率均為有效孔隙率，即為實(shí)測(cè)孔隙率。為了檢測(cè)本實(shí)驗(yàn)中配合比設(shè)計(jì)方法的可行性，以及骨料粒徑對(duì)孔隙率的影響。取 w/c=0.35，目標(biāo)孔隙率為 5%、10%、20% 進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)。如表 4 所示。

表 4 透水混凝土實(shí)測(cè)孔隙率

從表 4 可以看出：目標(biāo)孔隙率為 5% 和 10% 配制的透水混凝土，實(shí)測(cè)孔隙率與目標(biāo)孔隙率很接近。但目標(biāo)孔隙率為20%，實(shí)測(cè)為 15%，相差較大，所以將孔隙率 15% 作為之后數(shù)據(jù)分析。

2.2 透水混凝土透水性展示

圖 1 是兩種不同粒徑骨料，孔隙率為 15% 的透水性展示，由圖可以看出，透水混凝土透水性能很好，水從不同孔道流出，在混凝土表面沒有積水。

2.3 孔隙率與骨料粒徑及 28 天力學(xué)強(qiáng)度的關(guān)系

不同骨料粒徑配制的不同孔隙率的透水混凝土 28 天抗折、抗壓強(qiáng)度分別如圖 2、圖 3 所示，由圖可以看出，無(wú)論對(duì)于哪種粒徑配制的透水混凝土，隨著目標(biāo)孔隙率的增大，透水混凝土 28 天抗折、抗壓強(qiáng)度隨之下降。

對(duì)于粒徑 4.75～9.5mm 骨料配制的透水混凝土，當(dāng)孔隙率由 5% 增加到 10% 時(shí)，混凝土 28 天抗折強(qiáng)度下降 26%，抗壓強(qiáng)度下降 32%；當(dāng)孔隙率由 10% 增加到 20% 時(shí)，混凝土 28 天抗折強(qiáng)度下降 21%，抗壓強(qiáng)度下降 51%。對(duì)于粒徑 9.5～19mm 骨料配制的透水混凝土，當(dāng)孔隙率由 5% 增加到 10% 時(shí)，混凝土 28 天抗折強(qiáng)度下降 57%，抗壓強(qiáng)度下降46%；當(dāng)孔隙率由 10% 增加到 20% 時(shí)，混凝土 28 天抗折強(qiáng)度下降 10%，抗壓強(qiáng)度下降 14%。

圖 1 透水性展示

對(duì)于小粒徑的骨料而言，水泥與骨料膠結(jié)面強(qiáng)度起關(guān)鍵性作用，隨著孔隙率的增加，水泥用量減少，膠結(jié)能力下降，混凝土強(qiáng)度下降。對(duì)于大粒徑骨料配制的透水混凝土，當(dāng)孔隙率由 10% 增加到 20% 時(shí)，混凝土 28 天抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度變化不大，這是由于當(dāng)孔隙率較大時(shí)，骨料強(qiáng)度對(duì)混凝土強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生影響。

圖 2 28 天抗折強(qiáng)度與骨料粒徑及孔隙率的關(guān)系

圖 3 28 天抗壓強(qiáng)度與骨料粒徑及孔隙率的關(guān)系

2.4 尺寸效應(yīng)對(duì)透水混凝土力學(xué)性能的影響

粒徑為 4.75～9.5mm 和 9.5～19mm 骨料配制的不同尺寸、不同孔隙率的透水混凝土 28 天立方抗壓強(qiáng)度分別如圖4、圖 5 所示。粒徑為 4.75～9.5mm 和 9.5～19mm 骨料配制的不同尺寸、不同孔隙率的透水混凝土 28 天劈裂強(qiáng)度如圖6、圖 7 所示。

對(duì)于粒徑為 4.75～9.5mm 配制的透水混凝土，隨著尺寸的增大，混凝土立方抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。對(duì)于孔隙率為 5%、10%、20% 的透水混凝土，當(dāng)尺寸由 100mm 增加到150mm 時(shí)，其立方抗壓強(qiáng)度略有所下降，但當(dāng)尺寸增加到200mm 時(shí)，透水混凝土立方強(qiáng)度下降 20% 左右。對(duì)于粒徑為9.5～19mm 配制的透水混凝土，當(dāng)孔隙率為 5% 時(shí)，隨著尺寸的增大，混凝土強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。當(dāng)尺寸由 100mm 增加到150mm 時(shí)，其立方抗壓強(qiáng)度下降 20%，當(dāng)尺寸由 150mm 增加到 200mm 時(shí)，透水混凝土立方強(qiáng)度也下降 20% 左右。當(dāng)孔隙率為 10%、20% 時(shí)，隨著尺寸的增大，混凝土強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，但下降幅度不大。

圖 4 （4.75～9.5mm）抗壓強(qiáng)度與試件尺寸的關(guān)系

圖 5 （9.5～19.5mm）抗壓強(qiáng)度與試件尺寸的關(guān)系

圖 6 （4.75～9.5mm）劈裂強(qiáng)度與試件尺寸的關(guān)系

可以看出對(duì)于小粒徑骨料配制的透水混凝土，尺寸效應(yīng)對(duì)不同孔隙率的混凝土強(qiáng)度均有較明顯的影響，對(duì)于大粒徑骨料，尺寸效應(yīng)對(duì)低孔隙率的混凝土強(qiáng)度影響較大。

無(wú)論對(duì)于哪種粒徑配制的透水混凝土，隨著尺寸的增大，混凝土劈裂強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。對(duì)于粒徑為 4.75～9.5mm配制的孔隙率為 5% 的透水混凝土，當(dāng)尺寸由 100mm 增加為200mm 時(shí)，其劈裂強(qiáng)度下降 33%，對(duì)于孔隙率為 20% 的透水混凝土，當(dāng)尺寸由 100mm 增加為 200mm 時(shí)，其劈裂強(qiáng)度下降 26%。對(duì)于粒徑為 9.5～19mm 配制的孔隙率為 5% 的透水混凝土，當(dāng)尺寸由 100mm 增加為 200mm 時(shí)，其劈裂強(qiáng)度下降 38%，對(duì)于孔隙率為 20% 的透水混凝土，當(dāng)尺寸由 100mm增加為 200mm 時(shí)，其劈裂強(qiáng)度下降 72%。由此可以看出尺寸效應(yīng)對(duì)大粒徑骨料配制的大孔隙率透水混凝土劈裂強(qiáng)度影響更大。

圖 7 （9.5～19.5mm）劈裂強(qiáng)度與試件尺寸的關(guān)系

3 結(jié)論

（1）根據(jù)以總孔隙率為第一設(shè)計(jì)參數(shù)，抗壓強(qiáng)度為第二參數(shù)的配合比設(shè)計(jì)方法獲得的實(shí)測(cè)孔隙率與目標(biāo)孔隙率基本一致，說明了本試驗(yàn)采用的配合比設(shè)計(jì)方法的合理性。

（2）無(wú)論對(duì)于哪種粒徑配制的透水混凝土，隨著目標(biāo)孔隙率的增大，透水混凝土 28 天抗折、抗壓強(qiáng)度隨之下降。對(duì)于小粒徑的骨料而言，水泥與骨料膠結(jié)面強(qiáng)度起關(guān)鍵性作用，隨著孔隙率的增加，水泥用量減少，膠結(jié)能力下降，混凝土強(qiáng)度下降。對(duì)于大粒徑骨料配制的透水混凝土。

（3）隨著尺寸的增大，透水混凝土立方抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。小粒徑骨料配制的透水混凝土，尺寸效應(yīng)對(duì)不同孔隙率的混凝土強(qiáng)度均有較明顯的影響，對(duì)于大粒徑骨料，尺寸效應(yīng)對(duì)低孔隙率的混凝土強(qiáng)度影響較大。

[1] 張朝輝，王沁芳，楊娟．透水混凝土強(qiáng)度和透水性影響因素研究[J]．混凝土，2008(3)∶ 7-9．

[2] 張朝輝，王沁芳，楊娟，等．透水混凝土配合比研究與設(shè)計(jì)[J]．混凝土，2008(6)∶ 120-122．

[3] 王智，錢覺時(shí)，張朝輝，等．多孔混凝土配合比設(shè)計(jì)方法初探[J]．重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(6)∶ 124-127．

[4] GB/T 50081—2002．普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]．

［通訊地址］上海市崇明區(qū)育麟橋路 333 號(hào)上海崇明水務(wù)局（202150）

Research of porosity and the size effect on the mechanical behavior of porous concrete

Xu Defei
(Water Authority of Chongming in Shanghai, Shanghai 202150)

According to the structural characteristics of pervious concrete, with the ratio of its preparation parameters and calculation methods, it was verif i ed that the fi rst design parameters of the total porosity, compressive strength as the second parameter of the mix design method. Through experiments proved∶ The permeability of concrete prepared by this method has good permeability and strength, to achieve the original design requirements. Study the aggregate particle size, porosity, and size effect on the mechanical behavior of porous concrete, to provide technical support for the permeable concrete engineering application.

permeable concrete, mixing ratio, size effect, mechanical properties

徐德飛（1972—），男，上海市崇明區(qū)水務(wù)局，工程師，水利工程專業(yè)。