大粒徑骨料與成型工藝對透水混凝土性能影響試驗

胡 陽, 盧藝靜, 黃冬輝, 袁佳樂, 周德良, 高 峰, 田 羽

(金陵科技學院建筑工程學院， 江蘇南京 211169)

大粒徑骨料與成型工藝對透水混凝土性能影響試驗

胡 陽, 盧藝靜, 黃冬輝, 袁佳樂, 周德良, 高 峰, 田 羽

(金陵科技學院建筑工程學院， 江蘇南京 211169)

為了獲得混凝土目標強度下較高透水性能，通過在骨料粒徑為5～15 mm的透水混凝土基礎上，采用10～20 mm骨料進行配合比試驗，觀察其抗壓強度和透水系數的變化。結果表明，大粒徑骨料混凝土可以在達到目標強度的條件下提高透水性能。采用錘擊與插搗兩種入模成型工藝，錘擊條件下，試件強度較低但是透水性能較好，插搗入模試件的強度較高但透水系數較小。

道路工程； 透水混凝土； 大粒徑骨料； 成型工藝； 抗壓強度； 透水系數

目前，我國部分城市道路已經開始采用透水混凝土路面。透水混凝土路面不僅能加速城市道路積水的排出，也使得路面以下土層可以接觸空氣與水，減少了土質惡化等環境問題，對于保護生態，調節城市微環境起到了很好的作用[1-3]。透水混凝土的強度和透水率之間如何達到一個平衡、提高透水混凝土的應用范圍是一個研究的重點。張巨松、張添華等通過實驗的方法來研究影響透水混凝土強度的各項因素，分別用粗細骨料進行1∶1混合配比，測定透水混凝土的強度與透水率[4]。金瑞靈等針對輕骨料透水混凝土強度與透水性進行了研究[5]，研究加入細輕骨料來改善透水混凝土的內部結構對透水混凝土的強度和透水率的影響。程娟、郭向陽等研究了攪拌方式及成型工藝對透水混凝土性能的影響，通過設計配合比計算后，在不同的攪拌方式和成型養護條件下，透水混凝土的強度和透水率的關系[6]。目前，國內常用路面透水混凝土粗骨料粒徑為5～15 mm，該粒徑粗骨料可以形成15 %～25 %的空隙率。由于骨料粒徑較小，形成的部分空隙易被膠凝材料堵塞，尤其是底部多被漿體覆蓋，導致很多情況下透水效果不佳。本試驗針對以上不足之處，以10～20 mm較大粒徑粗骨料作為實驗原材料，在保證28 d抗壓強度達到目標強度30 MPa的情況下，提高試件孔隙率，并有效地解決了試件底部泌漿堵孔的問題。

1 試件制作

1.1 實驗材料

水泥：江南-小野田水泥有限公司P.Ⅱ52.5水泥；混凝土增強劑：南京久禾潤工程技術有限公司生產的生態透水混凝土增強劑；減水劑：北京德昌偉業建筑工程技術公司生產的聚羧酸系高性能粉狀減水劑；細骨料：砂子為中砂；粗骨料：碎石性能指標如表1所示。

表1 粗骨料的性能指標

1.2 透水混凝土配合比

試驗前經過對比分析最終確定使用體積法進行配合比的設計。體積法的基本思路類似碾壓混凝土的充填包裹理論[7]。骨料在緊密堆積的條件下，被水泥等膠凝材料均勻包裹粘接在一起，凝固后形成了多孔堆聚結構，內部剩余的空隙成為混凝土內部相互連通的孔隙。確定設計配合比見表2所示。

表2 透水混凝土設計配合比

試塊數量：配合比(小)：錘擊(A1、A2、A3)，3塊；插搗(B1、B2、B3)，3塊。

配合比(大)：錘擊(A4、A5、A6)，3塊；插搗(B4、B5、B6)，3塊。

1.3 試驗機械及試件制作養護

1.3.1 混凝土拌合

混凝土采用強制式自動攪拌機進行攪拌，保證物料在攪拌機內充分混合。首先將粗細骨料投放在攪拌機中攪拌30 s，使得骨料混合均勻；再將水泥、減水劑和混凝土增強劑依次投入攪拌機中攪拌30 s，倒入設計用水量的一半，繼續攪拌60 s，將剩余水倒入攪拌機中繼續攪拌2 min。整個攪拌過程中不斷用抹刀將粘附在攪拌機壁的水泥灰刮下，使得物料充分利用，減小試驗誤差。

1.3.2 試件成型與養護

試驗所使用的模具是100 mm×100 mm×100 mm立方體試模。采用表2中兩組配合比，每組配合比制作2組(分別采用插搗與錘擊兩種成型方法，每種方法制作3個試塊)共計4組12塊。錘擊方式為混凝土分兩層厚度均等入試模，每層錘擊數次(不低于30下)，試塊表面用水泥抹刀用力抹面壓實。插搗方式也是將混凝土分兩層厚度均等入試模，每層由外向內環形插搗(12～15次)，敲擊試模四面每面12下，表面用水泥抹刀用力壓實。試驗采用統一的原材料、配合比、養護條件，以盡量減少對試驗結果的影響。試塊成型24 h后開始拆模，放入養護箱進行養護，養護箱溫度控制在(20±2)℃，相對濕度為95 %，養護28 d[10]。

2 試驗及數據分析

試件的力學性能采用三斯CHT4000系列4106型萬能試驗機，通過靜壓測得混凝土28 d抗壓強度。透水性能則通過如圖1所示自制簡易透水儀對試件進行測試。簡易透水儀高400 mm，底面內邊為邊長100 mm的正方形。高度方向一面為有機玻璃便于觀察，另三面及底面為人造板，底面板上均布直徑為25 mm的圓孔共9個。實際測量透水率時，將試塊裝入透水儀中，試塊邊緣與透水儀間的縫隙用膠泥壓實密封，加水淹沒試塊，先透水，以保證混凝土吸水飽和并能排出內部空氣，再記錄其后時長的透水量，計算試塊的15 s透水系數。

(a)

(b)

2.1 粗細骨料級配對于透水混凝土性能的影響。

兩種配合比的原材料來源與用量均一致，唯一區別是碎石骨料粒徑的差異。普通骨料粒徑級配為5～15 mm，而大骨料粒徑為10～20 mm。圖2、圖3為兩種粒徑骨料抗壓強度和透水系數的影響。

圖2 不同粒徑骨料的試件抗壓強度

圖3 不同粒徑骨料的透水系數

首先觀察圖2，試驗目標強度為28 d達到30 MPa，粒徑為5～15 mm的6個試塊其抗壓強度均在30 MPa之下，而粒徑為10～20 mm的6個試塊中有5個強度達標。由此可見，使用大粒徑骨料的透水混凝土，其抗壓強度可以很好的滿足要求且均勻性較好，同時其強度普遍高于5～15 mm粒徑骨料制成的透水混凝土。由圖3中數據可以清晰地看出，粒徑為10～20 mm的6個試塊其透水系數遠遠大于粒徑為5～15 mm的試塊。大粒徑骨料透水混凝土試塊的透水系數平均達到8.0 mm/s，相較于骨料粒徑為5～15 mm的混凝土，其透水性有顯著的提高。

試驗研究發現粗骨料與水泥砂漿之間的截面粘結力是混凝土強度中最為薄弱的環節之一。骨料粒徑增大，透水混凝土的強度并沒有降低，反而較5～15 mm粒徑混凝土有了小部分提高。10～20 mm粒徑碎石其強度高于5～15 mm粒徑碎石，骨料之間的膠凝材料均勻包裹在骨料周圍，較小粒徑骨料四周的膠凝材料量少于大粒徑骨料，所以在受到正應力時，骨料之間的截面粘結力無法較好的抵御壓力，致使結構松散，骨料本身強度不能完全施展。

當粗骨料粒徑較大時，單位體積混凝土的比表面積較小，內部容易形成孔隙，所以透水系數較大。實驗數據也表明10～20 mm粒徑骨料彼此之間更容易形成相互連通的孔隙，使得混凝土具有更優的透水性。而且配合比中添加的部分中砂，增大了水泥砂漿的粘性，使得粗骨料更為均勻的粘結在一起，留有較大孔隙改善混凝土的透水狀況。

2.2 成型工藝對于透水混凝土性能的影響

試驗分為插搗和錘擊兩種入模成型方式[9]。圖4、圖5表明不同成型工藝對試塊力學性能和透水系數的影響。

圖4 不同成型工藝的試件抗壓強度

圖5 不同成型工藝的試件透水系數

由圖4可知，錘擊組的強度明顯低于插搗組，同時錘擊組的試塊中有5組無法達到目標強度而插搗入模的6組試塊50 %可以達到要求。經試驗發現錘擊是將試塊表面的混凝土壓實，大部分膠凝材料無法均勻分布，以致內部不夠密實，強度較低。插搗將搗棒貫穿混凝土試塊內部，使得原本松散堆積的混凝土可以更為密實，同時外側的敲擊，使水泥砂漿均勻分布，增大骨料之間相互連接的基點，骨料本身由于包裹了膠凝材料而粗糙多棱，彼此之間交錯，易形成“嵌鎖結構”[8]，最終強度得以增大。其次觀察圖5，錘擊組試塊透水系數遠大于插搗組，平均透水系數約為6.7 mm/s。這是由于包裹了膠凝材料的再生骨料其不規則的骨料外表，使得模具內部的物料骨架呈多孔的狀態，錘擊方式對于多孔骨架破壞較小，所以內部相互聯系的孔隙較多，透水系數也較大。而插搗方式幾乎貫穿物料內部，多次插拔的形式在使得內部物料更均勻的同時也使得膠凝材料堵塞骨料之間的孔隙，導致透水系數降低。由此可見密實的振搗可以使得強度提高約10 %，但是透水系數卻降低約14 %。

2.3 抗壓強度與透水性能之間的關系

觀察圖1與圖2、圖3與圖4可以發現，不管骨料的粒徑是5～15 mm還是10～20 mm，試件的強度與透水系數無法同時達到最優狀態。強度越高的試件其透水系數越低，強度越低的試件其透水性能越好，二者之間此消彼長。

強度越高的試塊，其破壞截面的骨料與膠凝材料的粘合越牢固(圖6a)，而強度低的試塊，其破壞截面上多出現孔洞(圖6b)。內部孔洞使得試塊強度較低，但是透水系數卻提高很多。因此，不同的使用位置也需要考慮不同的透水混凝土配合比和成型工藝。對于耐磨要求較高的部位，透水混凝土的強度要求更高；而對于排水要求較高的地區，透水混凝土的透水性能應當更為重要。

4 結 論

(1)10～20 mm的大粒徑骨料透水混凝土可以在保證強度達到標準的條件下，大大提高透水系數，同時相較于5～15 mm粒徑混凝土，其抗壓強度普遍提高10 %，而且均勻性較好，能夠滿足透水混凝土的抗壓強度要求。

(a)

(b)

(2) 成型工藝對于透水混凝土的最終強度及透水性能有很大影響。目標孔隙率與強度是判斷透水混凝土質量的主要因素，采用錘擊方式，保留部分孔隙，使得混凝土透水性能較大，但是由于不夠密實而使強度有所降低；采用插搗方式，則使得混凝土強度較大而透水系數較小。實際施工中預壓的方式可以在不過多破壞內部孔隙的條件下，增加混凝土的密實度。

(3)透水混凝土還需要在工程應用中針對路面表面密實度、使用耐磨性及沙塵對路面封堵造成透水性危害等開展研究，進一步提高透水混凝土的工程應用價值。

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[3] 陳思霞. 透水混凝土路面在城市道路人行道中的應用淺析[J].四川水泥,2015(7):297.

[4] 張巨松，張添華，宋東升，等.影響透水混凝土強度的因素探討[J].沈陽建筑大學學報： 自然科學版，2006(9)：760-762.

[5] 南峰，金瑞靈，伍勇華,等.輕骨料透水混凝土的研究[J].混凝土與水泥制品，2012(3)：22-25.

[6] 程娟，郭向陽.攪拌方式及成型工藝對透水砼性能的影響[J].長江科學院院報，2009(9)：91-93.

[7] 孟剛,張凱峰,李預奇,等. C30透水路面混凝土性能試驗研究[J].廣東建材,2014(5):8-10.

[8] 馬骉,田爾布,路學敏,等. 水泥混凝土粗集料嵌鎖密實結構試驗分析[J].中外公路,2008(6):217-220.

[9] 徐昌，王敏. 透水混凝土的配制方法和相關性能試驗研究[J].四川水泥 ,2006(8):337.

[10] 惠弘毅，李宗利，何杰，等. 混凝土砂漿相滲透特性試驗研究[J]. 混凝土與水泥制品,2016(11):25-27.

[定稿日期]2017-11-22

江蘇省自然科學基金項目《基于微細觀結構的透水混凝土透水性和抗壓強度理論模型及機理研究》(編號：BK20160106);江蘇省高校自然科學研究項目《基于多尺度的透水混凝土強度提高機理研究》(編號：16KJB560004);江蘇省產學研聯合創新資金前瞻性聯合研究項目資助(編號：BY2012039)

胡陽(1975～)女，碩士，講師，從事土木工程材料、工程測量等教學與科研工作。

TU502

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