透水混凝土抗堵塞性能影響因素研究

曾凡貴，張意，曾路，王瑤，莫堅方

（1重慶建工住宅建設有限公司，重慶 400015；2重慶大學 材料學院，重慶 400045）

引言

研究表明[1]，透水混凝土能合理利用降雨，使雨水滲透到地下，補充地下水位，既改善了因地下水位低而產生的地面塌陷，又能改善土壤條件，緩解城市熱島效應，有利于綠色植物和土壤微生物的生長。歐美和日本等發達國家基本上從二十世紀七八十年代就開始研究并應用透水混凝土。1995年，南伊利諾伊大學的Nader Ghafoori[2]討論了透水混凝土作為道路材料的使用技巧，并對其物理力學性能進行了試驗研究與分析。美國Iowa State University[3-4]對透水混凝土進行了比較全面的研究，包括透水混凝土的配合比設計、養護方法、工作性能及其影響因素、施工和質量控制等。

而隨著透水混凝土應用的推廣，透水混凝土的問題也暴露出來，隨著使用時間的推移，會出現透水混凝土透水性能下降。早期的研究發現透水混凝土路面使用五年后，其滲透性降低的90%[5-6]。地表徑流攜帶的細砂，碎石，粘土會隨著水流流入透水混凝土的孔隙之中，造成透水混凝土孔隙的堵塞，嚴重影響了路面排水、透氣降噪的性能。由于孔隙堵塞引起的透水混凝土的滲透性降低，使其演變成非透水路面[7]，透水混凝土路面的功能難以發揮，造成城市洪澇和凍融災害的發生[8]。

國內外對這一現象進行了一定程度的研究。Reiser等[9]根據堵塞發展過程不同，將透水混凝土路面的堵塞分為2種類型：一類堵塞是少量沉積物持續或循環沉積的緩慢過程；另一類是快速堵塞過程。Jimenez等[10]分析研究了透水路面的滲透性隨時間的演化規律。Kayhanian等[11]采用美國國家瀝青技術中心的試驗裝置，通過變水頭試驗方法對停車場的透水混凝土路面的堵塞進行了評估。

但是，目前國內外對透水混凝土堵塞這方面的研究較少，還沒有一個統一可靠的對透水混凝土抗堵塞性能好壞評判標準。本文旨在通過一定的影響因素，來研究其對透水混凝土抗堵塞性能的研究，為下一步的研究提供基礎。

1 實驗部分

1.1 原料

1.1.1 水泥

實驗用水泥采用重慶富皇水泥有限公司生產的42.5R級普通水泥。

1.1.2 骨料

實驗用的骨料為天然中砂，產自岳陽，表觀密度為2690 kg/m3，細度模數為3.2。本實驗選取中沙粒徑為0.6～1.18mm，1.18～2.36mm，2.36～4.75mm三種級配的砂子作為實驗用的集料。將三種骨料分別命名為G1，G2，G3。

1.1.3 減水劑

本實驗的減水劑采用瑞士西卡高性能聚羧酸減水劑540P，呈白色粉末狀。實驗中減水劑的摻量通過水泥跳桌實驗確定。

1.1.4 堵塞劑

本實驗中的堵塞劑采用岳陽產的特細砂與重鋼生產礦渣，具體性能分別見表1與表2。將粒徑為小于0.08mm的部分用礦渣粉代替，記做D1，粒徑0.08～0.15mm的特細砂堵塞劑記為D 2，粒徑0.15～0.3mm的特細砂堵塞劑記為D3，0.30～0.60mm的特細砂堵塞劑記為D4。將75%的全級配特細砂與25%礦渣粉混合的堵塞劑記為D5。

1.2 實驗方法

表1 特細砂的性能

表2 礦渣粉的性能

1.2.1 強度

本實驗采用的攪拌方法為兩次加料法，按表3的配比進行加料。全部的試件的混凝土由JJ-5行星式水泥膠砂攪拌機攪拌而成，采用插搗和振動成型，帶膜養護24h，拆模后把試件放到實驗室的養護室中養護。參照GB/T17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法》中的要求進行抗壓強度測試，試件規格：40mmx40 mmx160mm。

表3 實驗方案

1.2.2 透水測試

透水實驗試樣尺寸為100mmx100mmx20mm，透水儀見圖1。該設備為兩端開口的有機玻璃方框，尺寸為100mmx100mcmx350mm，上面刻有上下兩條刻度線。將試件側面輕輕浸入蠟液中，四面都均勻的裹上一層蠟，晾干后再重復一遍以上的操作。完成后的效果如圖2。用橡皮泥對試件和透水儀進行密封，向透水儀中加水至超過上刻度。待水面下降至上刻度時開始計時，下降至下刻度時計時一次。透水系數按下式計算：

V=H/Δt

式中 H為水位下降高度，20mm；Δt為水從上刻度高度降至下刻度的時間。

1.2.3 模擬堵塞實驗

將10g堵塞劑均勻灑在透水混凝土試件表面，測透水系數。重復加入等量堵塞劑，直至透水時間大于2500s（透水系數小于0.1mm/s），停止實驗。記錄下加入堵塞劑的次數以及重量。測完后將滯留在試件表面的堵塞劑刮下來，放進鼓風干燥箱中以60℃的溫度烘24h，稱量并記錄收集到的堵塞劑的重量，用來計算堵塞劑滯留在試件表面的百分比。

完成上述步驟的試件放在通風處放置24h，第二天用豬毛刷對該試件進行清潔，然后在水龍頭下沖洗15s，模擬透水混凝土路面的清潔方式對其進行清潔。如圖3為同一組清洗前后的試件。

清潔完成后，再次進行透水系數測試。獲得清洗后的透水時間，與堵塞前的透水時間進行對比，獲得透水恢復系數。

圖1 透水測試儀

圖2 蠟封效果圖

圖3 試件清洗前后對比

2 試驗結果及分析

2.1 堵塞劑粒徑對透水混凝土抗堵塞性能的影響

圖4是三種不同粒徑集料的透水混凝土，用四種堵塞劑，進行四次堵塞循環的實驗。圖5為集料為G2，堵塞劑為D2和D5的實驗小組對比，比較單一級配的堵塞與連續級配的堵塞劑對透水混凝土堵塞的影響可以看出。

從圖4中可以看出，隨著堵塞劑的加入，透水混凝土試件的透水系數明顯下降。堵塞劑為D4，不同集料粒徑透水系數的下降速率都是最慢的，四次循環后試件的透水系數維持在較高的水平，約為未堵塞之前的50%。其他三組試件四次堵塞循環后透水系數都下降到原來的20%以下。所以D4粒徑及其以上的堵塞劑不是孔隙率為15%透水混凝土的主要堵塞物質。

圖4 堵塞劑對透水系數的影響

而從圖5可以看出連續級配的堵塞劑更容易形成堵塞。

圖5 單一與連續級配堵塞效果對比

表4為堵塞循環后對試件進行清洗過后的透水系數恢復情況。被D4堵塞的試件，清洗過后透水系數能恢復到未被堵塞時的90%以上，其他三種粒徑卻恢復程度較低，因此可以認為堵塞劑D4大部分沉積在試件表面，對透水混凝土內部的連通孔隙并未造成嚴重堵塞。這也與Deo[10]的結論相似，Deo認為粒徑過大的顆粒并未進入透水混凝土內部，而是因為在表面覆蓋了透水混凝土表面的孔隙。

表4 透水系數恢復百分比

2.2 孔隙率對透水混凝土堵塞性能的影響

本實驗設置了實驗組4、5和6，設計孔隙率分別為10%，15%，20%。每組試驗中包括三種不同粒徑的集料成型的試件。圖6為不同孔隙率試件的7d抗壓強度。由圖可知，設計孔隙率越大，透水混凝土的抗壓強度越低。這一現象也已被很多研究證明。

圖6 不同孔隙率和集料粒徑試件7天抗壓強度

表5為集料G1的不同設計空隙率透水混凝土試件的抗堵塞性能的影響。隨著設計孔隙率的增加，堵塞循環次數增加，透水系數恢復百分比增加。原因是設計空隙率越小，漿體含量越多，集料之間的孔隙的充填增加，導致孔隙變小，曲折程度增加，堵塞物更容易堵塞。而對于大孔隙率的試件，聯通的孔較多，水流較大，堵塞物易被水流沖走，從而恢復透水系數。但是孔隙大的混凝土強度較低。且孔越大，堵塞物易沉在底部，長期以來也會形成堵塞。

表5 孔隙率對透水混凝土堵塞恢復的影響

3.3 水灰比和塌落度對透水混凝土堵塞性能的影響

圖7 水灰比對透水混凝土抗堵塞性能的影響

圖8 擴展度對透水混凝土堵塞的影響

通過實驗組為4、7和8，集料粒徑為G2的透水混凝土來探究水灰比對透水混凝土抗堵塞性能的影響，水灰比梯度分別設置為0.24，0.26 和0.28，通過調整減水劑的加入量保持水泥凈漿擴展度為160mm。圖7為水灰比對透水混凝土抗堵塞性能的影響。由圖7可知，水灰比增加，堵塞循環次數降低，但影響不大。

通過實驗4、實驗9和實驗10，集料為G2，擴展度分別為160mm，180mm和205mm。來探究漿體流動度對透水混凝土抗堵塞性能的影響。圖8為擴展度對堵塞循環次數的影響。從圖8可以看出，漿體擴展度增大，透水系數和抗堵塞性能急劇下降。原因是漿體擴展度增大，會出現沉漿，下表面被漿體堵塞，從而導致抗堵塞能力下降。

表6為漿體擴展度對透水混凝土堵塞性能的影響。表中可以看到，隨著擴展度的增加，滯留試件表面的堵塞物百分比增加。可能的原因是，擴展度增大時，試件表面孔隙率減小，堵塞物無法進入透水混凝土內部的孔隙，滯留在表面的堵塞物的質量增加。同時表面孔隙較少，透水混凝土的清潔養護的困難程度也大大提高，清洗后透水性能的恢復程度也較低。

表6 擴展度對透水混凝土堵塞恢復的影響

4 結論

（1）改變堵塞物粒徑大小，堵塞劑D4四次循環后試件的透水系數維持在較高的水平，約為未堵塞之前的50%。其他三組試件四次堵塞循環后透水系數都下降到原來的20%以下。粒徑較大的堵塞物顆粒無法對透水混凝土試件進行有效的堵塞，連續級配的堵塞劑對透水混凝土的堵塞效果更明顯。

（2）設計空隙率越大，在表面的堵塞物越小，在實驗條件下透水恢復情況更好，但是實際中仍會形成堵塞。

（3）在成型透水混凝土的過程中，要特別控制漿體的擴展度。擴展度為160mm的透水系數恢復可達到62.4%，而擴展度為180mm僅為51.6%。擴展度過大，流動性過高，會造成透水混凝土底面出現掛漿的情況，造成表面孔隙的堵塞，減少表面連通孔的數量，嚴重影響透水混凝土的透水性能，使孔隙更容易被堵塞失效。

（4）可在混凝土表面設置一層孔直徑小于大多數路面灰塵的砂漿，灰塵不會落到混凝土內部，且在表面易于清洗。從而保持一定的透水系數和耐久性。

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