砂率對人行道透水磚性能影響的試驗研究

陳曉霞，劉志彬

（安陽工學院，河南安陽455000）

0 緒言

隨著城市化進程的推進，極端天氣頻度加劇，導致城市雨水系統承受的壓力相應增加。相伴共生的城市內澇、水污染等問題給城市帶來困擾，也同時制約著經濟的發展。2014年11月住房和城鄉建設部正式出臺《海綿城市建設技術指南—低影響開發雨水系統構建（試行）》，標志著海綿城市已正式上升為國家戰略。海綿城市建設理念作為一個立足于中國國情的綜合性解決方案，有助于解決我國城市內澇、水資源缺乏等諸多問題。

建設具有自然積存、自然滲透、自然凈化功能的海綿城市是生態文明建設的重要內容，是實現城市和環境資源協調發展的重要體現，是建設美麗中國的重要方式，也是今后我國城市建設的重大任務[1-2]。海綿城市的建設離不開“海綿體”，包括河流、湖泊、花園、透水地面等。雨水降落到上述“海綿體”上可迅速下滲到地面以下，自然地表對雨水具有儲蓄、凈化及循環利用功能，從而減少各種城市病的發生。將不同材料制成的透水磚作為一種有效的“海綿體”成為海綿城市建設的重要研究內容[3-6]。透水磚的應用，將有效緩解傳統排水系統的壓力，同時具有吸音減噪的特點，有效緩解城市熱島效應，具有很大的使用價值和發展前景。

1 試驗材料、裝置及方法

1.1 試驗材料

試驗材料包括水泥、集料和水。

水泥：采用42.5MPa普通硅酸鹽水泥；

集料：采用0～5mm的礫石及普通粗砂；

水：采用常溫自來水。

1.2 試驗裝置和方法

研究透水混凝土需要進行的試驗包括力學性能試驗和透水性試驗。

1）力學性能試驗。透水混凝土的力學性能試驗采用抗壓強度作為其重要力學指標。采用4個150mm×150mm×150mm的標準試塊，分別測7天和28天的抗壓強度。試驗方法參照普通混凝土（GB/T50082-2009）的測試方法，測試時采用NYL-30型壓力試驗機。

2）透水性試驗。透水性試驗采用TS-A型透水系數試驗裝置，取直徑為100mm，高度為50mm圓柱體作為試樣。試驗前，先用鋼直尺測量圓柱試樣的直徑（D）和厚度（L），分別測兩次，取平均值，精確至0.1cm，計算試樣的表面面積（A）。試驗時先將待測試塊放入水中浸泡20min，之后將其取出裝入透水系數試驗裝置，將試塊與透水圓筒連接密封好。放入溢流水槽，打開供水閥門，使水進入容器中。等溢流水槽的溢流孔有水流出時，調整進水量，使透水圓筒保持一定的水位（約150mm），待溢流水槽的溢流口和透水圓筒的溢流口的流水量穩定后，用量筒從出水口接水，記錄5min流出的水量，測量3次，取平均值。最后用鋼直尺測量透水圓筒的水位與溢流水槽水位之差（H），精確至0.1cm。用溫度計測量試驗中溢流水槽中水的溫度（T），精確至0.5℃。將以上測量數據代入計算公式KT=Q×L/(A×H×t)中即可得透水混凝土的透水系數[7]。

2 透水混凝土配合比設計

通過合理的配合比參數的改變，在確保骨料表面被水泥砂漿充分包裹的前提下，盡可能使骨料間具有足夠的連通空隙，使混凝土既滿足強度的要求，又具有良好的透水性。在大量試驗結果以及對透水混凝土理論理解的基礎之上，本次試驗選定透水混凝土配合比設計的參數為：水灰比取0.3、0.35、0.4、0.45、骨灰比為3.5、4、4.5、5和砂率分別為10%、15%、20%、25%。

3 試驗結果和分析

3.1 強度試驗結果和規律分析

抗壓強度作為透水混凝土重要的力學指標，對透水混凝土在工程實踐中的應用有很大的影響。本次試驗測得了在不同水灰比、骨灰比和砂率條件下養護7天和28天的抗壓強度。試驗結果如圖1(a)、(b)、(c)所示。

圖1 抗壓強度隨水灰比、骨灰比及砂率的變化規律

由圖1可以得出以下結論：

1）隨著透水混凝土齡期的增長，水化程度逐漸完全，28天抗壓強度均比7天抗壓強度要大，但增幅不大；

2）在水灰比不大于0.35時，抗壓強度隨水灰比的增大而增大；水灰比超過0.35之后，抗壓強度隨水灰比的增大而減小。水灰比為0.35時28天抗壓強度最高，達到35.9MPa。水灰比過小時，水泥漿的流動性較小，部分骨料不能被水泥漿完全包裹且水泥的水化程度低，導致抗壓強度偏低；水灰比過大時，部分骨料也不能被水泥漿完全包裹，導致抗壓強度也偏低；

3）抗壓強度隨骨灰比的增大而減小。骨灰比為3.5時28天抗壓強度最高，為61.3MPa。骨灰比為5時，28天抗壓強度為36.6MPa。說明水泥用量對材料的抗壓強度起著決定性的作用；

4）抗壓強度隨砂率的增加而增大。砂率為10%時，28天抗壓強度為30.1MPa；砂率為25%時，抗壓強度為62.1MPa，增大了一倍多。混凝土試塊中有較多孔隙，隨著砂率的增加，水泥漿可以充分包裹骨料表面，試塊密實，強度增大；

5）若采取合適的配合比，再生骨料和膠凝材料間有很強的黏結力。破壞一般發生在基體一側，體現出較高的強度。而當骨灰比偏高或水灰比偏低時，由于水泥漿不足以充分包裹骨料，破壞往往發生在骨料和水泥結合面上，導致混凝土提前破壞[4]。

3.2 透水性試驗結果和規律分析

透水系數也是透水混凝土的一個重要指標。透水混凝土隨水灰比、骨灰比及砂率的變化規律如圖2、圖3、圖4所示。

由圖2至圖4可得出如下結論：

1）相同條件下，隨著透水混凝土齡期的增長，透水系數均會不同程度地減小；

2）水灰比的影響情況比較復雜。當水灰比為0.3時，水泥漿的流動性較小，部分骨料不能被水泥漿完全包裹，成型困難；而且攪拌不充分，易使水泥漿聚集在某一區域，阻塞空隙，導致透水性能下降；當水灰比增加至0.35時，水泥漿攪拌均勻，不易出現阻塞的情況，透水性比水灰比為0.3時改善很多。當水灰比繼續增加時，水泥漿過多，空隙易被阻塞，所以透水系數有所下降；

3）隨著骨灰比的增大，由于水泥漿數量減少，形成大量空隙，相互連通形成透水通道，透水系數逐漸上升，在骨灰比為5.0時達到最高。

4）透水系數隨砂率的增加而減小。砂率為10%時透水系數最高，砂率繼續增加時，砂漿易堵塞骨料間的空隙，透水系數下降明顯。

圖2 水灰比變化對透水系數的影響

圖3 骨灰比變化對透水系數的影響

圖4 砂率變化對透水系數的影響

3.3 最佳配合比確定

最佳配合比的確定基于功效系數法的計算，見表1所示。

功效系數法又叫功效函數法，它是根據多目標規劃原理，對每一項評價指標確定一個滿意值和不允許值，以滿意值為上限，以不允許值為下限．計算各指標實現滿意值的程度，并以此確定各指標的分數，從而評價被研究對象的綜合狀況。

由表1可知：第1組B1試塊試驗的總功效系數最大，為1.000；第2組A2試塊試驗的總功效系數最大，為0.837；第3組B3試塊試驗的總功效系數最大，為0.707。綜合評價可以得出最優組合條件為：水灰比0.35，骨灰比3.5，砂率15%。

4 結語

當前，海綿城市的建設正在我國如火如荼地進行，公民的環保意識也有了極大的提高。城市的發展方向就是要理順人與城市環境的生態關系，營建城市生態系統。在2017年3月5日中華人民共和國第十二屆全國人民代表大會第五次會議上，李克強總理在政府工作報告中提到：要推進海綿城市建設，使城市既有“面子”，更有“里子”。透水性鋪裝成為我國城市鋪裝勢在必行的選擇。然而，現有透水磚因其強度不夠，長時間使用會產生大規模磨損、劈裂等實際問題，相較于硬化路面，透水磚的生產成本很高，易損透水磚給后期使用及維護造成巨大困難，不利于其在海綿城市建設中推廣。如何在保證透水磚透水率的基礎上，通過對透水磚結構的設計來提高透水磚強度，同時設計出鋪裝樣式豐富，與城市環境協調的透水磚是以后研究的重點。

表1 功效系數法計算過程

總之，海綿城市建設具有很好的發展前景，但也面臨著一些亟待解決的問題，而對透水混凝土的研究還處在剛剛起步的試驗階段，為了更好地推進透水混凝土材料的發展以及其在工程實踐中的應用，還需對它進行更深一步地研究。