成型方法對透水混凝土性能的影響研究

王 磊

(西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

隨著“海綿城市”的提出和推動建設，倡導低開發、低影響的城市建設理念，緩解由于城市硬化路面增加帶來的洪峰流量增加、徑流系數增大、面源污染負荷加重等城市問題，回歸自然的水文循環，實現城市自然積存、自然滲透、自然凈化的生態發展方式。透水混凝土作為一種生態環保型混凝土，由特定級配的水泥、水、骨料、外加劑、摻合料和無機顏料等按特定配合比制備而成的具有連續空隙的生態混凝土，具有良好的透水性、透氣性、保水性，在調節城市微氣候、保持生態平衡、排泄洪澇雨水、維持地下水位、較小交通噪音、緩解“熱島效應”等方面具有重要作用。

相比普通混凝土，透水混凝土既要滿足強度的力學性能，又要滿足透水性的功能要求，其性能受到集料粒徑和級配、膠結材料、水灰比、骨灰比、外加劑及攪拌工藝等多種因素的影響。目前國內學者對透水混凝土性能的眾多控制因素展開了研究，但對于成型方法對透水混凝土性能的影響卻鮮有報道。本文基于室內試驗，研究手工插搗、機械振搗、機械振搗+手工插搗、機械振搗+靜壓等4種成型方法對透水混凝土強度、透水性、孔隙率的影響，為透水混凝土的實際應用提供參考。

1 原材料及試驗儀器

1.1 試驗原材料

水泥：四川綿特普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5級)，28 d抗壓強度 52 MPa；集料：石灰巖碎石，粒徑5～10 mm，表觀密度為2 930 kg/m3，緊密堆積密度為1 700 kg/m3,孔隙率42 %，減水劑：聚羧酸高效減水劑；水：實驗室自來水。

1.2 試驗儀器

1.2.1 混凝土透水系數測定儀

試驗采用固定水量法，設計了透水混凝土系數測定儀。由上部邊長為105 mm，高度為350 mm的有機玻璃和下部支架組成，支架的設計消除了試件透水面與儀器設備接觸所帶來的試驗誤差(圖1)。

1.2.2 透水混凝土試件搗固儀

為有效發揮透水混凝土強度和透水性的特性，設計了透水混凝土試件搗固儀，主要由立桿、握柄、擋板、壓力彈簧機構和搗固頭組成(圖2)。儀器特點：

圖2 搗固儀結構

(1)通過調節擋盤5的位置，以實現控制試件搗固過程中搗棒的擾動深度，避免上部混凝土搗固適合而下部過于密實的情況發生，保證了透水混凝土整體的透水性。

(2)根據胡克定律，通過控制彈簧7的壓縮量可以定量的控制搗固力的大小，避免搗固力過大或過小。

(3)方形搗固頭2與螺桿通過螺紋4連接，便于對透水混凝土立方體試件的邊角位置進行搗固。

2 透水混凝土成型與測試

2.1 成型方法

2.1.1 手工插搗

將拌和物裝入100 mm×100 mm×100 mm的試模中，第一層1/3處，第二層2/3處，第三層滿高度。采用自制的透水混凝土試件搗固儀搗固，每一層四角處插搗6次，側面插搗10次，平面內部插搗8次，第一層搗棒應插到底部，插搗第二層和第三層時，應貫穿并插入下層10～15 mm，插搗完畢后用抹刀將成型面抹平。

2.1.2 機械振搗

將拌和物裝入100 mm×100 mm×100 mm的試模中，依照規定的時間將試模放在振動臺上振動，振搗完畢后用抹刀將成型面抹平。

2.1.3 機械振搗+手工插搗

將拌和物裝入100 mm×100 mm×100 mm的試模并在振動臺上振動3～4 s，然后用自制的透水混凝土試件搗固儀插搗至試驗所需值，完畢后用抹刀將成型面抹平。

2.1.4 機械振搗+靜壓

將拌和物裝入100 mm×100 mm×100 mm的試模并在振動臺上振動3～4 s，然后用靜壓裝置施加垂向壓力至試驗所需值并維持4 s后卸荷，完畢后用抹刀將成型面抹平。

2.2 測試

2.2.1 孔隙率的測定

將制備好的試件放入水溶液中浸泡，待其充分飽和后，在水中測其質量為m1，然后將試件取出風干后測得其質量為m2，按下式計算試件的孔隙率P。

(1)

式中：v為試件的體積；Pw為水密度。

2.2.2 抗壓強度的測定

將養護14 d的混凝土試件進行無側限單軸抗壓強度試驗，測得14 d齡期的混凝土強度，將14 d齡期測得的混凝土強度轉化為28 d的強度，取平均值作為混凝土的最終強度。

2.2.3 透水系數的測定

采用固定水量法測試透水混凝土的透水系數。測量前,首先將透水儀套在試件的上面,然后用橡皮泥將透水儀與混凝土之間接縫密封。測量時,將水快速注滿有機玻璃筒,待塑料筒中液面高度降為200 mm時開始計時(t1),直至液面下降到試件上面0 mm刻度處時計時(t2),經過時間為t2-t1,可以折算出透水系數,即V(mm/s)=200/(t2-t1)。每個試件測2次,取平均值。

3 試驗結果分析

對透水混凝土結構，透水系數和強度是其主要的性能指標。本文試驗中采用相同透水混凝土配合比，按上述不同的成型方法制作透水混凝土試塊。透水混凝土試塊的配合比如表1所示。

表1 透水混凝土試塊配合比 g

將成型好的透水混凝土置于標準養護室養護2 d后脫模，養護14 d后進行透水性和強度測試。之后，強度折算為28 d齡期時的強度。通過不同成型方法制作的混凝土試塊透水性和強度的比較，最終得到適合于透水混凝土試塊的制作方法，進而為實際的工程提供參考。

3.1 不同成型方式對透水混凝土性能的影響

在相同配合比下采用上述四種不同的成型方式制作透水混凝土試塊,最終得到的透水系數、強度和孔隙率情況如表2所示。

表2 試驗數據匯總

通過對試驗的結果分析可知，手工插搗成型法獲得的透水混凝土抗壓強度較低，但混凝土的透水系數較大，主要原因是手工插搗成型法不能使透水混凝土拌合物充分密實，混凝土內部骨料間孔隙較多，這些孔隙成為透水的通道卻降低了混凝土的抗壓強度。

與手工插搗成型的透水混凝土相比，在機械振搗作用下，其抗壓強度有所增加，而且增加幅度較大，但透水系數則降低。這是因為，機械振搗成型是通過振動減少骨料間的摩擦力進而使骨料靠自身重力達到密實，骨料在振動下逐漸密實且骨料間形成良好的機械嚙合，因而強度提高。但是隨著振動時間的增加，包裹在骨料周圍的水泥漿體會因重力作用下落并填充在混凝土中的孔隙中，堵塞了連通的孔隙，降低了混凝土的透水性能。

相比之下，機械振搗+手工插搗成型法的成型效果最優，使用這種方法獲得的透水混凝土抗壓強度和透水系數較機械振搗成型法有所提高。分層多次插搗與振動一起，使得骨料比較整齊致密的排列，骨料之間形成良好的咬合，水泥漿包裹在骨料周圍比較均勻，沒有出現漿體下沉等現象，由于是人工插搗，骨料破損少，因而其強度和透水系數均較高。

而在機械振搗+靜壓成型法中，振動使透水混凝土拌合物中的骨料發生位移并填充到有效的位置，此時水泥漿體均勻包裹骨料且不會發生滴漿；之后的壓力成型使骨料顆粒的間距進一步減小，骨料顆粒之間接觸點增多。但骨料不會發生壓碎，最終使透水混凝土內部的骨料顆粒緊密嚙合，形成密實的結構。機械振搗+靜壓成型法在提高混凝土強度的同時，極大地降低了透水混凝土內部孔隙良好連通，因此降低了其透水性能。

3.2 透水水泥混凝土透水系數與有效孔隙率的相關性分析

有效孔隙率指透水水泥混凝土內部上下連通的孔隙，是水自上而下流出的通道，即有效孔隙率的存在是透水水泥混凝土能夠透水的基礎。在相同配合比下，四種不同的成型方式對透水水泥混凝土的孔隙率影響不同。通過實驗數據分析可知，透水系數越大，有效孔隙率越大。但相對而言，采用不同成型方式成型的透水混凝土，其有效孔隙率相差不大。

3.3 實驗室成型方法選擇

通過對不同成型方式下透水混凝土透水系數和強度的分析，可以得到，在實驗室條件下，采用機械振搗+手工插搗法的成型效果最優。另外，通過對破碎混凝土試件觀察可以發現，上部混凝土的孔隙率比下部混凝土的孔隙率高，這是由于重力的緣故，水泥漿等流體以及細小顆粒在未成形時向下聚集的結果，因此在施工過程中應當盡量避免過量的振動，并采取適當措施保證混凝土結構上下部之間的均勻性，以保證透水效果。采取分層搗固的形式，使上下部受到的有效壓力更加均勻。盡量少擾動下部混凝土，減少氣泡的破裂，通孔的堵塞。

4 結論

(1)通過以上的實驗分析可知，不同成型方式對透水混凝土的透水系數和強度均有較大影響。采用機械振動方式在臺上振動3～4 s，用自制的透水混凝土試件搗固儀插搗的方式制作的透水混凝土試塊在強度和透水性兩個指標方面，綜合性能最優。

(2)通過對透水混凝土孔隙率的分析可知，透水混凝土的透水性主要體現在有效孔隙率。有效孔隙率小幅度的變化會對透水系數產生很大的影響。