無砂透水混凝土設(shè)計方法與基本性能試驗研究

張嬌磊，李 進，袁大偉，李書鋒，胡春生，鄧 樂

(1.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055；2.許昌學院交通運輸學院，河南 許昌 461000；3.北京市燕通建筑構(gòu)件有限公司，北京 102200)

0 前 言

透水混凝土是一種內(nèi)部非封閉且多孔的材料[1]，其細骨料含量相對傳統(tǒng)混凝土較少或者沒有，通常只有單一粒徑或者一定級配的粗骨料，形成原理是通過包裹在粗骨料表面上的膠凝材料硬化后形成連續(xù)的膠結(jié)體而連接在一起[2]，再經(jīng)過一系列的壓制、振搗而制成。透水混凝土最早出現(xiàn)于19世紀中期，經(jīng)過一個多世紀的不斷發(fā)展完善之后，由于全球?qū)Νh(huán)境問題和可持續(xù)解決方案重視程度不斷提高，同時在廣大社會需求的推動下，直接加快了透水混凝土的研究與推廣工程應用，在21世紀初，國內(nèi)外眾多學者也開展了關(guān)于透水混凝土的相關(guān)研究，并取得不錯的成果運用到實際工程中[3]。隨著國家“海綿城市”理念不斷深入，快速緩解城市的“熱島效應”，透水混凝土作為一種新型的環(huán)保節(jié)能材料能很好地解決這一問題，可作為這一問題的可持續(xù)性解決方案，也是我國以后綠色城市建設(shè)的發(fā)展趨勢[4]。我國于2015年由國務院頒布了《關(guān)于推進海綿城市建設(shè)的指導意見》，旨在全國范圍內(nèi)加快推廣海綿城市的建設(shè)[5]。因此，對無砂透水混凝土展開研究具有十分重要的意義。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

試驗采用湖波牌水泥P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，粗骨料采用經(jīng)過篩分的破碎性石灰?guī)r，粒徑在5～20 mm，其各項技術(shù)性能指標滿足《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 135—2009)[6]中的要求；其增強劑用量在試驗之前進行預試驗，找出增強劑合適的摻量，摻量范圍為水泥摻量的3%～6%；拌和用水選用自來水。

1.2 試驗方法

本試驗采用集料表面水泥包裹法、人工振搗與機械振搗結(jié)合進行樣品制備，具體制備流程見圖1所示。

圖1 工藝流程圖

1.3 試驗測試

參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTGE 30—2005)[7]中要求，確定試件的21 d立方體抗壓強度fcu和抗折強度ff。透水系數(shù)測試方法利用定制的測試裝置，采用定水頭法，按照文獻[6]過程進行測試。

2 無砂透水混凝土試驗結(jié)果與分析

2.1 初選配合比設(shè)計思路

本文參考文獻[6]通過體積法來計算出透水混凝土的配合比。由多次預試驗，水膠比初步選用0.25、0.30、0.35，目標孔隙率選用17%、20%、23%，粒徑則選取5～10、10～15、15～20 mm。詳細參數(shù)見表1。

表1 正交試驗配合比設(shè)計

注：粒徑5表示5～10 mm、粒徑10表示10～15 mm、粒徑15表示15～20 mm，下同。

2.2 第一次正交試驗結(jié)果分析

三種因素與抗壓強度的關(guān)系見圖2。

(a)水膠比與抗壓強度的關(guān)系

(b)骨料粒徑與抗壓強度的關(guān)系

(c)設(shè)計孔隙率與抗壓強度的關(guān)系

從圖2(a)可以看出，水膠比為0.3時抗壓強度明顯高于水膠比為0.25、0.35的抗壓強度；從圖2(b)可以看出，粒徑為5 mm的強度高于其他粒徑，但綜合考慮透水性，仍需繼續(xù)試驗找到高透水率和高強度的骨料和配合比；從圖2(c)可以看出，增大設(shè)計孔隙率、骨料粒徑的增大會其抗壓強度不斷降低。由于初選水膠比范圍較大，在0.3的基礎(chǔ)上在進行調(diào)整。5 mm粒徑的石子透水率一般，為進一步提高透水率，選取骨料為10 mm，進行四因素三水平的正交試驗。

2.3 第二次正交試驗及結(jié)果分析

配合比設(shè)計見表2,試驗數(shù)據(jù)見表3。

表2 正交試驗配合比設(shè)計

表3 正交試驗數(shù)據(jù)分析

從表2的試驗結(jié)果分析可知，試驗整體的抗壓強度低于5 mm粒徑的抗壓強度，因為粒徑的增大導致混凝土內(nèi)部的比表面積減少，減小了骨料與膠凝材料的粘結(jié)，從而骨料之間也無法更好的有力粘結(jié)。由第一次正交試驗數(shù)據(jù)可知，粒徑對強度影響較大，故仍需要使用粒徑5 mm與粒徑10 mm的石子進行對比選取合適的粒徑。

從表3試驗數(shù)據(jù)中可知，水膠比分別為0.32、0.30、0.28中不摻硅灰和摻硅灰，其透水系數(shù)從9.1 mm低到0.5～3.3 mm降低了63.7%～94.5%；透水系數(shù)從3.9 mm降低到2.5 mm，降低了35.9%；透水系數(shù)從5.3 mm降低到1.6～1.9 mm，降低了64.2%～69.8%。所以硅灰雖可以提高強度，但是對透水系數(shù)影響較大，故在第三次試驗將不摻入硅灰。其中水膠比在0.28的條件下，7 d抗壓強度平均值為13.03 MPa大于水膠比為0.3、0.32的抗壓強度10.21、12.40 MPa，故選水膠比0.28±0.02繼續(xù)進行試驗，并加入一定摻量的增強劑。

2.4 第三次正交試驗及結(jié)果分析

配合比設(shè)計見表4,三因素的影響見圖3，水膠比對21 d抗壓強度和透水系數(shù)變化率影響見表5。

表4 正交試驗配合比設(shè)計

(a) 21 d抗壓強度與水膠比、粒徑、礦粉關(guān)系

(b)透水系數(shù)與水膠比、粒徑、礦粉關(guān)系

表5水膠比對21d抗壓強度和透水系數(shù)變化率的影響

水灰比21d抗壓強度/MPa最大值最小值極差抗壓強度變化率/%透水系數(shù)/(mm·s-1)最大值最小值極差透水系數(shù)變化率/%0.2620.217.52.713.370.30.220.0826.700.2826.715.411.342.3210.110.8989.000.3029.623.16.521.960.60.170.4371.67

正交試驗極差越大，所對應的因素對目標影響越大，根據(jù)圖3和表5中三個因素的極差及其相關(guān)變化率可得：影響21 d抗壓強度首要設(shè)計因素是水膠比，其次為粒徑，受礦粉含量影響不大；透水系數(shù)主要影響設(shè)計因素是礦粉，水膠比和粒徑影響相當。

從第三次試驗結(jié)果得知：在預定范圍內(nèi)的水膠比，隨著水膠比的增大，強度不斷提高，透水率也在不斷提高，主要由于隨著含水量相對的增多，加強流動性，使更多的骨料被水泥和外摻料更容易包裹住，加強其強度；骨料粒徑的增大反而使無砂透水混凝土的強度降低，骨料是透水混凝土基本骨架，其粒徑大小對混凝土內(nèi)部的密實度起決定性作用，骨料粒徑小其內(nèi)部的比表面積就大，可以結(jié)合更多的膠凝材料，增加其強度，但是骨料粒徑小會導致內(nèi)部的孔隙率減小，對透水性能有所降低；礦粉的細度大于水泥，可以填充部分水泥與未與骨料完全包裹，然后進行二次水化吸收氫氧化鈣并產(chǎn)生C-S-H凝膠來進一步提高強度。

3 結(jié) 論

本文通過三次試驗的方法逐步確定了水膠比、骨料粒徑、礦粉、設(shè)計孔隙率、增強劑、硅灰等因素的較佳比例，并得出以下結(jié)論：水膠比控制在0.28～0.30時，抗壓強度和透水性能達到最優(yōu)；骨料粒徑選用5～10 mm，以提高混凝土強度；當?shù)V粉摻量在10%左右時，可以較好地改善無砂透水混凝土的綜合性能；設(shè)計孔隙率與抗壓強度呈反比，與透水性能呈正比，設(shè)計孔隙率取17%；增強劑摻量取4.5%，因為增強劑摻量過多對透水性能有所降低；硅灰的摻入雖然能較好地提高強度，但對其透水性能的降低較大，故不摻入硅灰。