裹漿厚度和水灰比對凈漿透水混凝土性能影響的試驗研究

許林濤

(臨沂市水利水電工程建設監理中心，山東 臨沂 276300)

1 概 述

隨著我國經濟社會的迅速發展，城市規模迅速擴張。在當前的城市建設中，大多數地表被普通混凝土、石材等不透水材料覆蓋[1]。在這種情況下，不僅會造成地表徑流的迅速增加，引發城市內澇，同時也阻斷了地下水的降雨入滲補給，給區域水循環造成十分不利的影響[2]。顯然，要解決上述問題，利用透水混凝土進行城市地面鋪裝是直接和有效的工程措施。透水混凝土又被稱為無沙混凝土、多孔混凝土或大孔混凝土，是由粗骨料和膠凝材料以及大量沒有被填充的孔隙構成，具有一定的強度和良好的透水性[3]。透水混凝土的使用最早可以追溯至1852年的英國，上世紀60代開始美國、日本等西方發達國家對其進行了深入研究，并在城市地面鋪裝和水利工程建設領域得到十分廣泛的應用。我國對透水混凝土的研究起步較晚，直到上世紀90年代才全面展開。由于透水混凝土的理論和制備工藝方面缺乏深入研究，特別是強度和透水性方面的矛盾至今未能得到徹底解決，因此限制了其應用和推廣[4]。

2 試驗設計

2.1 試驗材料

試驗用水泥為P·O42.5普通硅酸鹽水泥，經過對試樣的檢測，其各項物理力學性能指標符合相關規范的要求，可以用于本次試驗研究。試驗研究使用的粗骨料是人工碎石，粒徑為5～10 mm，粗骨料為石灰巖巖質，堿性，質地堅硬，在加熱至最高拌和溫度過程中沒有出現開裂和分解現象，同時與水泥漿之間具有良好的黏附力，堅固性好，滿足相關技術要求[5]。試驗用硅粉型號為920U的半加密硅粉，試樣的檢測結果顯示其密度、含水率、親水系數均滿足相關規范要求，可以用于本次試驗研究[6]。試驗用礦粉為高爐礦渣礦粉；試驗用膠粉為防水膠粉；試驗用減水劑為聚羧酸高效減水劑。

2.2 試驗方案

為了提高透水混凝土的強度，在降低水灰比的同時，還需要加入一定量的減水劑對漿液的稠度進行調節。本次研究中進一步摻入一定量的礦粉、硅粉和膠粉，以提升水化反應度和黏結性能。基于研究的目的，試驗中將裹漿厚度和漿液的水灰比作為試驗參數，正交試驗方案見表1。

表1 正交試驗設計表

2.3 試驗過程

按照上節設計的正交試驗方案，每種方案制作3個試件，共25組，75個試件。試件制作的模具為內徑100 mm、高100 mm的圓柱形鋼模。試驗過程中將模具清理干凈，放在烘箱內加熱后，在其內側涂刷一層脫模劑，然后將按照試驗設計標準利用水泥裹石法制備的透水混凝土倒入模具，并插搗密實。試件按層高50 mm分上下兩層單面擊實，再自然冷卻至常溫后脫模[7]。脫模后的試件在標準養護條件下養護至相應的齡期，然后進行后續實驗。

2.4 試驗方法

研究中透水混凝土的抗壓強度在試塊28d齡期測定，測定標準按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002)進行，試驗測定中對試塊受壓破壞時的最大荷載進行記錄，并將每組3個試件的均值作為本組試驗的最終結果。試件的透水系數利用上海東方試驗儀器廠生產的透水系數測定儀器測定，測定過程中每個試件測試兩次，將其均值作為該試件的結果，將所有3個試件結果的均值作為本組試驗的最終結果。

3 試驗結果與分析

3.1 抗壓強度試驗結果與分析

對抗壓強度試驗結果進行整理，結果見圖1。由試驗結果可知，在裹漿厚度保持不變的情況下，試件的抗壓強度值隨著試件水灰比的降低呈現出先減小后增大的變化特征，但是總體而言其變化幅度并不大，且當混凝土的水灰比為0.28時，試件的抗壓強度最大。另一方面，如果試件的水灰比不變，試件的抗壓強度值會隨著裹漿厚度的增加而明顯增大，說明裹漿厚度會對試件的抗壓強度值產生顯著影響。總體來看，試件的抗壓強度值在水灰比為0.28、裹漿厚度為0.40 mm的條件下取到，為43.67 MPa。究其原因，在水灰比一定的情況下，裹漿厚度越大，混凝土中的水泥漿數量越多，而透水混凝土試件中的孔隙比例減小，從而使試件的整體密實度明顯增高，因此造成抗壓強度值的明顯增大。另一方面，在裹漿厚度不變的情況下，水灰比的增加會顯著提升漿液的工作性能，提高粗骨料的連接度，因此也可以提高試件的抗壓強度。

圖1 不同裹漿厚度和水灰比條件下的試件抗壓強度值

3.2 透水系數試驗結果與分析

對透水系數測定數據進行整理，結果見圖2。由試驗結果可知，在裹漿厚度保持不變的情況下，試件的透水系數會隨著試件水灰比的降低呈現出先減小后增大的變化特征，但是總體而言其變化幅度并不大，且當混凝土的水灰比為0.28時，試件的抗壓強度最大。另一方面，如果試件的水灰比不變，試件的透水系數會隨著裹漿厚度的增加而明顯減小，說明裹漿厚度會對試件的透水系數產生顯著影響。總體來看，試件的透水系數的最小值在水灰比為0.28、裹漿厚度為0.40 mm的條件下取到，為0.99 mm/s。試件的透水系數的最大值在水灰比為0.24、裹漿厚度為0.20 mm的條件下取到，為1.50 mm/s。究其原因，在水灰比一定的情況下，裹漿厚度越大，混凝土中的水泥漿數量越多，而透水混凝土試件中的孔隙比例減小，從而使試件的整體密實度明顯增高，因此造成透水系數明顯減小。另一方面，在裹漿厚度不變的情況下，水灰比的增加會顯著提升漿液的工作性能，提高粗骨料的連接度，因此也可以降低試件的透水系數。

圖2 不同裹漿厚度和水灰比條件下的試件透水系數

3.3 抗壓強度和透水系數之間的相關性分析

從上文的分析可知，制備的透水混凝土透水系數會隨著抗壓強度的增大而降低，因此本節對上述兩個參數之間的相關性進行進一步的分析。結果顯示，透水混凝土的透水系數與抗壓強度之間的相關性系數為-0.878 6，說明兩者之間存在明顯的負相關關系，說明透水混凝土強度的增長和透水系數的降低之間存在比較顯著的相關性。根據相關性分析的結果，對兩者之間的關系進行多模型擬合，結果見圖3。

圖3 抗壓強度和滲透系數之間的擬合結果

擬合得到的回歸方程為：

(1)

式中：Z1為透水系數，mm/s；Z2抗壓強度，MPa。

鑒于透水混凝土的抗壓強度和透水性之間的負相關關系，在配合比的具體設計過程中，不可忽視上述兩個參數之間的緊密聯系，也就是利用透水性和抗壓強度相互表征。因此，可以將其中的一個參數視為主要目標參數進行透水混凝土配合比優化研究，降低研究的復雜性，提高優化試驗的效率。

4 結 論

隨著生態理念工程建設領域的廣泛應用，透水混凝土必將在城鎮建筑和水利工程領域得到廣泛應用。采用正交試驗的方法，對裹漿厚度和水灰比對凈漿透水混凝土性能的影響進行試驗研究，獲得的主要結論如下：

1) 在裹漿厚度不變的情況下，試件的抗壓強度值隨著試件水灰比的降低呈現出先減小后增大的變化特征，但是總體而言其變化幅度并不大；在水灰比不變的情況下，試件的抗壓強度值會隨著裹漿厚度的增加而明顯增大，說明裹漿厚度會對試件的抗壓強度值產生顯著影響。

2) 在裹漿厚度不變的情況下，試件的透水系數會隨著試件水灰比的降低呈現出先減小后增大的變化特征，但是總體而言其變化幅度并不大；在水灰比不變的情況下，試件的透水系數會隨著裹漿厚度的增加而明顯減小，說明裹漿厚度會對試件的透水系數產生顯著影響。

3) 相關性分析結果顯示，透水混凝土透水系數和抗壓強度之間存在明顯的負相關關系，可以將其中的一個參數視為主要目標參數進行透水混凝土配合比優化研究，選擇合適的水灰比和裹漿厚度。