高強透水混凝土試驗研究

葛宇川，黃曉穎，劉數(shù)華＊

（1. 海綿城市建設水系統(tǒng)科學湖北省重點試驗室（武漢大學），湖北 武漢 430072；

2. 西安科技大學管理學院，陜西 西安 710054）

0 前言

透水混凝土具有廣泛的應用前景：收集雨水，使其回滲到地下，維持地下水資源的生態(tài)平衡，防止地表下沉；集中降雨時減輕城市排水負擔，防止內(nèi)澇、河流泛濫和污染；吸收太陽熱和環(huán)境其他熱源放出的熱量，在環(huán)境溫度降低時又將熱量放出，緩解“熱島效應”；吸收汽車、鐵路交通以及環(huán)境的其他噪音，改善視覺環(huán)境[1-3]。可見，透水混凝土有較好的應用前景，尤其是當前國家正在大力推動海綿城市的發(fā)展。

透水混凝土的研究具有較長的歷史。二十世紀初期，人們開始制造具有透水性的預制混凝土構(gòu)件，并將其運用在房屋建設中。美國在 1972 年通過了清潔水資源法案（Clean Water Act），規(guī)定各州需保證被收集雨水的清潔度，因此人們開始大量開展對透水混凝土設計的研究[4]；上世紀七十年代，英國學者在路面鋪設中采用了透水混凝土，且鋪設路段使用良好[5]；日本相關(guān)學者為了改善地下水位下降的問題，研究透水混凝土透水系數(shù)、孔隙率和強度之間的關(guān)系，并申請了有關(guān)透水混凝土的專利[6,7]。上世紀九十年代末到本世紀初，歐美相關(guān)學者對透水混凝土的外觀特性、力學特性、透水性和耐久性進行了系統(tǒng)性研究，并總結(jié)提出了一種新的透水混凝土路面設計方法[8,9]。

我國對透水混凝土材料的研究歷史相對較短，主要研究了透水混凝土的力學特性、透水性和耐久性，以及其相對普通混凝土的特點[10-13]。但到目前為止，對透水混凝土配合比設計的理論研究還較少。且目前實用型透水混凝土強度多為 20～25MPa，強度偏低，應用于海綿城市建設的實用性明顯不夠。本文設計了一種高強透水混凝土來滿足實際需要，并分析其強度和透水系數(shù)的影響因素。

1 試驗

1.1 原材料

原材料主要包括水泥、硅灰、石料、減水劑和水。本文水泥采用亞東水泥廠生產(chǎn)的亞東 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，硅灰購自湖北省某公司，采用 5～10mm 的碎石骨料，使用 GK-3000 聚羧酸高效減水劑，含固量為23%。原材料性質(zhì)檢測結(jié)果如表 1～4 所示。

表 1 水泥性質(zhì)檢測結(jié)果

表 2 水泥化學成分 %

表 3 硅灰化學成分 %

表 4 骨料性能參數(shù)

1.2 試驗方法

高強透水混凝土的配合比設計如表 5 所示。攪拌工藝采用一次加料法，將凝膠材料、骨料和外加劑拌和 30s，再加水后拌和 5min，之后裝入 100mm 的立方體試模中振動 30s，標準養(yǎng)護至 14d 和 28d。透水混凝土的抗壓強度和抗折強度測試按照 GB/T 50107—2010《混凝土強度檢驗評定標準》標準進行。

表 5 配合比設計

采用自制透水儀測試混凝土的透水系數(shù)，如圖 1 所示。電子儀器與水箱結(jié)構(gòu)為一體，通過電子水位記錄儀記錄水位變化，透水面為 6 個 100mm×100mm 的面，通過電子儀器的程序自動獲得透水系數(shù)，透水系數(shù)計算式為：

式中：K——透水系數(shù)，cm/s；

h——水箱內(nèi)高度變化，cm；

S——水箱截面積，cm2；

A——透水面總面積，cm2；

t1——開始測試時間，s；

t2——終止測試時間，s。

圖 1 透水系數(shù)測量裝置示意圖

2 試驗結(jié)果與分析

四組透水混凝土的抗壓強度和透水系數(shù)如表 6 所示，可以發(fā)現(xiàn)：由于存在連通的微觀孔隙，透水混凝土具有較好的透水性；相對于普通混凝土，透水混凝土的滲透系數(shù)有很大的提升，同時抗壓強度不可避免地下降。在混凝土設計配合比的過程中，為了獲得較好的透水性，骨料只包含粗骨料，因而孔隙率很高，相應地，由于孔隙率的提高，內(nèi)部缺陷增多，因而混凝土強度下降。

表 6 抗壓強度和透水系數(shù)

2.1 影響透水混凝土抗壓強度的因素

從圖 2 可以看出，隨著骨膠比的減小，膠凝材料（水泥+硅灰）的用量增多，透水混凝的抗壓強度略有提升。C1、C2 組骨膠比為 4.27，兩者的抗壓強度接近；C3 組骨膠比為 4.0，其抗壓強度有較大的提高，28d 抗壓強度超過 30MPa。一般認為，粗骨料之間的摩擦力以及粗骨料和凝膠材料漿體的結(jié)合程度共同影響著透水混凝土強度。由于在配合比設計時，四組試樣均采用了相同的粗骨料，則透水混凝土的強度主要受粗骨料和凝膠材料漿體黏結(jié)強度的影響[14]。接觸界面的強度和厚度主要受凝膠材料性質(zhì)和用量的影響。因此，骨膠比的減小，透水混凝土的抗壓強度有較大的提高。

圖 2 各組抗壓強度

與普通混凝土不同，水膠比對透水混凝土強度的影響似乎不大，不是影響透水混凝土強度的主要因素。透水混凝土本來就是一種比較干的混凝土，在制備過程中，如果水膠比降低，意味著用水量的減少，對水泥漿體在骨料上的均勻、完整覆蓋造成不利影響，進而影響試件成型后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，反而會對混凝土抗壓強度的提升有阻礙作用。因此，在透水混凝土中，水膠比的降低無法帶來抗壓強度的明顯提升。

2.2 影響透水混凝土滲透系數(shù)的因素

透水混凝土的透水性取決于混凝土內(nèi)部孔隙，孔隙一般包含開口孔隙、半開口孔隙和閉口孔隙，只有開口孔隙對透水性有貢獻。如圖 3 所示：隨著骨膠比的減小，水泥用量增加，骨料之間的空隙被凝膠材料填充，孔隙率降低，因而不易形成連通孔隙，透水通道減少，透水系數(shù)降低。在 C3 組骨膠比為 4.0 時，骨膠比在試驗組中為最低值，其 14d 滲透系數(shù)僅為 5.96cm/s，為各組最低。

在配合比設計時，水膠比選擇在 0.24～0.26 之間。可以看出，試件滲透系數(shù)和水膠比并沒有明顯的相關(guān)性。一般來說，水膠比過大，則漿體太稀，容易堵塞孔隙，不利于透水。

圖 4 為透水混凝土 14d 抗壓強度和滲透系數(shù)對比圖。總的來說，在水膠比、骨膠比等因素的影響下，透水混凝土透水系數(shù)和抗壓強度呈現(xiàn)明顯的負相關(guān)。

圖 3 各組滲透系數(shù)

圖 4 14d 抗壓強度和滲透系數(shù)對比

3 結(jié)論

透水混凝土抗壓強度和透水系數(shù)主要受骨膠比影響，水膠比的影響較小。水膠比過大容易導致混凝土孔隙堵塞，對強度和透水性均不利。透水混凝土的抗壓強度和透水系數(shù)呈現(xiàn)明顯的負相關(guān)，在設計配合比時，應根據(jù)工程實際，在透水性和強度之間取得平衡。