透水混凝土透水系數和抗壓強度的影響因素分析

賀圖升 謝夢倩 劉洋 黎載波

（韶關學院 化學與土木工程學院）

透水混凝土作為一種功能性路面鋪裝材料，與其他傳統不透水路面鋪裝材料相比，透水混凝土可緩解城市抗洪排水和管道疏浚的壓力，及時消除路面積水并補充地下水資源[1]，減小地基下沉；另外，通過混凝土內孔中水分的蒸發，可減少城市地面熱能吸收和緩解城市的“熱島效應”，有效降低城市的噪音污染[2]。因此，混凝土透水混凝土具有顯著的生態環境效益，符合中國目前正在推行的“海綿城市”建設理念[3]。

透水混凝土屬于骨架空隙結構，是由集料表面包裹水泥基漿體而形成的統一整體，其內部呈蜂窩狀結構，具有高孔隙率、高透水性以及低抗壓強度等特點[4]。抗壓強度和透水系數是透水混凝土配合比設計的兩個重要指標，其值相互關聯，相互制約，其值的大小直接影響到透水混凝土的使用性能[5-6]。研究表明[7-10]，透水混凝土抗壓強度和透水系數與水灰比、集灰比、集料級配、集料空隙率、混凝土表觀密度以及空隙率等因素密切相關。各因素對其性能的影響存在相互關聯、相互制約的關系，但各因素對其性能的影響程度有待進一步探討。灰色關聯分析是通過灰色關聯度來分析計算各因素對系統主行為的影響程度的一種方法[11]，本文通過對多組不同配合比透水混凝土的試驗，并運用灰色關聯分析方法對試驗結果進行分析，確定了各因素對透水混凝土抗壓強度與透水系數的影響程度，為實際工程設計與應用提供參考。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥采用PO42.5R普通硅酸鹽水泥，表觀密度3.05g/cm3，比表面積為385m2/㎏，3d和28d抗壓強度29.1MPa和49.1MPa；集料采用4.75～9.5mm與9.5～16mm單粒級石灰石碎石，密度2.733g/cm3。

1.2 試驗方法

1.2.1 攪拌與成型工藝

攪拌成型工藝：集料與適量水混合攪拌，再加入膠凝材料攪拌，然后加入大部分水和全部減水劑攪拌，最后用剩余水調整拌合物狀態。將新拌透水混凝土拌合物裝入100mm×100mm×200mm的試模，成型時將拌合物分2層裝入模具，每層50mm，每層均采用振動加壓成型工藝，成型壓力為0.08～0.09MPa，成型后24h拆模，將試件濕養護至規定齡期，測試透水混凝土的28d抗壓強度和透水系數。

1.2.2 集料空隙率測定

按照JTG E42-2005《公路工程集料試驗規程》進行集料空隙率的測定。

1.2.3 透水混凝土表觀密度和抗壓強度測定按照DL/T 5150-2017《水工混凝土試驗規程》測定透水混凝土的表觀密度和抗壓強度。

1.2.4 透水混凝土有效孔隙率測定

將試件完全浸泡在清水中24h后，測試水中試件的質量（m1），然后把試件取出，在空氣中干燥24h后測量其質量（m2），透水混凝土有效孔隙率可通過式⑴計算：

式中，

V——試件的體積，cm3；

ρw——水的密度，g/cm3。

試件的質量用美國雙杰電子秤JJ2000Y，精確到0.1g；試件的尺寸采用游標卡尺測量，精確到1mm。

1.2.5 透水混凝土透水系數測定

依據《透水路面磚和透水路面板》（GB/T 25993-2010）標準來測定透水混凝土的透水系數。

透水系數測試方法：透水混凝土試件采用尺寸為100mm×100mm×100mm的立方體，將試件裝入透水系數試驗裝置（圖1），試件與透水圓筒的連接用塑料薄膜密封好。放入溢流水槽，打開供水閥門，使水進入容器中，等溢流水槽的溢流口有水流出時，調整進水量，使透水圓筒保持一定的水位H（約150mm），待溢流水槽的溢流口和透水圓筒的溢流口流出水量穩定后，用量筒從出水口接水，記錄一分鐘流出的水量（Q）。再根據透水系數計算公式（式⑵）計算出透水系數：

式中，

kT——水溫為T℃時試樣的透水系數，cm/s；

Q——時間t秒內的滲出水量，ml；

L——試樣的厚度，cm；

A——試樣的上表面面積，cm2；

H——水位差，cm；

t——時間，s。

2 結果與分析

灰色關聯分析是基于行為因子序列微觀或宏觀的幾何接近，以分析和確定因子間的影響程度或因子對主行為的貢獻程度而進行的一種分析方法。其目的在于尋求系統中各因素之間的主要關系，找出影響目標值的重要因素，從而掌握事物的主要特征[11]。

首先確定系統行為特征X0=｛x0（k｝）為參考序列（又稱母序列），k=1,2,…，n；Xi=｛xi（k｝）為比較序列（又稱子序列），k=1,2,…，n，i=1,2,…，m。

對灰色關聯度的計算按以下步驟：

⑴對各數據序列進行初值化：

⑵計算被評價對象子序列與母序列對應元素的絕對差值Δ0i（k），即：

⑷計算關聯系數：分別計算每個比較序列與參考序列對應元素的關聯系數

式中，ξ為分辨系數，通常ξ取0.5。

以28d抗壓強度和透水系數為母序列，以相應各影響因素為子序列（見表1），并計算各影響因素與透水混凝土28d抗壓強度和透水系數之間的關聯度，分別見表2和表3。

表1 母序列與子序列

表2的計算結果顯示，各因素對透水混凝土28d抗壓強度的影響程度由大到小依次為：混凝土有效空隙率、混凝土表觀密度、集料空隙率、集灰比、水灰比、4.75～9.5mm質量百分比。

表2 各因素對透水混凝土28d抗壓強度的灰色關聯分析

表3的計算結果顯示，各因素對透水混凝土透水系數的影響程度由大到小依次為：混凝土有效空隙率、集料空隙率、混凝土表觀密度、4.75～9.5mm質量百分比、集灰比、水灰比。

表3 各因素對透水混凝土透水系數的灰色關聯分析

上述排序結果表明：

⑴有效空隙率是影響透水混凝土抗壓強度和透水系數的最主要的因素；其原因主要是隨著空隙率的增大，混凝土內部的連通孔增多，實際透水面積增大，透水受到的阻力相應減少，導致單位時間內通過的水量增加，因而透水系數增加。

⑵表觀密度反映了試件的密實程度，是與透水混凝土孔隙率密切相關的因素，是影響其抗壓強度和透水系數的重要因素。

⑶集料在透水混凝土中起支架作用，其空隙率反映了集料的堆積密實度以及集料之間的嚙合度，對透水混凝土抗壓強度和透水系數具有較大影響。

⑷水灰比對透水混凝土抗壓強度和透水系數影響較小，主要原因是：與普通混凝土中水灰比決定混凝土的抗壓強度不同，透水混凝土屬于干硬性混凝土，空隙率是影響透水混凝土抗壓強度的最主要因素，而水泥漿體對集料的均勻性包裹也是決定透水混凝土抗壓強度的重要因素，但低水灰比易造成集料與水泥漿體間粘結力下降，削弱了水灰比下降對水泥漿體的增強作用；同時透水混凝土高空隙率也大大削弱了水灰比的下降對透水混凝土的增強作用。因此，水灰比降低時，透水混凝土的整體抗壓強度提高并不明顯。在此研究范圍內，水灰比的改變對透水混凝土透水系數的影響最小。

⑸集灰比對透水混凝土抗壓強度和透水系數有一定影響。

在集料級配和用量一定的情況下，隨著集灰比的下降，水泥用量逐漸增加，集料表面包裹的水泥漿體越厚，集料之間的粘結面積以及粘結點的數量增加，透水混凝土的抗壓強度隨著集灰比的下降而增大。

隨著水泥用量的增大，粗集料之間原來連通的孔隙會逐漸減小，變得不連通，整個骨架透水通道的減少，使其透水系數降低。水泥用量的增大將使其更趨于采用填充集料之間空隙的方式來構成結構，因此使得透水混凝土的空隙率及透水系數顯著下降[12]。因此，集灰比對透水混凝土透水系數有一定影響。

3 結論

⑴由灰色關聯分析方法獲得各因素對透水混凝土抗壓強度的影響程度由大到小依次為：混凝土有效空隙率、混凝土表觀密度、集料空隙率、集灰比、水灰比、4.75～9.5mm質量百分比；各因素對透水混凝土透水系數的影響程度由大到小依次為：混凝土空隙率、集料空隙率、混凝土密度、4.75～9.5mm顆粒質量百分比、集灰比、水灰比。

⑵有效空隙率是影響透水混凝土抗壓強度和透水系數最主要因素；表觀密度反映了試件的密實程度，是與透水混凝土孔隙率密切相關的因素；空隙率反映了集料的堆積密實度以及集料之間的嚙合度，也是影響透水混凝土抗壓強度和透水系數的重要因素。