透水混凝土路面滲透試驗尺寸效應研究

李 昊 孫 華

(1.湖北宜華工程咨詢服務有限公司，湖北 襄陽 441000； 2.泛華建設集團有限公司，北京 100071)

0 引言

隨著我國城市化進程越來越快，建筑面積和道路越來越多，不透水面積不斷增加，城市小雨積水、大雨內潰、水體黑臭、熱島等環境問題愈發嚴重。為此，自2014年10月開始國家大力推行具有吸水、蓄水、凈水和釋水功能的海綿城市建設。透水混凝土路面多孔隙結構使得路面具有良好的滲透性能，進而使得透水混凝土路面在海綿城市建設中得到廣泛的應用，其滲透性能是熱切關注和研究的內容[1，2]。

實際工程中，透水混凝土路面一般由水泥、粗骨料、外加劑、水配制而成，但配合比不盡相同，粗骨料的級配也較寬泛，加之養護環境的差異，其滲透性能呈現明顯差異。滲透系數是表征透水混凝土路面滲透性能的宏觀參數。關于透水混凝土路面滲透系數的測試方法，目前沒有相關規程規范可循，主要以基于達西定律的室內試驗為主，分為常水頭和變水頭。由于透水混凝土路面粗骨料粒徑較大和選用范圍較寬泛，這兩種方法均存在值得關注的尺寸效應和滲透裝置直徑如何選擇的問題。

前人對透水混凝土路面滲透試驗尺寸效應問題研究較少，而對粗粒土滲透試驗尺寸效應有一定研究。對于粗粒土滲透試驗，規程[3]規定儀器內徑應大于試樣粒徑d85的5倍。朱國勝等[4]通過粗粒土滲透試驗研究得出：滲透系數隨著滲透儀直徑與試樣粒徑d85比值的增大而增大，但增大的速率越來越緩，當滲透儀直徑為試驗材料d85的6倍時，滲透系數尺寸影響已不明顯。由于透水混凝土路面不同于一般的粗粒土堆積體，由多個材料配制而成，特別是膠凝材料將粗骨料膠結在一起，使得透水混凝土路面骨架的最大粒徑更大，加之透水混凝土路面粗骨料級配一般較單一，故透水混凝土路面滲透試驗的尺寸效應和如何選擇滲透裝置的直徑不同于粗粒土。

設置3種粗骨料粒徑的透水混凝土路面，每種透水混凝土路面設置5種內徑的滲透儀器，定義圓筒滲透儀器內徑與透水混凝土路面粗骨料最大粒徑的比值為徑徑比t，建立透水混凝土路面滲透系數與徑徑比t之間的關系，旨在探討透水混凝土路面滲透試驗尺寸效應及選擇滲透裝置內徑的方法，為室內準確測定透水混凝土路面滲透系數提供依據。

1 透水混凝土路面試樣制備與試驗方法

1.1 原材料和配合比

水泥采用強度等級為42.5級的普通硅酸鹽水泥；粗骨料采用質地堅硬、潔凈碎石；外加劑采用具有保水、增強、增稠功能的增強劑；拌合及養護用水為自來水。配合比見表1。

表1 透水混凝土路面配合比

1.2 試樣制備流程

1)試樣攪拌：采用集料表面包裹法[5，6]。先將全部粗骨料和70%的拌合水預先攪拌1 min，然后加入50%的水泥和全部外加劑，繼續攪拌1 min，最后將剩余的50%水泥和30%的拌合水加入攪拌機，攪拌2 min，整個過程共攪拌4 min。

2)試樣成型：采用靜壓成型的方式[7，8]，以規范推薦的松浦系數1.1進行壓實。將新拌混凝土裝入13.2 cm高的PVC試模管里，然后施加0.6 MPa～0.8 MPa的壓力至試樣高度為12 cm，PVC試模管內壁涂有凡士林以減小邊壁效應的影響。

3)試樣養護：試件成型后立即帶模具進行標準條件養護，養護28 d后測滲透系數。

1.3 試驗方法

定義圓筒滲透儀器內徑與透水混凝土路面粗骨料最大粒徑的比值為徑徑比t。采用3種常見粒徑范圍分別為2 mm～5 mm,5 mm～10 mm,10 mm～15 mm的粗骨料配制透水混凝土路面，針對每1種透水混凝土路面，采用5種不同直徑的PVC管模具進行制樣，進而產生5種不同的徑徑比t。

滲透系數采用變水頭法。變水頭裝置中，變水頭管與試模管通過套筒連接，方便拆卸和安裝，套筒內壁、變水頭管與試模管外壁涂凡士林以防止漏水，溢水孔底部距試樣表面350 mm左右，由下面公式測定試樣的滲透系數K：

其中,K為試樣的滲透系數，mm/s；a為變水頭管的內截面面積，mm2；A為試樣的橫截面積，mm2；L為試樣的高度，mm；h1為變水頭管中水的初始高度，mm；h2為變水頭管中水的最終高度，mm；t0為測滲透系數時變水管中的水位從h1處降到h2處所歷時間，s。

2 試驗結果及分析

圖1為3種透水混凝土路面滲透系數與儀器內徑的關系圖。從圖1中可以看出，試樣的滲透系數隨著滲透儀器內徑的增大而增大，但增大的速率越來越緩。由于骨料自身幾乎沒有滲透性，當儀器內徑較小時，單個骨料的截面面積在試樣斷面中占有較大比例，從而導致滲透系數偏低。隨著儀器內徑增大，骨料在試樣斷面中占有的面積相對減小，顆粒的分布對滲透系數的影響也越來越小，其滲透系數也越來越接近材料的實際值。

將內徑最大的滲透儀器測得的滲透系數視為該透水混凝土路面的實際值，以此評價其他內徑儀器的測量值。表2～表4分別給出了3種透水混凝土路面5組試驗滲透系數與實際值的比值S。不妨稱S為尺寸效應率，S值越大，尺寸效應越明顯。

圖2為3種透水混凝土路面尺寸效應率S值與徑徑比n值之間的關系。從圖2可看出，S值隨著n值的增長而減小，當n值在4.52～5.44之間時，尺寸效應非常明顯，S值在7.37～8.37之間，表明實際值為此時測量值的7.37倍～8.37倍；當n值在7.83～9.04之間時，S值在2.29～2.43之間，實際值為此時測量值的2.29倍～2.43倍；當n值在11.74～13.92之間時，S值在1.26～1.38之間，實際值為測量值的1.26倍～1.38倍；當n值在15.08～16.60之間時，S值在1.06～1.08之間，此時測量值與實際值之間的差距可以忽略。可見，透水混凝土路面滲透試驗儀器內徑要取粗骨料最大粒徑的15倍以上。

表2 2 mm～5 mm粗骨料試樣尺寸效應

表3 5 mm～10 mm粗骨料試樣尺寸效應

表4 10 mm～15 mm粗骨料試樣尺寸效應

3 結論

設置3種粗骨料粒徑的透水混凝土路面，每種透水混凝土路面設置5種內徑的滲透儀器，進行透水混凝土路面滲透試驗尺寸效應研究，主要結論如下：

1)透水混凝土路面的滲透系數隨著滲透儀器內徑的增大而增大，但增大的速率越來越緩。

2)當透水混凝土路面滲透儀器內徑為粗骨料最大粒徑的15倍以上時，尺寸效應的影響基本可消除。

3)探討了如何選取透水混凝土路面滲透試驗儀器內徑，為室內準確測定透水混凝土路面滲透系數提供依據。