透水混凝土透水性能與力學性能

張維維， 譚 燕， 帥 佳， 易晨光

(湖北工業大學土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068)

城市發展帶來的諸多城市生態問題，如熱島效應和城市內澇等[1]，我國政府結合雨洪管理方面的成果和經驗，提出了以“海綿城市”[2]為首的新思路。為建設雨水“滲、滯、蓄、凈、用、排”的生態化循環，透水鋪裝與透水路面得到廣泛推廣，透水混凝土作為一種多孔隙混凝土，不僅建造成本低，更具有吸聲、降噪、防滑[3]的優點，在雨水的收集與導排過程中起到至關重要的作用。透水混凝土由一系列連通孔隙與實體骨架構成。受孔隙率影響，其力學性能和耐久性能相對較差，抗壓強度僅為2.8～28 MPa[4]，常用于人行道、停車場、公園等。Meininger[5]認為透水混凝土的孔隙率應至少達到15%，水流才能從試件內部正常通過。Giustozzi等[6]嘗試在透水混凝土中摻入一定比例的高分子聚合物，這不僅能改變力學性能，還能優化透水通道。譚源[7]研究表明，水灰比取0.33時透水混凝土抗壓強度達到峰值。我國對透水混凝土的研究起步較晚，最早應用于北京林園局的“保護古樹”項目中，直至1993年，中國建科院才開始對其性能進行深入研究。目前，隨著透水混凝土的廣泛應用，透水混凝土被用于透水樁、濾水隔板等關鍵部位，城市建設對透水混凝土的力學性能與透水性能需求不斷提高。因此，通過調整配合比，改善透水混凝土的內部孔隙，令其滿足更高的使用需求，具有重要的現實意義。試驗通過設置五組骨料粒徑，五組水灰比，研究透水混凝土孔隙率與透水系數的變化情況，得出透水混凝土透水性能隨配合比變化的規律。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗采用100 mm ×100 mm ×100 mm的透水混凝土試件，購置武漢區域10～20 mm的粗骨料，經HPEF-100X60環保型顎式破碎機破碎后機械篩分。設置3～5 mm、5～7 mm、7～9 mm、9～11 mm、11～13 mm五組對照組，實物見圖1、圖2。

圖 1 各骨料粒徑透水試件實物

圖 2 各骨料粒徑透水試件

水泥為PO42.5級硅酸鹽水泥，性能指標符合《通用硅酸鹽水泥》[8]要求。為減少非研究因素影響，試驗不經振搗自然成型，未添加減水劑與附加用水。水灰比同樣設置五組對照組，分別為0.21、0.25、0.29、0.33、0.39。在0.21水灰比作用下，各骨料粒徑透水試件如圖2所示，成型后于60℃、98%濕度的環境中養護3 d。

1.2 試驗器材

透水設備參考《多孔混凝土與透水性鋪裝》[9]第八章中降水頭法測量。試驗設備示意圖如圖3所示，實物圖如圖4所示。每次透水試驗水位差為200 mm，試件邊緣設置止水膠泥。試驗首先讓水位保持在高于200 mm刻度某處，然后停止注水，令水位自然下落，當通過200 mm時開始計時，直至0刻度時結束，記錄該水位差透水時間t。試驗初期對定水頭法所測透水系數與降水頭法透水時間做出比較，結果如圖5所示。這與達西定律中時間與透水系數成反比關系相同。本實驗中，由降水頭法所測的透水時間通過實際擬合曲線轉換為相應的透水系數。擬合公式如式(1)所示。

擬合曲線：

K=345.29exp(-t/3)+0.44

(1)

式中：K為透水系數,mm/s；t為透水時間,s。

圖 3 降水頭法透水設備

圖 4 降水頭法透水試驗

圖 5 定水頭法與降水頭法透水系數轉換關系

1.3 孔隙率測量

依據《透水水泥混凝土路面技術規程》[10]，孔隙率測量采用重量法，分別稱量試件烘干的重量m2與試件在水中受浮力影響后的重量m1，測試件受浮力時重量的試驗操作實物圖與示意圖如圖6、圖7所示。所測孔隙率主要包括連通孔隙與半連通孔隙，其計算公式如式(2)所示。

(2)

式中：P為 孔隙率，%；m1為 試件在水中的重量，g；m2為試件干重，g；ρw為水密度，g/cm3；V為試件體積，cm3。

圖 6 稱量試件受浮力實物

圖 7 稱量試件受浮力

2 試驗結果與分析

如圖8所示，隨骨料粒徑增大，透水系數整體呈線性增長。骨料粒徑范圍大于11 mm后，增長趨勢開始放緩。骨料粒徑由3～13 mm，受不同水灰比影響時，每組透水系數標準差分別為6.03、5.28、16.5、10.65、14.93。該離散情況與透水系數測量方法有關，在使用降水頭法測透水系數時，透水系數越高，時間變化越快，讀表誤差越大。整體來看，7～9 mm、9～11 mm、11～13 mm三組在水灰比0.21時透水系數最高，在0.25時透水系數最低。

圖 8 骨料粒徑與透水系數

如圖9所示，隨骨料粒徑增大，孔隙率呈現出先增大后減小的變化趨勢。其中9～11 mm單級配試件平均孔隙率最大為34.2%，3～5 mm單級配試件平均孔隙率最小為25.7%。孔隙率變化與透水系數變化呈正相關，且均在9～11 mm組出現拐點。各組孔隙率受水灰比影響，標準差分別為0.062、0.0445、0.055、0.025、0.029。該數據說明隨骨料粒徑增大，水灰比對透水試件影響越小。與王雅思[11]研究中出現的水泥砂漿堆積現象相似，過高水灰比使膠凝材料具有超強的流動性，容易封堵孔隙，特別是震動成型后水泥沉降，對孔隙與透水能力影響較大。

圖 9 骨料粒徑與孔隙率

圖10 水灰比與堆積密度

如圖10所示，透水試件堆積密度隨水灰比增高呈先增后降，然后逐步趨于穩定的趨勢，水灰比取0.25時，不同骨料粒徑對應的堆積密度均達到最大值。縱向比較，整體上看，骨料粒徑越大堆積密度越小。在多處也出現相反規律，如0.25水灰比情況下9～11 mm試件堆積密度小于11～13 mm試件堆積密度。這與試驗的測量誤差和試件的正常離散有關，實驗結果表明當水灰比設置為0.25時。其內部骨料與水泥膠凝材料分配比例好，密實度高，有利于提高其力學性能。

如圖11、圖12所示，孔隙率與透水系數呈現出相似的變化規律。均出現先下降，然后上升達到某一峰值后再下降的規律。當水灰比取0.21時孔隙率與透水系數均達到最高。最高平均孔隙率為34.6%，最高平均透水系數為84 mm/s。圖12中3～5 mm與5～7 mm粒徑組透水系數受水灰比影響較小，7～9 mm、9～11 mm、11～13 mm組受水灰比影響嚴重。水灰比為0.25時，透水系數最小，透水能力最差。水灰比為0.29～0.33時，透水系數出現極大值。這說明透水試件水灰比取0.29～0.33時，水泥膠凝材料分散性較好，在骨料外包裹均勻，局部堆積與封堵情況較少。

圖11 水灰比與孔隙率

圖12 水灰比與透水系數

如圖13所示，立方體抗壓試驗數據表明，影響透水混凝土強度的原因與普通混凝土的有所不同，透水混凝土由骨料粘接而成，孔隙直徑，孔隙比例與水泥膠凝材料的流動性，均對其包裹粘接產生影響，進而影響強度。立方體抗壓儀實物如圖14所示。

圖13 水灰比與抗壓強度

圖14 立方體抗壓儀實物

根據圖示數據，混凝土抗壓強度隨水灰比升高呈現先增后降的趨勢，當水灰比達到0.29時，平均抗壓強度達到峰值。縱向比較，整體上看，骨料粒徑越大，立方體抗壓強度越低。本次試驗中所測透水混凝土抗壓強度介于2.8～11.3 MPa之間，該數據同樣說明了透水混凝土強度不足的問題。當水灰比低于0.29時，不僅水泥水化反應不完全，而且水泥流動性差，骨料包裹不均勻，受到垂直荷載施壓時，極易從瑕疵部位開裂直至通縫形成。當水灰比高于0.29時，水泥流動性過好，膠凝材料下沉嚴重，混凝土上部孔隙較多，底部膠結層厚。膠凝材料的不均勻分布使其抗壓強度逐步下降。

3 結論

1)透水系數與孔隙率呈正相關關系，隨骨料粒徑增大，孔隙率與透水系數均線性增長，粒徑高于11 mm后孔隙率開始下降，透水系數增長變緩。

2)透水系數與孔隙率隨水灰比增大，出現降-升-降的規律。水灰比為0.33時孔隙率達到極大值，水灰比于0.29～0.33之間時透水系數達到極大值。當骨料粒徑小于7 mm時，水灰比對透水系數影響較小，變化不明顯。

3)透水混凝土強度隨水灰比增加，出現先升后降的變化趨勢，當水灰比為0.29時，抗壓強度達到峰值。骨料粒徑越大，相對應的抗壓強度越低。