基于不同骨料級配的透水混凝土試驗研究

季香華

(盤山縣農業水利事務服務中心，遼寧 盤錦 124100)

人與自然協調共生為配置生態友好型、環境舒適型混凝土提供了思路，透水混凝土的投入使用可以補充地下水，減緩城市地下水位下降、緩沖土壤毛細管水蒸發以及改善城市道路路面缺陷，對于維護生態圈平衡、促進地下水循環和緩解城市熱島效應發揮著積極作用，為推動海綿城市建設和自然生態系統良性循環做出突出貢獻[1]。李秋實等[2]全面探討了透水混凝土滲透性及強度受再生集料的影響，并指出透水混凝土性能與集料級配、類型密切相關；張雪麗等[3]綜述了透水混凝土施工技術和研究現狀等內容。

遼西地區正積極打造“海綿城市”，以應對近年來日趨劇烈的環境變化和自然災害，城市如同海綿一樣，雨季凈水、吸水、滲水、蓄水，旱季“釋放”，以緩解供水壓力。該地區土質疏松，土層較薄，土壤顆粒間的膠結結構受雨水浸潤作用發生破壞，從而影響路基的整體穩定性。因此，必須充分考慮土質特點，因地制宜的制作透水混凝土地面。文章對比分析了不同骨料級配的透水混凝土試驗，探討了透水混凝土力學和宏觀性能受粗骨料級配的影響規律。

1 試驗方案

1.1 原材料性能

試驗所用水泥為P·O 42.5級，水泥性能指標，見表1。試驗選用3種不同的骨料級配：粒徑16-32mm：10-20mm=7：3的混合級配、粒徑16-32mm與10-20mm的單一級配、粒徑5-16mm的連續級配。卵石由商混凝土站統一提供，含泥量0.6%，堆積密度和表觀密度為1635kg/m3、2780kg/m3，粉煤灰摻合料為Ⅱ級，試驗用水為自來水。

表1 水泥性能指標

1.2 配合比設計

漿體流動性主要取決于水灰比，由于無法直接使用傳統方法測試透水混凝土塌落度，擬利用跳桌試驗檢測法[4]，并摻入適量的減水劑加以調整，故設計水膠比取0.3。本試驗利用體積法進行配合比設計，配合比設計，配合比設計，見表2。

表2 配合比設計

1.3 試件成型

根據配合比設計原則，利用人工攪拌的方式配制透水混凝土，操作流程為：①將1/4的用水加入粗骨料中，均勻攪拌25s；②然后把1/2水泥加入表面已濕潤的骨料，勻速拌合35s；③攪拌完成后，將1/2水泥+1/4水再攪拌40s；④將剩余水加入，再次拌合45s；⑤拌合物出料后分層裝入模具，機械振搗密實并放入標養室養護至規定齡期，為防止養護過程中水分蒸發，利用塑料薄膜覆蓋試件表面。

2 試驗方法

2.1 強度測定

依據《標準》[5]有關規定進行混凝土試件強度測試，抗折試件用鋼膜成型，大小為150mm×150mm×600mm，每種級配分別制作5個抗折試件。成型后，采用薄膜覆蓋并放入室溫環境靜置1d，然后拆模、編號并標準養護28d，結合試驗要求分兩組分別測定其抗壓與劈裂強度。

2.2 透水系數

透水系數采用不變水頭法測試，主要流程為：①制作圓柱體試件并標準養護至規定齡期，試件尺寸φ10cm×20cm；②對試件蠟封確保側面不流出水，然后將飽水后的試件安放至測試裝置，控制水頭保持15cm；③密封后注水至水從透水儀出水口流出，繼續注水直至頂部水位不發生變化停止操作，記錄時間并利用下式計算透水系數k(cm/s)，即：

(1)

式中：h、H為試件頂面恒定水頭和試件高度，cm；A為試件斷面面積，cm2；Q為出水口溢出水量，cm3；t為出水測試時間，s。

保持其他條件不變，對每個試件分別測定5次透水量，記錄透水量基本穩定時的數據，刪去最小值與最大值后計算平均值，代入以上公式確定透水系數[6]。記錄測試過程中的水溫，并轉換計算標溫下的透水系數k15。

2.3 孔隙率

對于孔隙率利用質量法進行測定，其基本原理是計算試件飽水與烘干時的質量差值，以此作為孔隙結構飽水時的浮力[7]。該狀態下可利用理論與實際浮力的差值作為孔隙率p(%)，計算表達式為：

(2)

式中：ω2為飽水；ω1為烘干時的試件質量，g；v為時間體積，cm3。

2.4 抗凍性能

目前，國內外尚未形成系統完善的透水混凝土凍融破壞機理，其與內部臨界飽和度以及水分不連續遷移有關。抗凍性擬選用鹽凍法測試，主要流程為：①采用標準鋼膜制作試件，中間用隔板隔開；②成型后制作75mm×150mm×150mm試件，放入標養室養護至規定齡期；③采用環氧樹脂進行防水處理，配置試驗溶液為3%氧化鈉溶液；④將處置好的試件放入冰箱中并通電開始凍融循環，定期記錄剝蝕質量，計算累積損失。

2.5 收縮性能

透水混凝土抗拉強度<收縮應力時就會產生收縮裂縫，而裂縫的存在會給材料的使用造成一定程度的影響。《標準》[8]明確規定，骨料粒徑超過30mm時必須用專用試模成型，即150mm×150mm×515mm試件模，每種級配分別制作3個試件。貼譜塑料薄膜以防模具內壁受收縮作用的限制，然后將測頭埋置模具兩端進行澆筑，安設千分表并調試置零；標準養護至3d齡期后取出測定試件的初始長度，然后每隔3d測量一次，記錄變形讀數并確定干縮系數，并以平均值作為最終收縮系數，計算精度1×10-6。

2.6 表觀密度

振搗密實后，單位體積上的混凝土拌合物質量就是其表面密度，試驗操作嚴格執行標準規范[8-9]，一般利用下式計算拌合物表觀密度ρ(kg/m3)，即：

(2)

式中：m1為量筒質量；m2為拌合物的總質量，kg；v為量筒體積，L。

3 結果與分析

試件物理力學性能統計表，見表3。結合檢測結果探討分析不同骨料級配的影響作用。

表3 試件物理力學性能統計表

3.1 強度與粗骨料級配的關系

骨料級配是影響混凝土強度的重要因素，不同齡期與強度關系曲線，見圖1。對比分析3、4曲線可知，單一級配骨料的混凝土強度隨骨料粒徑的增大而減小，這是由于水泥用量保持不變的情況下，粗骨料粒徑越小則單位體積比表面積越大，內部骨料間的接觸點越多，相應的骨架膠結作用越強，受力后破壞強度高于試件4。

圖1 不同齡期與強度關系曲線

隨齡期變化抗壓強度表現出較小的離散型特征，其中連續級配粗骨的強度曲線變化趨勢較其他三組更為明顯。這是由于單一級配骨料間的接觸點少、膠結作用較弱，并且成型過程中骨料粒徑越大多余水泥越易沉積于底部，從而明顯降低強度。

骨料級配的抗折強度，見圖2。圖2表明內部孔隙分布不均勻是引起透水混凝土沿脆弱斷裂面破壞的關鍵，從而使得強度出現明顯的改變，并且早期抗折強度發展較快。

圖2 骨料級配的抗折強度

通過對比圖3中的曲線3、4可知，齡期相同時試件3的強度略低于試件4，這種變化規律與抗折抗壓強度變化不符，這主要與不均勻的孔隙分布相關。根據多項式y=ax2+bx+c，經數學計算x=-2a/b時曲線有最大值，從理論上講試件1的劈裂強度達到峰值的時間為58d，隨后逐漸平緩，而試件4的劈裂強度達到峰值的時間為78d。不同骨料級配的劈裂強度，見圖3。

圖3 不同骨料級配的劈裂強度

3.2 透水系數與粗骨料級配的關系

骨料粒徑與透水系數關系圖，見圖4。圖4表明：透水系數與顆粒級配之間的線性關系不明顯，即曲線斜率隨骨料粒徑的改變(5-16mm增加到16-32mm)快速上升，由此表明單一級配的透水系數要高于混合、連續級配，并且透水系數隨粒徑的增大而增加。深入分析發現，骨料粒徑越大則內部的接觸點和膠結面積越少，所以內部的孔隙率越高，孔隙率越高則透水系數就越大，突出了透水系數受骨料粒徑影響顯著的特性[10-11]。采用透水儀記錄的5-16mm粗骨料粒徑混凝土溢出水量，溢出水量統計表，見表4。

表4 溢出水量統計表

圖4 骨料粒徑與透水系數關系圖

3.3 孔隙率與粗骨料級配的關系

骨料粒徑與孔隙率關系圖，見圖5。圖5表明骨料粒徑在一定程度上影響著孔隙率，骨料粒徑越大則孔隙率越高，特別是從5-16mm增大至16-32mm時，孔隙率上升趨勢明顯。深入分析可知，骨料粒徑越大則內部的孔隙率和孔洞尺寸就越大，接觸點越少，并且單一級配的孔隙率更高，單一級配水平段曲線會引起級配不連續，無法充分填充內部孔隙導致孔隙率較高。

圖5 骨料粒徑與孔隙率關系圖

3.4 抗凍性與骨料級配的關系

齡期與干縮系數關系圖，見圖6。圖6表明隨骨料級配以及凍融次數的增加透水混凝土質量損失累積率呈波動上升趨勢，其中單一級配的質量損失累積速率較快，連續級配速率最慢。凍融初期，試件3的質量損失速率>試件4，凍融循環4-8次后逐漸慢于后者。臨界狀態時，試件1、4的質量損失累積為18.78g、22.41g，隨骨料粒徑的增加抗凍性能和凍融次數均明顯增加。

圖6 齡期與干縮系數關系圖

3.5 收縮性與粗骨料級配的關系

齡期與干縮系數的關系同，見圖7。圖7表明在28d時干燥收縮達到80%，透水混凝土于90d時趨于穩定，相同條件下試件1的干縮值明顯<試件3，隨齡期變化混凝土干燥收縮系數變化，干縮試驗結果，見表6。

水泥漿或水泥石直接決定了透水混凝土的干燥收縮性，混凝土內部存在毛細孔、凝膠孔、氣孔等多種孔隙，孔隙內包含一定水分。干縮過程中，毛細孔和氣孔中的水分會首先蒸發，透水混凝土干縮值不受氣孔水分蒸發的影響，而毛細孔外部壓力要低于內部，在負壓作用下回形成收縮力。水膜失去后，凝膠顆粒間的范德華力會引起干燥收縮。因此，混凝土收縮主要受水泥用量的影響。試件1的齡期與干縮系數關系式可表示成：y=67.05lnx+5.712，其中t處于0-120d，同樣可以確定其他級配的齡期與干縮系數。

圖7 齡期與干縮系數的關系

表6 干縮試驗結果

3.6 表觀密度與粗骨料級配的關系

表觀密度與骨料粒徑的關系，見圖8。圖8表明，試件1、2的表觀密度處于處于1760-1780kg/m3之間，總體上接近，而試件4為1720kg/m3，表明骨料粒徑越大則表觀密度越小。試件1、2孔隙率較低的原因是連續級配的小顆粒骨料填充了內部孔隙，從而增大了表觀密度。因此，單一級配骨料的孔隙較大，從而降低了混凝土表觀密度。

圖8 表觀密度與骨料粒徑的關系

4 結 論

1)連續級配高于單一級配的表觀密度，骨料粒徑越大則單一級配混凝土的透水性越好，孔隙率越高，但強度較弱，而連續級配混凝土的強度最高、透水性最差。

2)隨齡期的變化不同級配混凝土強度呈離散型分布，這與混凝土多孔性有關，隨齡期發展混凝土強度曲線呈非線性。

3)通過對比鹽凍與干縮試驗發現，相同條件下連續級配的透水混凝土收縮性能良好，干縮系數和質量損失累積小，可在一定程度上提升其抗凍性能。