透水性混凝土強度滲透性模型試驗研究

摘要：高透水性是透水性混凝土的重要特征，現有的透水性混凝土滲透系數測試裝置存在試件側壁滲漏問題，為此提出了一種試件側面防水涂抹+柔性夾層+套筒剛性壁的防側漏復合結構，提高了滲透系數測試精度。透水性混凝土的透水性和強度是一對矛盾體，此消彼長，但目前對它們之間關系缺乏系統的研究。通過室內滲透性和強度試驗研究了多種因素（如：水灰比、集灰比、孔隙率）對透水性混凝土的強度和透水性的影響，建立了強度孔隙率模型、滲透性孔隙率模型和強度滲透性模型。研究結果表明：透水性混凝土與普通混凝土不同，存在一個最佳水灰比，最佳水灰比對應的強度最大；強度和水灰比成開口向下的二次拋物線關系，而孔隙率和集灰比均與滲透系數成正相關關系；透水性混凝土強度和滲透性關系服從Lorentzian函數，強度隨滲透性的增大而逐漸降低，降低速度先快后慢。在工程設計中應根據具體要求，確定最佳的強度和滲透性組合。

關鍵詞：透水性混凝土；滲透系數；強度滲透性模型

中圖分類號：TB302

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764（2013）04-0114-07

透水性混凝土是由特定級配的集料、水泥、外加劑和水等按特定比例，不含或含極少量的細集料，經特殊成型工藝制成的，集料骨架間含有大量貫通性孔隙的蜂窩狀結構的混凝土。一般透水性混凝土的孔隙率在15%～25%之間，多為直徑超過1 mm的大孔，滲透系數為2～6 mm/s，最高可達10 mm/s^[1-2]。由于透水性強，透水性混凝土被廣泛用于道路、建筑、水利等領域排水結構。在透水性混凝土的配合比設計、施工方法及力學性能等方面已有較多研究。Meininger^[3]與Paine^[4]分別通過室內模型試驗開展了透水性混凝土用于排水路面材料的研究，其中包括最佳孔隙率、水灰比、路面壓實與養護方法以及基層要求、施工方法等。楊靜等^[5]通過室內路面模型試驗研究發現，添加硅粉及增塑劑可有效提高透水性混凝土的強度，并且能保證它的滲透性、耐磨性及耐凍融性滿足工程要求。蔣正武等^[6]研究發現，級配、集料粒徑與集灰比是影響透水性混凝土滲透系數與強度的關鍵參數。Kevern等^[7-8]在愛荷華州立大學對透水性混凝土配比設計、養護方法、質量控制等做了較系統研究，在密蘇里大學堪薩斯分校通過現場實測對透水性混凝土路面的耐久性進行了探討^[9]，指出透水性混凝土中空隙系統對其透水性、強度及長期耐久性等有很重要的影響 [10]。曾偉等^[11]研究發現透水性混凝土的尺寸效應對強度影響較大。楊健榮^[12]對再生骨料透水性混凝土的應用性能進行了研究。郭鵬^[13]對鋼渣透水性混凝土進行了應用研究。王金晶等^[14]通過試驗研究表明，在透水性混凝土中摻加聚丙烯纖維，可減少混凝土的干縮，抑制混凝土的開裂，并對混凝土的抗壓強度有所改善，聚丙烯纖維的摻入對混凝土的透水系數影響不大，滿足透水要求。目前針對透水性混凝土結構性能的研究也較多，如Vancura等^[15]對現有透水性混凝土路面的剛度與疲勞性能進行了探討；Goede等^[16]對已經運營20 a的2條透水性混凝土路面車載引起的應力進行了研究。

崔新壯，等：透水性混凝土強度-滲透性模型試驗研究

雖然人們已對透水性混凝土滲透性和強度等性能指標進行了大量研究，但實踐證明，透水性混凝土的滲透性與強度是一對矛盾體，此消彼長，如何尋求合適的平衡點，是設計者關心的問題。因此研究強度與滲透性關系，建立強度-滲透性模型對于工程應用具有重要意義，而目前缺乏對此類模型的深入研究。另外，現有的透水性混凝土滲透性試驗裝置和方法均未充分考慮試件側面開放通道帶來的側壁滲漏影響，導致滲透系數測試精度不夠。鑒于此，本文將根據透水性混凝土的自身特點，研制一種新的滲透性試驗裝置，提出滲透系數精確測試方法，并通過滲透性和強度試驗，建立透水性混凝土強度-滲透性等關系模型。

1透水性混凝土滲透試驗裝置研制

現有的一些混凝土滲透系數測試裝置只適用于滲透性較低（流速小于0.01 mm/s）的普通混凝土。雖然針對孔隙率較大、滲透性較強（流速大于1 mm/s）的透水性混凝土也有人設計了一些測試裝置，但存在一些缺陷，測試精度不夠。目前透水性混凝土滲透系數測試裝置的最大缺陷是沒有充分考慮試件側壁的滲漏問題。這是因為透水性混凝土試件表面分布著大量開口孔隙，這些孔隙直接與側壁貫通形成開放通道，開放通道的阻力小，水很容易從開放通道流出（如圖1（a）所示），從而改變滲流路徑，使得所測滲透系數明顯偏大。楊志峰^[17]曾試圖將試件端部與套筒內壁接觸處密封，這樣雖然在一定程度上減小了側漏，但試件側面主體開放通道仍然存在，進入試件內部的水依然容易取道這些開放通道，從試件流出（如圖1（b）所示），導致測試結果仍然偏大。本文研制了一種適用于精確測試透水性混凝土滲透系數的裝置（專利號：ZL201120452399.9），其優點是可以防止側壁滲漏，操作簡便，價格低廉，測試精度高。

該滲透儀主體結構（如圖2所示）包括：儲水套筒、進水軟管、進水口、有機玻璃套筒、橡膠墊層、圓柱形試件、出水口、燒杯。其中有機玻璃套筒分為3節，用法蘭螺栓連接；上下2節分別設置進水口和出水口；中間1節套筒的設計對防止側壁滲漏至關重要，它由左右2個半套筒組成。為防止透水性混凝土試件側漏，采用了試件側面防水涂抹+柔性夾層+套筒剛性壁的復合結構，即：試驗前用黃油或凡士林涂抹試件側面，以封堵試件開口空隙；套筒內敷橡膠柔性墊層，這樣試件與套筒間就由剛性連接變為柔性連接，進一步防止側壁滲漏，使水的滲流路徑達到圖1（c）所示的理想狀態。

2強度和滲透性試驗

2.1試驗材料

水泥為濟南產山水牌42.5普通硅酸鹽水泥；粗集料是粒徑為5～10 mm的石灰巖碎石，壓碎值為86%，表觀密度為2 665 kg/m3，堆積密度為1 655 kg/m3，孔隙率為38%；外加劑為山東華志混凝土有限公司生產的氨基磺酸鹽系高效減水劑，具有高效減水、超塑化、增強等功能，其用量根據水泥凈漿流動度試驗結果選取。

2.2配合比

試驗采用體積法進行配合比設計：采用單粒級粗集料作為骨架，水泥凈漿薄層包裹在粗骨料顆粒的表面，作為集料顆粒之間的膠結層，形成骨架-空隙結構的多孔混凝土材料。配合比設計需要確定的幾個關鍵參數有：集料在緊密堆積下的空隙率V，可通過試驗測定；所拌混凝土的目標孔隙率P和水灰比W/C，試驗中目標孔隙率取10%、15%、20%和25%；水灰比取0.32、0.34、0.36、0.38和0.40。共對20種配合比進行了研究。

2.3試件的制作與養護

透水性混凝土的拌合采用水泥裹石法：先將集料和15%的水加入攪拌機預拌30 s，使集料表面潤濕；再加入水泥拌和，以形成包裹集料表面的水泥粉殼；最后將外加劑和剩余的水混合均勻后倒入，攪拌約120 s，待均勻混合后出料裝模。試件有3種尺寸規格：100 mm×100 mm×100 mm，用于抗壓強度測試；400 mm×100 mm×100 mm，用于抗折強度測試；（100 mm×100 mm，用于滲透系數的測試。成型方法采用振動成型，振動時間為15 s。養護方法采用標準養護。試件成型24 h后拆模，將試件置于標準養護室內養護。

2.4強度試驗

參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準（GB/T 50081-2002）》^[18]進行強度試驗。采用液壓萬能壓力機加壓，加載速度為0.5～0.8 MPa/s，試驗中取3個試件的均值作為測試值。

2.5滲透性試驗

利用自行研制的滲透儀，透水性混凝土滲透系數的測試方法如下：

1） 將一定齡期的試件取出，擦干表面并在側面涂抹黃油或凡士林，然后敷以柔性橡膠墊層；將試件安裝在有機玻璃套筒的中間段，并將固定螺栓擰緊；最后將套筒3部分連接，并用軟管與儲水套筒連接。

2） 打開水龍頭，從儲水套筒開始緩慢注水，水流自下而上灌滿整個試件套筒，且儲水套筒和試件套筒均開始溢流；調節儲水套筒高度使水位差保持在盡量小的水平，以保證水流處于層流狀態；靜置數分鐘，待水流穩定且氣泡排凈后開始測試。

3） 開啟秒表，同時用燒杯接取一定時間內的滲流水量，計算單位時間內水的體積流量Q，由v=Q/A（A為試件橫截面積）得水的滲流速度；重復試驗3次，取其平均值；用直尺測定水頭損失Δh，由i=Δh/l（l為試件長度）得到相應的水力梯度。改變儲水套筒高度，以改變水力梯度，重復上述步驟（不少于6次）。

滲流速度隨水力梯度的變化曲線如圖3所示?？梢?，當水力梯度較小時，滲流速度隨水力梯度線性增長，但當水力梯度達到臨界值時，增長速度將逐漸變緩。這一過程反映了透水性混凝土中水的流動從層流到紊流的過渡過程。在透水性混凝土工程應用中，水的流動一般是層流，所以根據達西定律，本文取滲流速度水力梯度曲線最初直線段的斜率作為透水性混凝土的滲透系數。

3.2水灰比對強度的影響

圖5所示為透水性混凝土強度隨水灰比的變化曲線?？梢?，透水性混凝土抗壓強度、抗折強度和水灰比之間的關系與普通水泥混凝土抗壓強度隨水灰比降低而提高的關系不同，存在著一個最佳水灰比。在0.32～0.40的水灰比范圍內，強度和水灰比成開口向下的二次拋物線關系。由圖5可見，當目標孔隙率為20%和25%時，最佳水灰比基本在0.35～036之間；但當目標孔隙率為15%時，抗折強度對應的最佳水灰大于抗壓強度對應的最佳水灰比。

出現最佳水灰比的原因主要是由于當水灰比提高時，集料表面的水泥漿體厚度減薄、強度下降，造成集料間粘結強度下降而使透水性混凝土強度降低；當水灰比過小時，雖然集料表面的水泥漿體厚度增加、強度提高，但會造成混凝土成型困難、不夠密實，從而使透水性混凝土強度降低。

4結論

針對現有透水性混凝土滲透系數測試裝置存在試件側壁滲漏問題，提出了一種試件側面防水涂抹+柔性夾層+套筒剛性壁的防側漏方法，研制了一種新型透水性混凝土滲透性測試裝置。并通過滲透性試驗和強度試驗等，研究了透水性混凝土強度和滲透性等關鍵指標間的關系，取得了如下主要研究結論：

1）透水性混凝土與普通混凝土不同，存在一個最佳水灰比，最佳水灰比對應的強度最大；強度和水灰比成開口向下的二次拋物線關系。

2）透水性混凝土孔隙率和集灰比均與滲透系數成正相關關系。集灰比小于5.5時，水灰比對滲透系數的影響不大；集灰比大于5.5時，水灰比的影響較大。

3）透水性混凝土強度和滲透性關系服從Lorentzian函數，強度隨滲透性的提高而降低，但降低的速率逐漸減小。由強度滲透性模型可以看出強度和透水性是一對矛盾體，在設計時須根據工程要求和強度滲透性模型確定最優配合比。

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（編輯薛婧媛）