透水混凝土性能影響的研究

朱金春，楊鼎宜，張曉歡,孫飛進，王長江，江 虹，朱廣軍，仇圣彪

（1.揚州大學 建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127；2.儀征江陽砼制品有限公司，江蘇 儀征 211400）

0 引言

近幾年來，隨著經濟的快速發展和人們對于自身生活環境要求的提高，透水混凝土（pervious concrete）作為一種新的環保型、生態型的道路材料，已經受到越來越多人的關注.采用透水混凝土對地面進行鋪裝，從生態和環境效益來看，具有許多優點[1]：1）維持地下水位平衡；2）保護自然生物鏈；3）改善道路視聽環境；4）緩解“熱島效應”.常用的透水混凝土路面一般分為輕載透水混凝土路面、景觀透水混凝土路面和重載透水混凝土路面[2].

國內外對于透水混凝土都有不同程度的研究[3-9].國內和國外相比還存在很大差距，主要表現在以下幾個方面[10]：1）對透水混凝土物理力學性能、耐久性以及本構關系的研究缺乏系統性；2）工業化生產以及大型機械規?；┕ず蛧庀啾炔罹噍^大；3）標準化建設滯后，該領域缺乏權威技術標準.

本研究采用單粒級粗骨料作為混凝土骨料，94%水泥和6%硅灰混合漿體作為混凝土膠結料.本試驗采用正交試驗方法，控制碎石級配、水灰比和設計孔隙率（設計孔隙率是指在透水混凝土配合比設計時預留用于透水的連通孔隙率）這3個變化因素，研究各因素對透水混凝土性能的影響.通過極差分析，得出最佳碎石級配、最佳設計孔隙率和最佳水灰比.

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

1）42.5級的普通硅酸鹽水泥；2）硅灰；3）水；4）粗集料，本試驗粗集料采用普通天然碎石，級配分別為9.5～16mm、16～19mm和19～25mm.粗集料基本物理性能如表1所示，根據現行國家標準《建筑用卵石、碎石》（GB/T 14685-2011），基本符合Ⅱ類用石要求.

表1 粗集料基本物理性能Tab.1 Basic physicalpropertiesof coarse aggregate

1.2 配合比設計

配合比設計采用體積法，選擇L9(33)類型正交試驗表進行設計分析.第1個因素為碎石級配，3個水平分別為9.5～16mm、16～19mm和19～25mm；第2個因素為設計孔隙率，3個水平分別為15%、20%和25%；第3個因素為水灰比，3個水平分別為0.25、0.30和0.35.

1.3 攪拌工藝

首先投入全部粗集料和50%拌合用水攪拌30 s，然后投入水泥和硅灰攪拌60 s，最后投入剩余50%拌合用水攪拌60 s，出料.

1.4 性能測試

1）抗壓強度；2）有效孔隙率（有效孔隙率指連通孔隙占透水混凝土體積的比例）；3）透水系數（透水系數指單位時間內通過單位面積透水混凝土的水量）.

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓強度極差分析

抗壓強度極差分析如表2所示.

由抗壓強度極差分析表可知，主次因素由強至弱的順序依次為設計孔隙率、水灰比和碎石級配.其中，設計孔隙率對抗壓強度指標的影響最大，且當設計孔隙率越大，抗壓強度指標反而越小.由于指標是抗壓強度，越大越好，因此從1，2，3中選擇較大者.通過直觀分析，不難確定試驗的最佳組合為：碎石級配9.5～16mm，設計孔隙率15%，水灰比0.35.該組合在試驗中并沒有出現，對比表中第7組試驗，最佳組合的抗壓強度可超過14.7MPa.

2.2 有效孔隙率極差分析

有效孔隙率極差分析如表3所示.

由有效孔隙率極差分析表可知，主次因素由強至弱的順序依次為設計孔隙率、碎石級配和水灰比.其中，設計孔隙率對有效孔隙率指標的影響最大，且當設計孔隙率越大，有效孔隙率指標也越大.由于有效孔隙率并不是越大越好，也不是越小越好，只有在一個合理的區間內，才能保證透水混凝土的強度指標和透水性指標都符合要求.

表2 抗壓強度極差分析Tab.2 Compressive strength range analysis

表3 有效孔隙率極差分析Tab.3 Effective porosity range analysis

2.3 透水系數極差分析

透水系數極差分析如表4所示.

由透水系數極差分析表可知，主次因素由強至弱的順序依次為設計孔隙率、碎石級配和水灰比.其中，設計孔隙率對透水系數指標的影響最大，且當設計孔隙率越大，透水系數指標也越大.由于指標是透水系數，越大越好，因此從1，2，3中選擇較大者.通過直觀分析，不難確定試驗的最佳組合為：碎石級配16-19 mm，設計孔隙率25%，水灰比0.25.該組合在試驗中正好出現，即表中第6組試驗，最佳組合的透水系數為9.88mm/s.

表4 透水系數極差分析Tab.4 Permeable coefficient range analysis

2.4 綜合分析

1）透水混凝土中有效孔隙的存在必然影響其抗壓強度指標，對這2個指標進行一元線性和非線性回歸分析，可以得到相關擬合曲線及回歸方程（圖1）.由圖1可知，兩個指標線性和非線性擬合度都不錯，抗壓強度指標隨著有效孔隙率指標的增大而減小.

2）抗壓強度指標和透水系數指標是透水混凝土考察的兩個關鍵指標，對這兩個指標進行一元線性回歸，可以得到相關擬合曲線及回歸方程，如圖2所示.由圖2可知，這兩個指標擬合度不是很高，但有一個明顯的趨勢，隨著透水系數指標的提高，抗壓強度指標逐漸下降.

圖1 抗壓強度指標和有效孔隙率指標的相關擬合曲線及回歸方程（x代表有效孔隙率， 代表抗壓強度）Fig.1 The fitting curveand regression equation of compressive strength index and effective porosity index( represents theeffective porosity,represents compressive strength)

3）對有效孔隙率指標和透水系數指標進行一元線性和非線性回歸，可以得到相關擬合曲線及回歸方程，如圖3所示.由圖3可知，兩個指標線性和非線性擬合度都不錯，透水系數指標隨著有效孔隙率指標的增大而增大.

3 結論

1）影響透水混凝土性能指標的主要因素是設計孔隙率.設計孔隙率越小，骨料和水泥石填充越密實，抗壓強度指標越大.設計孔隙率越大，有效孔隙率越大，透水系數指標越大.

2）抗壓強度指標和透水系數指標兩者之間存在牽制關系，如何統籌兼顧這兩個指標，是研究透水混凝土的關鍵.

3）綜合考慮透水混凝土的力學性能和透水性能，得出最佳組合：碎石級配16～19mm，設計孔隙率15%，水灰比0.30.

圖2 抗壓強度指標和透水系數指標的相關擬合曲線及回歸方程（ 代表透水系數， 代表抗壓強度）Fig.2 The fitting curveand regression equation of compressive strength index and permeable coefficient index( represents thepermeable coefficient,represents compressive strength)

圖3 有效孔隙率指標和透水系數指標的相關擬合曲線及回歸方程（ 代表有效孔隙率， 代表透水系數）Fig.3 The fitting curveand regression equation of effectiveporosity index and permeable coefficient index( represents theeffective porosity, represents the permeable coefficient)

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[10]宋中南，石云興.透水混凝土及其應用技術 [M].北京：中國建筑工業出版社，2011.