透水混凝土的路用性能分析

李川言，陸春華，劉榮桂，徐榮進，溫惠清，貢經海

(1.江蘇大學土木工程與力學學院,鎮江 212013；2. 江蘇金土木建設集團有限公司,常熟 215500；3.江蘇大學土木工程技術研究院,鎮江 212013)

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透水混凝土的路用性能分析

李川言1，陸春華1，劉榮桂1，徐榮進1，溫惠清2，貢經海3

(1.江蘇大學土木工程與力學學院,鎮江 212013；2. 江蘇金土木建設集團有限公司,常熟 215500；3.江蘇大學土木工程技術研究院,鎮江 212013)

透水混凝土作為一種新型的路面結構材料，其制備工藝和性能優化設計等問題近年來已受到國內外學者的廣泛關注和研究。通過對透水混凝土的制備，確定了透水混凝土的原材料和配合比。復摻了兩種新型透水混凝土外加劑ZS-3和Etonish 845，通過抗壓、抗折強度等實驗對比分析外加劑對透水混凝土的物理特性和力學性能的影響。結果表明：骨料級配與水灰比是影響透水混凝土抗壓強度與孔隙率的主要因素；添加外加劑ZS-3和 Etonish 845可改善透水混凝土的性能；從強度與透水性雙重角度看，新制備的透水混凝土可適用于輕型道路使用。

透水混凝土； 外加劑； 骨料級配； 水灰比； 強度； 透水性

1 引 言

近來，住建部發布《海綿城市建設技術指南》，擬將城市建設成“滲、滯、蓄、凈、用、排”模式的海綿城市[1]，將城市像海綿一樣收集與利用雨水。當前我國隨著各大中小城市化進程加快，城市規模不斷擴展，不透水路面覆蓋率占建設用地超過了30%。用水的速率逐年增加，而南方水質型缺水超過了60%，但是我國的用水重復率只達到20%，遠遠低于50%的國際平均水平[2]。而且有些城市管道建設失誤，突發暴雨時，雨水形成徑流，不僅攜帶了地表的污染物，嚴重污染地下水源，無形中還增加了污水處理成本，加重社會負擔[3]。因此有必要配制一種適合于道路使用的透水混凝土，不但可以緩解城市排水設施的壓力，同時還可以解決部分環保問題。

本文通過大量實驗，尋求適合輕型道路使用的透水混凝土的配合比。通過添加不同含量的外加劑，改變粗骨料含量探求影響透水混凝土性能的因素。將透水混凝土作為主要材料的透水路面可以起到透水、降噪、抗滑和降溫等功能，可緩解城市缺水與熱島現象，涵養與保護水資源。

2 實 驗

2.1 原材料

水泥：泰州為海混凝土公司生產的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥；砂：采用天然河砂，細度模數為2.46，堆積密度為1480 kg/m3，級配合格；粗骨料：天然石材加工而成，骨料粒徑為5～16.5 mm；外加劑：江蘇大學自主研發的路用透水混凝土外加劑ZS-3，該外加劑是一種棕褐色懸濁液，pH值為4.5。ZS-3能夠促進水泥的水化反應，提高混凝土的力學強度，增加水合物與骨料的附著能力，增強骨料間的粘結層的強度，提高了其耐久性。另外還可以控制和保證其透水性、孔隙率以及均一性等，改善其內部和表面的化學抵抗性、酸堿度以及生物親和性等功能；德國透水混凝土外加劑Etonish 845，該外加劑是一種白色粉末狀物質。其性能與ZS-3類似，但可以提高粗骨料之間的嵌擠能力和水泥漿的粘結作用，能顯著提高混凝土的抗折強度。

2.2 實驗室配合比

本實驗配合比保證水泥和砂子的質量不變，通過改變水和外加劑含量改變水灰比的值，得到透水混凝土的不同配合比(表1)。其中外加劑摻量占水泥質量的百分比為基礎。

表1 透水混凝土配合比Tab.1 Mix proportions of porous concrete

2.3 實驗方法

2.3.1 制備方法

根據配合比設計方法，將所需石子、水泥、砂子等原材料加入到攪拌機中，先空攪拌25 s，然后加入一半的水攪拌60 s左右后，加入一半的水與外加劑，攪拌180 s后從攪拌機中卸掉混凝土，人工稍加攪拌，將拌制好的混合料填注到試模里，分上中下三層裝模，每層用振搗棒插搗11次，抬起試模振動3次，最后，再用木錘輕輕敲擊試模表面,使其上表面緩緩下降約2～3 mm后,然后用水灰比W/C為0.35的水泥漿封住其表面，最后用抹了機油的塑料薄膜紙蓋住水泥漿表面，輕輕攤平,再用玻璃片用力壓下,直到水泥漿體表面壓平，放到養護室中養護24 h后拆模。

2.3.2 實驗抗壓強度的測定

抗壓強度的測定參照GB50081-2002《普通混凝土力學性能實驗方法標準》，測試尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，齡期為7 d、28 d。透水混凝土的抗壓強度可由下式計算：

(1)

式中：P為當試件破壞時所承受的壓力 (N)；A為試塊的受壓面積 (mm2)；R壓為混凝土的抗壓強度 (MPa)。

2.3.3 實驗抗折強度的測定

抗折強度測定方式也參照GB50081-2002《普通混凝土力學性能實驗方法標準》，但試塊的尺寸略有不同。測試尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。其抗折強度可由下式計算：

(2)

式中：ff為混凝土抗折強度(MPa)；f為破壞荷載 (N)；l為支座間距即跨度 (cm)；b為試件截面寬度(mm)；h2為試件截面高度 (mm)。

2.3.4 孔隙率測定

該混凝土為透水性混凝土，所以其孔隙率對該結構的影響較大。測試孔隙率時，應先將混凝土試塊完全浸泡在水中24 h，水取自來水即可。孔隙率為：

(3)

(4)

式中：ρ1為透水混凝土的全孔隙率，ρ2為透水混凝土的連通孔隙率；m1為自然晾干后稱得的質量(g)；m2為水中稱得的質量(g)；m3為試件在溫度(20±2) ℃，相對濕度為60%條件下靜置24 h后稱取的質量；ρw為水的密度(g/cm3)；V為混凝土試塊外觀體積(cm3)[4]。

2.3.5 透水系數測定

根據西德尼·明德斯的透水混凝土制作與測量原理一文[5]，試件采用上述配合比制備直徑100 mm，高度為200 mm的圓柱形試塊。由達西定律測得此配合比下的透水系數，每組實驗做三塊試塊，每組試塊測試3次，即每組實驗得到9個實驗值，求其平均值。圖1為透水性混凝土實驗裝置，實驗時，為了確保水流全部從混凝土試件的圓截面透過，用滾蠟法將試件表面涂滿蠟，防止水流從側面流出，從而影響透水性系數的測定。 由實驗可得透水混凝土和普通混凝土的透水性相似。其透水系數和試件高度成正比，和試件的橫截面積成反比，測定水溫下的透水系數如下：

(5)

式中：KT為水溫為T℃時的恒定水頭透水系數，cm/s；H為試件高度，cm；h為試件頂面恒定水頭，cm；Q為測試時間內流過試件的水量，cm3；A為試件的橫截面積，cm2；△t為測試時間，s；ηT/η15 ℃為水在測試溫度T℃時與15 ℃時的相對粘度。表2為T℃水與15 ℃水的粘度比ηT/η15 ℃。

表2 T℃水與15 ℃水的粘度比ηT/η15 ℃[5]Tab.2 The viscosity ratio of water atT℃ and 15 ℃

3 結果與討論

3.1 水灰比對透水混凝土性能的影響

從表3可以看出，水灰比對透水混凝土的抗壓強度有影響。從實驗結果可以觀察到，混凝土的抗壓強度隨著水灰比的增加先增加后減少。其中，水灰比為0.32，ZS-3摻量達到6%的時候，混凝土的抗壓強度達到最大。透水混凝土由于其孔結構的特殊性，透水混凝土的強度主要由骨料之間的嵌擠作用與水泥砂漿的粘結作用構成[6]。一開始水灰比為0.30時，未達到峰值，主要原因是用水量較少，水泥漿和易性不夠，硬化水泥漿體層厚度不大，沒能完全包裹住碎石。同時透水混凝土屬于干硬性混凝土，水灰比低，會使得混凝土攪拌困難，而且會導致被水泥漿包裹較多的骨料沉在試塊底部，造成試塊底部抗壓強度高，上部抗壓強度低的現象。所以在水灰比為0.30時，混凝土的抗壓強度大部分是由骨料之間的嵌擠咬合力和小部分水泥砂漿的粘結作用構成，因此抗壓強度未能達到峰值。當水灰比達到0.32時，水泥漿具有足夠的流動性，可以完全包裹住粗骨料，使得骨料之間的點粘結變成了面粘結，提高了混凝土的密實度與強度，水泥漿的粘結作用達到最大，因而此時透水混凝土的抗壓強度達到最大。而當水灰比持續增大時，水泥硬質漿體層的厚度變大，在不影響水泥硬質漿體的粘結強度的同時，也降低了骨料的嵌擠咬合力，形成密實懸浮結構，導致了混凝土的抗壓強度下降。

表3 水灰比對透水混凝土性能影響Tab.3 Effect of ratio water to cement on properties of porous concrete

由表3中孔隙率的結果可以看出，透水混凝土的孔隙率隨著水灰比的增大而減小。隨著水灰比的增大，水泥漿的流動性變大，在提高混凝土抗壓強度的同時也填充了部分孔隙，從而減少了混凝土的孔隙率。隨著水灰比的繼續增大，水泥漿會完全堵塞混凝土的孔隙，使得透水混凝土逐漸喪失透水的功能。因此透水混凝土的抗壓強度和孔隙率是一種對立關系，如何在保證強度的同時最大程度的提高混凝土的孔隙率至關重要。

3.2 外加劑對透水混凝土性能的影響

由表3可知，在水灰比為0.32的時候透水混凝土的物理力學性能最佳。因此本次實驗采用水灰比為0.32，粗骨料粒徑為5～16.5 mm的情況下，摻加ZS-3與Etonish 845對透水混凝土性能的影響。

表4 ZS-3與Etonish 845對透水混凝土的影響Tab.4 Effect of ZS-3 and Etonish 845 on properties of porous concrete

實驗結果顯示，當復摻4%含量ZS-3與2%含量Etonish 845時，透水混凝土的物理力學性能達到最佳，其抗壓強度達到25.1 MPa，抗折強度達到了4.0 MPa，孔隙率達到了12.4%。根據《公路水泥混凝土路面設計規范》[7]，適用于輕型交通的普通混凝土的抗折強度要達到4 MPa，此配合比下不僅抗折強度達到了要求，而且孔隙率也達到最大值，使得混凝土具有透水等功能。

由表4顯示，在單獨摻Etonish 845時，混凝土的抗壓強度與抗折強度相比未摻加任何外加劑的混凝土并未得到大幅度提高。而復摻時，混凝土的抗壓、抗折強度則會增長較多。因此，提高透水混凝土的抗壓、抗折強度起決定性作用的因素是ZS-3。但是P17單獨摻有ZS-3時混凝土的抗折強度達到3.60 MPa并沒有P16復摻時4.00 MPa高，并且相比較P13與P14實驗結果，Etonish 845對混凝土的抗壓強度影響較小，只提高了0.5 MPa，但是對其抗折強度影響較大，提高了0.71 MPa。因此Etonish 845的作用主要是提高透水混凝土的抗折強度。這主要是因為Etonish 845是一種粉狀物質，其比表面積較大，在一定水灰比下，使得水泥漿的和易性增加，從而使得骨料之間的粘結點變多，提高了混凝土的抗折強度。同時，由于混凝土破壞時，往往是骨料之間的粘結層發生破壞，Etonish 845也提高了水泥硬質漿體的抗壓強度，所以也在一定程度上提高了混凝土的抗壓強度。

3.3 骨料粒徑對透水混凝土性能的影響

表5給出了本實驗在水灰比為0.32，外加劑摻量為復摻4%含量的ZS-3和2%含量的Etonish 845的情況下，不同骨料粒徑對透水混凝土性能的影響。從下表可以看出，隨著5～10 mm粒徑的骨料增多，10～16.5 mm粒徑的骨料變小，孔隙率呈先小后大的趨勢，而抗壓強度和抗折強度呈現著先增后減的趨勢。P21試件的抗壓、抗折強度達到最大，孔隙率達到最小。

當混凝土中粗骨料全為5～10 mm時，混凝土的孔隙率比較大，但是正是因為沒有承受外力的大粒徑骨料，混凝土的強度不高，此時混凝土如圖2為骨架孔隙結構。當復摻兩種粒徑的骨料時，小粒徑骨料填充于大粒徑骨料之間，此時混凝土的抗壓、抗折強度較高。當5～10 mm粒徑含量為60%，10～16.5 mm粒徑含量為40%時，混凝土的抗壓、抗折強度達到峰值，這就形成一種骨架較密實結構。隨著大粒徑骨料的增多，混凝土內部骨料的粘結點變少。同時，混凝土內部孔隙也會因為骨料粒徑的增多而變大。所以，當大粒徑骨料的含量增加過多時，也會導致孔隙率變大，從而強度變小。

圖2 不同結構類型的水泥穩定碎石結構示意圖(a)懸浮密實結構;(b)骨架密實結構;(c)骨架孔隙結構Fig.2 Different structure types of cement stabilized macadam

表5 骨料粒徑對透水混凝土的影響Tab.5 Effect of particle diameter of aggregates on properties of porous concrete

如圖3所示的是骨料粒徑級配曲線，其d60=11.5 mm，d30=8.8 mm ，d10=2.5 mm，

圖3 骨料粒徑級配曲線Fig.3 Aggregate size distribution of Porous Concrete

此時Ku<5，說明此骨料粒徑較均勻，即級配不良。在制備透水混凝土中，理應采用粒徑大致相同的的粗骨料形成“沙琪瑪”狀混凝土才有利于透水。由圖2可知，本實驗采用的粗骨料粒徑絕大多數范圍在5～16.5 mm之間。當大粒徑骨料過多時，骨料之間的粘結點過少，雖然孔隙率較大，但其固結嵌擠作用較小，力學性能差，不適用于透水混凝土路面；但當小粒徑骨料過多時，又將會極大的降低混凝土的孔隙率，阻礙混凝土的滲透性能，達不到透水的功能。此實驗證明了在上述條件下，骨料粒徑區間在5～16.5 mm之間，既能保證混凝土的透水性，又可以使得混凝土達到規定的強度要求。

3.4 水泥漿體層厚度對透水混凝土性能的影響

水泥漿體層厚度受到很多因素的影響，如漿體粘度、漿體量、骨料級配等。相關文獻指出，減水劑作為一種表面活性劑，能減少了水泥顆粒的表面活性能，將會降低混凝土的表觀粘度[8]。而本文中摻加的外加劑均以減水劑為主要成分，且當復摻4%的ZS-3與2%的Etonish 845時，混凝土力學性能最佳，因此在實驗中的混凝土漿體粘度將會降低，從而提高水泥漿體的和易性，有利于水泥漿體層的形成。并且在上一節中提到，當5～10 mm的粒徑骨料含量為60%，10～16.5 mm的粒徑骨料含量為40%時，混凝土的力學強度達到最佳。因此本節主要通過控制水泥漿體用量，探尋水泥漿體層厚度與透水混凝土性能的影響。如表6所示：

表6 水泥漿體層厚度對透水混凝土性能的影響Tab.6 Effect of cement mortar thickness on properties of porous concrete

由表6可知，在水灰比保持不變的情況下，提高水泥用量。砂漿層厚度隨著水泥用量的增多而變厚。當水泥用量增加至300 kg/m3時，混凝土抗壓強度與抗折強度最高。當水泥用量超過300 kg/m3時，抗壓、抗折強度逐漸降低。筆者認為，在水泥用量為250 kg/m3時，雖然水泥漿體完全包裹住了粗骨料，保證了粗骨料之間的嵌擠固結作用和砂漿之間的粘結作用，但是水泥漿體厚度不足(約1 mm)，未能發揮砂漿的全部能力，從而混凝土的力學性能未達到極大值。但是當水泥用量達到300 kg/m3時，此時粘結作用達到極大值時的水泥砂漿層厚度能夠保證(2～3 mm)，因此混凝土的抗壓、抗折強度達到最大，孔隙率與透水系數也滿足相關規范。但是當水泥用量過多時，粗集料會以懸浮狀態存在于漿體中，此時混凝土形成懸浮密實結構，粗骨料之間的孔隙也會被水泥漿體填滿，失去透水性能。而骨料之間的嵌擠咬合作用逐漸降低，會導致其力學性能開始降低。

4 結 論

(1)摻有外加劑ZS-3和Etonish 845，級配為：水泥250 kg；砂子100 kg；碎石1420 kg；水65 kg的透水混凝土，經實驗對比和分析，此配合比適合用于輕型透水混凝土路面，比如停車場、露天廣場和人行道等；

(2)水灰比對透水混凝土的強度有一定的影響，增加水灰比至0.32會使得混凝土的抗壓強度達到最大。當水灰比增加到0.32以上時，抗壓強度會減小。隨著水灰比的增大，孔隙率會變小；

(3)摻加ZS-3和Etonish 845 均會提高透水混凝土的抗壓、抗折強度。當摻加4%含量ZS-3與2%含量Etonish 845時，透水混凝土的物理力學性能達到了最大，其抗壓強度達到25.1 MPa，抗折強度達到了4.0 MPa，孔隙率達到了12.4%；

(4)骨料粒徑會影響透水混凝土的強度。隨著小粒徑骨料的減少，大粒徑骨料的增多，混凝土的抗壓強度與抗折強度先變大后變小，其孔隙率也先變小后變大。考慮本研究適用于透水混凝土路面，擬采用P21的級配，即粒徑為5～10 mm的骨料含量為60%，粒徑為10～16.5 mm的骨料含量為40%；

(5)水泥漿體層厚度也會改變透水混凝土的力學性能。而漿體層厚度受到水泥漿粘度、骨料級配和水泥用量的影響。水泥漿粘度降低有利于水泥漿體層厚度的增加，從而改善透水混凝土的力學性能。水灰比不變的情況下，增加水泥用量會在一定程度上提高混凝土的抗壓、抗折強度。但增加過量會因減少骨料嵌擠作用而降低混凝土的力學性能。

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Analysis of Porous Concrete on Lighten Road

LIChuan-yan1,LUChun-hua1,LIURong-gui1,XURong-jin1,WENHui-qing2,GONGJing-hai3

(1.Faculty of Civil Engineering and Mechanics,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China;2.Jiangsu Gold Civil Construction Group Co.Ltd, Changshu 215500,China;3.Civil Engineering Technology Institute,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

As a new-type material for pavement structure, porous concrete has aroused a broad attention and discussion all around the world on the preparation technology and optimization design. The choice of material ingredient and its proportion of porous concrete have been discussed and corresponding tests has been done. Porous concrete were tested compressive strength and flexural strength by adding two kind different concrete admixtures including ZS-3 and Etonish 845. The results indicate gradation and particle size of aggregate and ratio of aggregate to cement are the key factors affecting porosity and compressive strength of porous concrete; concrete admixtures such as ZS-3 and Etonish 845 can approve the properties of the porous concrete; porous concrete is suitable to light transportation in strength and permeable ability.

porous concrete;admixtures;aggregate gradation;water cement ratio;strength;permeation coefficient

住房和城鄉建設部2014年科學技術項目計劃(2014-K4-003)；鎮江市重點研發計劃-社會發展面上項目(SH2015004)；國家自然科學基金資助(51608235)

李川言(1994-)，男，碩士研究生.主要從事生態混凝土及其應用的研究.

陸春華，副教授.

TU528

A

1001-1625(2016)10-3132-07