孔隙率和尺寸效應對透水混凝土力學性能的影響研究

徐德飛

（上海崇明水務局，上海 202150）

孔隙率和尺寸效應對透水混凝土力學性能的影響研究

徐德飛

（上海崇明水務局，上海 202150）

根據透水混凝土的結構特征，本文對其配制參數和配合比計算方法進行了研究，驗證了以總孔隙率為第一設計參數，抗壓強度為第二參數的配合比設計方法。試驗證明：采用該方法制備的透水混凝土具有良好的透水性和強度，基本能夠達到最初的設計要求。研究了骨料粒徑、孔隙率和尺寸效應對透水混凝土力學性能的影響，為透水混凝土工程應用提供技術支持。

透水混凝土；配合比；尺寸效應；力學性能

隨著城市化進程的加快，人們對城市環境和舒適度的要求越來越高，作為生態環境友好型混凝土之一的透水混凝土也逐漸成為人們關注的熱點之一[1]。與傳統混凝土相比，透水混凝土最大的特點是具有大量的連通孔隙，具有非常好的透氣性和透水性，將這種混凝土用于廣場、人行道路的鋪設，既能擴大城市的透水、透氣面積，增加行人、行車的舒適性和安全性，又能減少交通噪聲，對調節城市空氣的溫度和濕度、維持地下土壤的水位和生態平衡具有重要作用。透水混凝土的配合比設計及施工工藝與普通混凝土不同，就其工程應用而言，要求既要有足夠的強度，又要有良好的透水性。透水混凝土的研究和應用，始于 50 年代初，但由于其抗折、抗壓強度較低，會在工程應用中出現各種問題，如承載能力差，粗骨料之間粘結力小，抗凍融性能以及孔穴堵塞等問題，致使透水混凝土的大面積應用還需做大量工作。

本文驗證了以總孔隙率為第一設計參數，抗壓強度為第二參數的配合比設計方法[2-3]，研究了孔隙率與透水混凝土力學性能之間的關系。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

（1）本試驗采用鉆牌 P·O42.5 水泥，需水量比和細度分別為 90% 和 8% 的Ⅰ級粉煤灰。

（2）4.75～9.5mm、9.5～19.0mm 單粒級石灰巖碎石，性能指標如表 1 所示，采用減水率 33% 的聚羧酸減水劑。

表 1 單粒徑碎石性能指標

（3）砂：天然河砂，Ⅱ區粗砂，性能指標見表 2。

表 2 天然砂性能指標

（4）拌合水：自來水。

1.2 試驗方法

（1）根據透水混凝土的結構特征，本文試驗將采用重慶大學王智教授等人提出的以總孔隙率為第一設計參數，抗壓強度為第二參數的配合比設計方法。同時本試驗采用人工壓制成型，確定水灰比為 0.35。由此計算出的不同孔隙率的透水混凝土配合比如表 3 所示。

（2）測試兩種粒徑不同孔隙率的透水混凝土 28 天抗折、抗壓強度及劈裂強度[4]，分析比較骨料粒徑和孔隙率對透水混凝土力學性能的影響。

（3）對不同孔隙率（5%，10%，20%）、不同骨料粒徑（4.75～9.5mm，9.5～19.0mm）的透水混凝土 100mm、150mm 和 200mm 立方試塊尺寸效應進行試驗研究。分析其中某一變量對透水混凝土力學性質的影響以及試件尺寸引起的力學性能的變化。

表 3 不同目標孔隙率透水混凝土配合比

2 試驗結果與討論

2.1 實測孔隙率與目標孔隙率對比

透水混凝土的透水性大小取決于有效孔隙率的大小，本試驗中所測得的孔隙率均為有效孔隙率，即為實測孔隙率。為了檢測本實驗中配合比設計方法的可行性，以及骨料粒徑對孔隙率的影響。取 w/c=0.35，目標孔隙率為 5%、10%、20% 進行對照試驗。如表 4 所示。

表 4 透水混凝土實測孔隙率

從表 4 可以看出：目標孔隙率為 5% 和 10% 配制的透水混凝土，實測孔隙率與目標孔隙率很接近。但目標孔隙率為20%，實測為 15%，相差較大，所以將孔隙率 15% 作為之后數據分析。

2.2 透水混凝土透水性展示

圖 1 是兩種不同粒徑骨料，孔隙率為 15% 的透水性展示，由圖可以看出，透水混凝土透水性能很好，水從不同孔道流出，在混凝土表面沒有積水。

2.3 孔隙率與骨料粒徑及 28 天力學強度的關系

不同骨料粒徑配制的不同孔隙率的透水混凝土 28 天抗折、抗壓強度分別如圖 2、圖 3 所示，由圖可以看出，無論對于哪種粒徑配制的透水混凝土，隨著目標孔隙率的增大，透水混凝土 28 天抗折、抗壓強度隨之下降。

對于粒徑 4.75～9.5mm 骨料配制的透水混凝土，當孔隙率由 5% 增加到 10% 時，混凝土 28 天抗折強度下降 26%，抗壓強度下降 32%；當孔隙率由 10% 增加到 20% 時，混凝土 28 天抗折強度下降 21%，抗壓強度下降 51%。對于粒徑 9.5～19mm 骨料配制的透水混凝土，當孔隙率由 5% 增加到 10% 時，混凝土 28 天抗折強度下降 57%，抗壓強度下降46%；當孔隙率由 10% 增加到 20% 時，混凝土 28 天抗折強度下降 10%，抗壓強度下降 14%。

圖 1 透水性展示

對于小粒徑的骨料而言，水泥與骨料膠結面強度起關鍵性作用，隨著孔隙率的增加，水泥用量減少，膠結能力下降，混凝土強度下降。對于大粒徑骨料配制的透水混凝土，當孔隙率由 10% 增加到 20% 時，混凝土 28 天抗折強度、抗壓強度變化不大，這是由于當孔隙率較大時，骨料強度對混凝土強度也會產生影響。

圖 2 28 天抗折強度與骨料粒徑及孔隙率的關系

圖 3 28 天抗壓強度與骨料粒徑及孔隙率的關系

2.4 尺寸效應對透水混凝土力學性能的影響

粒徑為 4.75～9.5mm 和 9.5～19mm 骨料配制的不同尺寸、不同孔隙率的透水混凝土 28 天立方抗壓強度分別如圖4、圖 5 所示。粒徑為 4.75～9.5mm 和 9.5～19mm 骨料配制的不同尺寸、不同孔隙率的透水混凝土 28 天劈裂強度如圖6、圖 7 所示。

對于粒徑為 4.75～9.5mm 配制的透水混凝土，隨著尺寸的增大，混凝土立方抗壓強度呈下降趨勢。對于孔隙率為 5%、10%、20% 的透水混凝土，當尺寸由 100mm 增加到150mm 時，其立方抗壓強度略有所下降，但當尺寸增加到200mm 時，透水混凝土立方強度下降 20% 左右。對于粒徑為9.5～19mm 配制的透水混凝土，當孔隙率為 5% 時，隨著尺寸的增大，混凝土強度呈下降趨勢。當尺寸由 100mm 增加到150mm 時，其立方抗壓強度下降 20%，當尺寸由 150mm 增加到 200mm 時，透水混凝土立方強度也下降 20% 左右。當孔隙率為 10%、20% 時，隨著尺寸的增大，混凝土強度呈下降趨勢，但下降幅度不大。

圖 4 （4.75～9.5mm）抗壓強度與試件尺寸的關系

圖 5 （9.5～19.5mm）抗壓強度與試件尺寸的關系

圖 6 （4.75～9.5mm）劈裂強度與試件尺寸的關系

可以看出對于小粒徑骨料配制的透水混凝土，尺寸效應對不同孔隙率的混凝土強度均有較明顯的影響，對于大粒徑骨料，尺寸效應對低孔隙率的混凝土強度影響較大。

無論對于哪種粒徑配制的透水混凝土，隨著尺寸的增大，混凝土劈裂強度呈下降趨勢。對于粒徑為 4.75～9.5mm配制的孔隙率為 5% 的透水混凝土，當尺寸由 100mm 增加為200mm 時，其劈裂強度下降 33%，對于孔隙率為 20% 的透水混凝土，當尺寸由 100mm 增加為 200mm 時，其劈裂強度下降 26%。對于粒徑為 9.5～19mm 配制的孔隙率為 5% 的透水混凝土，當尺寸由 100mm 增加為 200mm 時，其劈裂強度下降 38%，對于孔隙率為 20% 的透水混凝土，當尺寸由 100mm增加為 200mm 時，其劈裂強度下降 72%。由此可以看出尺寸效應對大粒徑骨料配制的大孔隙率透水混凝土劈裂強度影響更大。

圖 7 （9.5～19.5mm）劈裂強度與試件尺寸的關系

3 結論

（1）根據以總孔隙率為第一設計參數，抗壓強度為第二參數的配合比設計方法獲得的實測孔隙率與目標孔隙率基本一致，說明了本試驗采用的配合比設計方法的合理性。

（2）無論對于哪種粒徑配制的透水混凝土，隨著目標孔隙率的增大，透水混凝土 28 天抗折、抗壓強度隨之下降。對于小粒徑的骨料而言，水泥與骨料膠結面強度起關鍵性作用，隨著孔隙率的增加，水泥用量減少，膠結能力下降，混凝土強度下降。對于大粒徑骨料配制的透水混凝土。

（3）隨著尺寸的增大，透水混凝土立方抗壓強度、劈裂強度呈下降趨勢。小粒徑骨料配制的透水混凝土，尺寸效應對不同孔隙率的混凝土強度均有較明顯的影響，對于大粒徑骨料，尺寸效應對低孔隙率的混凝土強度影響較大。

[1] 張朝輝，王沁芳，楊娟．透水混凝土強度和透水性影響因素研究[J]．混凝土，2008(3)∶ 7-9．

[2] 張朝輝，王沁芳，楊娟，等．透水混凝土配合比研究與設計[J]．混凝土，2008(6)∶ 120-122．

[3] 王智，錢覺時，張朝輝，等．多孔混凝土配合比設計方法初探[J]．重慶建筑大學學報，2008(6)∶ 124-127．

[4] GB/T 50081—2002．普通混凝土力學性能試驗方法標準[S]．

［通訊地址］上海市崇明區育麟橋路 333 號上海崇明水務局（202150）

Research of porosity and the size effect on the mechanical behavior of porous concrete

Xu Defei
(Water Authority of Chongming in Shanghai, Shanghai 202150)

According to the structural characteristics of pervious concrete, with the ratio of its preparation parameters and calculation methods, it was verif i ed that the fi rst design parameters of the total porosity, compressive strength as the second parameter of the mix design method. Through experiments proved∶ The permeability of concrete prepared by this method has good permeability and strength, to achieve the original design requirements. Study the aggregate particle size, porosity, and size effect on the mechanical behavior of porous concrete, to provide technical support for the permeable concrete engineering application.

permeable concrete, mixing ratio, size effect, mechanical properties

徐德飛（1972—），男，上海市崇明區水務局，工程師，水利工程專業。