骨料對透水混凝土性能影響

俞婷婷 廖華忠 李 琴

(1.中交一公局廈門工程有限公司，廈門 361021；2.廈門產業(yè)技術研究院，廈門 361021)

0 前言

透水混凝土是由膠凝材料、粗骨料、水、外加劑等拌制而成， 由膠凝材料漿體包裹骨料粘結形成蜂窩狀結構的多孔混凝土。 由于其內部的孔隙率能達到15%～25%，所以，透水混凝土具有透氣、透水的特點，能夠緩解城市熱島效應、保護地下水資源和改善土壤生態(tài)環(huán)境，是一種優(yōu)良的路面材料。 隨著海綿城市建設上升至國家戰(zhàn)略層面，透水混凝土作為海綿城市建設的重要組成部分，透水混凝土也逐漸應用于城市非機動車道、廣場、停車場等，已成為國內學者競相研究的方向。

透水混凝土為骨架空隙結構，作為骨架的粗骨料，其粒徑大小、 級配范圍等指標對透水混凝土的主要性能有著很大的影響，包括強度及透水性。 一般來說，骨料的粒徑越小、級配越好，骨料的堆積密度就越大，其堆積的孔隙率也就越小。 基于此，有學者研究得出這樣的結論：由骨料粒徑小配制的透水混凝土，其顆粒間的接觸點多，則孔隙率偏小，抗壓強度偏高；反之，由骨料粒徑大配制的透水混凝土，其堆積密度偏小，則可以提高透水性，強度偏低。

1 試驗

1.1 原材料

(1)水泥：閩福P.O 42.5 水泥，性能指標如表1 所示。

(2)粗骨料：粗骨料共有2 種，分別為碎石和卵石，骨料的粒徑分別為3～5mm、5～10 mm、10～16 mm、16～20 mm和20～25mm 共5 種。

(3)減水劑：聚羧酸，其性能指標如表2 所示。

表1 水泥性能指標

表2 減水劑性能指標

(4)拌和及養(yǎng)護用水：飲用水。

1.2 試驗方法

1.2.1 成型方法

透水混凝土為多孔結構，不宜采用機械振動的方法。如果采用機械振動方法，會導致水泥漿體沉底，造成試件底部封閉，因此，成型方法宜采用“靜壓力成型方法”[1]。

1.2.2 測試方法

透水系數(shù)的測試：

透水系數(shù)采用公司自主研發(fā)的實用新型專利裝置[2]測定， 該裝置主要是將原有的剛性套筒改換成由硅膠制成的柔性密封套筒， 同時設計有三個自鎖鋼扎帶分別位于筒體與量筒之間、待測試件的上下端面處，通過自鎖鋼扎帶的擠壓， 柔性筒體的自由變形完成各接觸面間的密封，保證了試件的有效過水面積和連接的牢固性。透水系數(shù)測試儀如圖1 所示。 透水系數(shù)測試方法依據(jù)CJJ/T 135-2009 附錄A 中的透水混凝土透水系數(shù)測試方法進行。

圖1 透水系數(shù)裝置

1.3 配合比設計

本試驗采用絕對體積法來進行透水混凝土配合比設計，基準配合比如表3 所示。

表3 基準配合比(kg/m3)

2 試驗結果與分析

2.1 骨料類型和粒徑對透水混凝土性能影響

常見用于配制混凝土的粗骨料有碎石和卵石。 一般情況下，碎石表面粗糙，棱角分明，摩擦阻力大；而卵石沒有棱角棱邊，多呈球形或橢圓形，且表面光滑，摩擦阻力小。骨料的形狀、表面粗糙程度是影響骨料與水泥石之間粘結強度的重要因素。 本次試驗選取了粒徑分別為3～5mm、5～10mm、10～16mm、16～20mm 和20～25mm 的碎石和卵石2 種骨料，研究其對透水混凝土28d 強度、透水性能的影響，試驗結果如圖2 和圖3 所示。

圖2 抗壓強度

圖3 透水系數(shù)

通過圖2、3 可以看出： 由碎石和卵石配制的透水混凝土，其骨料對透水混凝土的抗壓強度有較大的影響，對透水系數(shù)影響不大。僅看3～5mm 的粒徑，可以看出，由碎石配制的透水混凝土，其28d 抗壓強度為24.2MPa，而由卵石配制的，其強度為19.9MPa；兩者的透水系數(shù)相差不大。 其他規(guī)格粒徑，也有相同規(guī)律，這說明，在相同粒徑時，碎石骨料較卵石更優(yōu)于配制透水混凝土。這是因為碎石骨料較卵石摩擦力大、機械咬合作用強。

通過圖2、3 可以看出：骨料粒徑的大小，不僅對透水混凝土的強度有較大影響，而且對透水性能也影響顯著。通過以上試驗，我們得出如下結論：(1)骨料粒徑越大，透水混凝土的抗壓強度越低，但是隨骨料粒徑增大，其透水性能越好；(2)骨料粒徑大于某一范圍后，其抗壓強度顯著降低，一般情況，骨料不選擇粒徑大于16mm；(3)在滿足透水率的情況下，最佳粒徑為5～10mm。 這是因為，骨料粒徑越大，骨料間接觸點就越少，空隙就越多，從而導致強度降低，但透水性能會變好。

2.2 骨料壓碎值對透水混凝土力學性能的影響

透水混凝土主要由粗骨料之間相互咬合形成骨架結構，粗骨料的強度之間影響了透水混凝土的力學性能。粗骨料的強度通常用壓碎值表征。 本試驗使用了四種不同壓碎值的碎石，研究其對透水混凝土力學性能的影響，骨料粒徑均為5～10mm，配合比如表4 所示。

表4 壓碎值對力學性能的影響

圖4 壓碎值對透水混凝土力學性能的影響

通過表4 及圖4 看出骨料的壓碎值顯著影響透水混凝土的抗壓強度， 而對抗折強度影響不大， 試驗結論如下：(1)隨著壓碎值的減小，透水混凝土抗壓強度越大。 (2)隨著壓碎值的減小，透水混凝土抗折強度有增大趨勢，但不明顯。

由于制備透水混凝土主要選用單粒徑級配或者間斷級配， 大粒徑骨料之間的孔隙沒有得到小粒徑骨料的有效填充，無法像普通混凝土那樣，達到穩(wěn)定的鑲嵌效果。透水混凝土在受到外力的狀態(tài)下， 其內部主要是依靠骨料之間的接觸點來承受荷載，容易產生應力集中的現(xiàn)象，導致骨料被破壞，從而影響透水混凝土抗壓強度。

2.3 骨料級配對透水混凝土性能的影響

本試驗以5～10mm 碎石為基礎， 通過摻入3～5mm、10～16mm、16～20mm 骨料， 分別按照100%、70%、50%、30%、0%設計五種配比關系，應用混料設計方法進行試驗設計。5～10mm 碎石，摻入3～5mm 碎石的試驗結果如表5和圖5 所示；摻入10～16mm 碎石的試驗結果如表6 和圖6 所示； 摻入16～20mm 碎石的試驗結果如表7 和圖7 所示。

表5 摻3～5mm 試驗結果

圖5 摻3～5mm 對透水混凝土性能的影響

表6 摻10～16mm 試驗結果

表7 摻16～20mm 試驗結果

圖6 摻10～16mm 對透水混凝土性能的影響

圖7 摻16～20mm 對透水混凝土性能的影響

由表5～7 和圖5～7 可以看出： 骨料級配顯著影響透水混凝土的力學性能和透水性能。以上試驗結果表明：(1)摻入骨料粒徑較小時，隨著摻入的增加，試塊的抗壓強度增大，孔隙率、透水系數(shù)減??；(2)摻入骨料粒徑較大時，隨著摻入的增加，試塊的抗壓強度有所降低，孔隙率、透水系數(shù)有所增大。

這是因為，摻入大粒徑骨料時，整體骨料粒徑越大，骨料間接觸點就越少，空隙就越多，從而導致強度降低，但透水性能會變好。 相反，摻入小粒徑骨料時，整體骨料粒徑越小，從而導致強度增大，但透水性能會變差。因而，采用兩種不同粒徑的骨料配制透水混凝土時， 再應通過試驗確定骨料的最佳配比，獲得良好的強度和透水性能。本試驗中骨料最佳配比為5～10∶3～5=7∶3、5～10∶10～16=5∶5、5～10∶16～20=1∶0。 說明，骨料粒徑相差較大時，粒徑5～10mm 和16～20mm 骨料沒有形成有效的搭接骨架，因而其兩種骨料復摻的效果不如單粒徑5～10mm。

3 結論

通過上述研究得到以下結論：

(1)在相同粒徑時，碎石骨料較卵石更優(yōu)于配制透水混凝土。 選擇碎石骨料時，透水混凝土的抗壓強度較大；碎石和卵石對透水系數(shù)影響不大。

(2)單級配配制透水混凝土時，骨料粒徑越大，透水混凝土的抗壓強度越小，孔隙率和透水系數(shù)越大；在滿足透水性能的情況下，小粒徑骨料更適合配制透水混凝土，最佳粒徑為5～10mm。

(3)骨料壓碎值顯著影響透水混凝土抗壓強度，壓碎值越小，抗壓強度越大；骨料壓碎值對透水混凝土抗折強度影響不明顯。

(4) 采用兩種不同粒徑的骨料配制透水混凝土時，再應通過試驗確定骨料的最佳配比， 獲得良好的強度和透水性能。 本試驗中骨料最佳配比為5～10∶3～5=7∶3、5～10∶10～16=5∶5、5～10∶16～20=1∶0。