砂率對透水混凝土性能的影響

王耀峰

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

按照《山西省黃河、長城、太行三大板塊旅游發展總體規劃》的目標，山西省到2020年將建成黃河、長城、太行三大板塊旅游公路網絡，以改善旅游交通服務功能，形成具有全國知名度、國際影響力的旅游公路。采用彩色透水混凝土路面鋪筑觀景臺、人行道、觀光道等公路附屬設施是實現旅游公路從單純滿足出行功能向生態、旅游、消費等復合功能轉變的新途徑。

透水混凝土是一種由波特蘭水泥、粗集料、沒有或含少量細集料、礦物摻合料、外加劑和水組成的綠色多孔材料，廣泛應用于人行道、廣場及景觀路面。透水混凝土的有效孔隙率在15%～35%之間，使雨水能夠迅速滲入地下，促進地下水循環[1-2]。同時，透水混凝土還具有吸熱、降噪以及凈化水質等諸多優點[3-5]。現在，透水鋪裝系統已成為建設海綿城市最有效的技術途徑之一[6]。國內外針對無砂透水混凝土的配合比設計、力學、透水、耐久等性能進行了深入研究，取得了大量的成果。隨著對透水混凝土的不斷深入研究，一些學者發現摻入少量細砂，可以在不降低透水系數的條件下提高強度，但在配合比設計中，摻入細砂的方式上卻有所不同。付培江等人[7]為了保證孔隙率一致，保持粗集料的量不變，通過增加細砂減少水泥的方式摻入砂子，其砂率含義和普通混凝土的一致。徐仁崇等人[8]則引入了體積砂率這一概念，“體積砂率”即透水混凝土配合比中細砂體積占細砂與水泥總體積的百分比，此時的砂率含義和普通混凝土中有所不同。吳冬等人[9]發現摻入細砂可以在保證透水性能的基礎上，提高透水混凝土的強度。目前，針對含砂透水混凝土的系統研究較少，尤其對其耐酸雨侵蝕性能的研究尚未見報道。鑒于此，本文系統地研究了砂率（0%、5%、10%、15%）對透水混凝土抗壓強度、有效孔隙率、透水系數及耐酸雨性能的影響，從而使國內對含砂透水混凝土性能的研究更加完善。

1 試驗

1.1 原材料

水泥（C）：P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，水泥主要性能見表1。粗集料（G）：單一粒徑為4.75～9.5 mm的普通碎石，表觀密度為2 700 kg/m3，堆積密度為1 600 kg/m3，空隙率為 40.7%。細集料（S）：普通河砂，最大粒徑2.36 mm，細度模數2.97，堆積密度1 516 kg/m3，表觀密度 2 650 kg/m3。拌合用水（W）：自來水。減水劑（SP）：聚羧酸高效減水劑，減水率20.1%，固體含量25.4%，比重為1.04。

表1 水泥的主要性能指標

1.2 試驗方法

1.2.1 配合比設計

采用基于漿體層厚度的透水混凝土配合比設計方法[10]設計透水混凝土，其配合比設計原理為：將粗集料簡化為球模型，計算緊密堆積狀態下1 m3透水混凝土中粗集料顆粒總數目和總表面積；結合體積法通過有效孔隙率需求來確定漿體層厚度范圍，預設漿體層厚度確定漿體體積；由漿體體積和水灰比確定各原材料的用量。對于普通混凝土，摻入細集料取代的是粗集料，但對于透水混凝土，為保證整個骨架體系一致需要固定粗集料用量不變，摻入的細集料體積應計入漿體體積，而不計入集料體積中。細集料作為漿體的一部分，因此計算透水混凝土集料比表面積時只計算粗集料的表面積而不計入細集料的表面積。表2為試驗所用粗集料比表面積計算表。文獻[10]認為漿體層厚度介于0.14～0.55 mm 時可保證透水混凝土硬化后孔隙率在15%～35%之內。為了獲得較高強度的透水混凝土，試驗采用0.50 mm 的漿體層厚度。

表2 粗集料比表面積計算表（以1 m3 透水混凝土中的粗集料計）

表3為不同砂率透水混凝土的配合比。C-Sand-0 組為普通透水水泥混凝土，作為對照組；C-Sand-5、C-Sand-10、C-Sand-15 組為含砂透水混凝土，作為試驗組。由于透水混凝土的漿體一般較少，砂率太大會造成漿體干硬且黏性降低，使新拌透水混凝土不易成型，一般透水混凝土的砂率不大于20%，因此在保證單位體積透水混凝土中粗集料用量不變，本試驗分別以5%、10%、15%的砂率摻入細砂取代相應體積的漿體。

表3 含砂透水混凝土配合比

1.2.2 性能測試方法

1.2.2.1 抗壓強度

透水混凝土試件的抗壓強度依據GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能測試方法》中的混凝土立方體抗壓強度試驗方法進行測試。

1.2.2.2 有效孔隙率

透水混凝土的有效孔隙率采用排水法進行測定。按式（1）計算試件的28 d 有效孔隙率P：

式中：P 為有效孔隙率，%；m1為試件在水中的質量，g；m2為試件烘干后的質量，g；ρw為水的密度，g/cm3；V 為試件的體積，cm3。

1.2.2.3 透水系數

本試驗研究的透水混凝土孔隙率都在20%以上，滲透能力較強，采用變水頭法測試發現滲水速度太快，難以精確測試時間，因此采用常水頭法測試透水系數。按照CJJ 135—2009《透水水泥混凝土路面技術規程》附錄1 的透水系數測試方法進行，按式（2）計算試件的28 d 透水系數K：

式中：K 為透水系數，mm/s；Q 為 T 時間內的出水量，cm3；L 為試件厚度，mm；A 為試件底面積，cm2；H 為水位差，cm；T 為測試時間，s。

1.2.2.4 耐酸雨侵蝕性能

根據《2017 中國生態環境狀況公報》顯示，酸雨主要陽離子為 NH4+、Ca2+，陰離子主要為 SO42-、NO3-，由于混凝土內部本身富含Ca2+，則本試驗采用硫酸銨和濃硝酸配制酸雨溶液。硫酸銨控制硫酸根離子并提供NH4+，濃硝酸控制溶液的pH 值為3 左右，以保證維持酸雨酸度的同時而不帶入其他具有侵蝕性的陰離子。為研究在酸性環境下含砂透水混凝土的耐久性，在浸泡期間每天分 3 次（8:00、15:00、22:00）滴加濃硝酸溶液以保證溶液pH 值。每個箱子放12 個試件，溶液與試件體積比保持8∶1。試驗采用干濕循環法對試件進行加速侵蝕。具體為：浸泡2 d，60 ℃烘干 1 d，每 3 d 為一個周期，每個周期結束測試質量，每5 個周期結束測試試件的抗壓強度。

透水混凝土的耐酸雨侵蝕性通過質量損失率和抗壓強度耐蝕系數表征。質量損失率和抗壓強度耐蝕系數分別按式（3）、式（4）計算。

式中：Km為透水混凝土質量損失率，%；M0為透水混凝土試樣侵蝕前的質量，g；Mn為透水混凝土試樣侵蝕 n 次后的質量，g。

式中：Kf為透水混凝土抗壓強度耐蝕系數，%；fc0為與酸雨侵蝕試樣相同齡期的標準養護試樣的抗壓強度，MPa；fcn為侵蝕 n 次后的試樣抗壓強度，MPa。

2 結果與討論

2.1 力學性能

砂率對透水混凝土抗壓強度的影響見圖1。由圖1可知，在漿體層厚度及水灰比不變的條件下，C-Sand-0～C-Sand-15 組的 28 d 抗壓強度分別為15.6 MPa、18.9 MPa、15.5 MPa 和 12.3 MPa，可見隨著砂率的增加，透水混凝土的抗壓強度先增大后減小。當砂率為5%時，透水混凝土的強度最高，相比普通水泥透水混凝土提高了21.2%。對比C-Sand-0組和C-Sand-10 組，其28 d 抗壓強度基本一致，可見當砂率大于10%時會降低透水混凝土的強度。在砂率較小時，即使增加砂子用量，漿體也足以在顆粒之間形成較強的漿體層，而砂用量的增加可以提高混凝土的整體剛度，強度得以提高。但當砂率增加太大時，膠結材料就減少到一定程度，并不能在粗細顆粒之間形成足夠厚的漿體層，使混凝土內部的膠結性能降低，從而導致強度降低。

圖1 砂率對透水混凝土抗壓強度的影響

2.2 透水性能

砂率對透水混凝土透水性能的影響見圖2。由圖2可知，在漿體層厚度及水灰比不變的條件下，C-Sand-0～C-Sand-15 組的 28 d 有效孔隙率和透水系 數 分 別 為 24.8% 、21.4% 、23.7% 、28.3% 和5.80 mm/s、4.87 mm/s、5.79 mm/s、6.93 mm/s。可見隨著砂率的增加，透水混凝土的28 d 有效孔隙率和透水系數先減小后增大。當砂率為5%時，透水混凝土的透水性能最差，其有效孔隙率和透水系數相比普通水泥透水混凝土分別降低了13.7%、16.0%，但遠大于行業標準CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術規程》中規定的連續孔隙率大于等于10%，透水系數大于等于0.5 mm/s。對比C-Sand-0 組和C-Sand-10 組，其28 d 有效孔隙率和透水系數相差不大，可見砂率為10%時會降低透水混凝土的透水性能。本試驗在制備含砂透水混凝土時，采取砂子取代水泥的方法進行摻砂。當摻入少量砂子（5%）時，砂子的摻入改善了整個透水混凝土體系中顆粒級配，降低了混凝土的整體孔隙率和透水能力。當砂子摻量增大，水泥的用量相應減小，水灰比不變，水的用量也減小，水泥漿體太少無法填充砂子顆粒之間的孔隙而無法形成相對密實的砂漿，從而造成含砂透水混凝土的孔隙率和透水系數都增大。

圖2 砂率對透水混凝土透水性能的影響

2.3 耐酸雨侵蝕性能

選取C-Sand-0 組、C-Sand-5 組透水混凝土進行耐酸雨侵蝕試驗。圖3、圖4分別為透水混凝土質量損失率、強度耐蝕系數隨侵蝕時間的變化曲線。

圖3 透水混凝土在酸雨侵蝕下質量損失率變化曲線

圖4 透水混凝土在酸雨侵蝕下強度耐蝕系數變化曲線

由圖3可知，含砂透水混凝土的質量損失率Km均隨著侵蝕時間的增加而增大。在侵蝕前15 d 內，C-Sand-0 組、C-Sand-5 組試件的質量損失率 Km分別增大3.0%、2.2%，而在侵蝕15～60 d 這45 d 內，C-Sand-0 組、C-Sand-5 組試件的質量損失率 Km均增大了2.0%。由此可見，對于含砂透水混凝土，在經受酸雨侵蝕時，質量變化均分為兩個階段：在侵蝕前期階段（小于等于15 d），質量損失速度較快，而在侵蝕中后期（大于15 d），質量損失速度減緩。這一規律與普通混凝土相反，其主要原因為：在侵蝕前期，酸雨通過連通孔隙可以直接進入透水混凝土內部，與漿體的接觸面積較大，到了侵蝕后期，部分漿體已被完全侵蝕，集料顆粒裸露，反而使酸雨與混凝土漿體的接觸面積減小，從而減緩了侵蝕速度。

結合圖3、圖4可知，在相同侵蝕時間下，C-Sand-5 組的質量損失率均小于C-Sand-0 組，強度耐蝕系數均大于C-Sand-0 組，可見，摻少量砂子的透水混凝土耐酸雨侵蝕性能優于普通透水水泥混凝土。在本試驗中，采用取代水泥的方式摻入細砂，所以細砂的摻入會使水泥用量減少，相應的C3A 也減少，從而降低了Ca(OH)2的生成量，可以減少酸雨侵蝕介質和Ca(OH)2的反應；另一方面，砂漿要比水泥凈漿更密實，也可以降低酸雨的侵入，基于這兩方面原因，含砂透水混凝土的耐酸雨侵蝕性能優于普通透水水泥混凝土。

3 結論

a）砂率在0～15%范圍內時，隨著砂率的增加，透水混凝土的抗壓強度先增大后減小，有效孔隙率和透水系數先減小后增大。

b）含砂透水混凝土在經受酸雨侵蝕時，其質量前期損失速率較快，而后期損失速率減緩，與普通混凝土中的規律相反。

c）摻入少量細砂可以提高透水混凝土的強度和抗酸雨侵蝕性能而不影響透水性能，建議透水混凝土最佳砂率為5%左右。