高強透水混凝土試驗研究

葛宇川，黃曉穎，劉數華＊

（1. 海綿城市建設水系統科學湖北省重點試驗室（武漢大學），湖北 武漢 430072；

2. 西安科技大學管理學院，陜西 西安 710054）

0 前言

透水混凝土具有廣泛的應用前景：收集雨水，使其回滲到地下，維持地下水資源的生態平衡，防止地表下沉；集中降雨時減輕城市排水負擔，防止內澇、河流泛濫和污染；吸收太陽熱和環境其他熱源放出的熱量，在環境溫度降低時又將熱量放出，緩解“熱島效應”；吸收汽車、鐵路交通以及環境的其他噪音，改善視覺環境[1-3]。可見，透水混凝土有較好的應用前景，尤其是當前國家正在大力推動海綿城市的發展。

透水混凝土的研究具有較長的歷史。二十世紀初期，人們開始制造具有透水性的預制混凝土構件，并將其運用在房屋建設中。美國在 1972 年通過了清潔水資源法案（Clean Water Act），規定各州需保證被收集雨水的清潔度，因此人們開始大量開展對透水混凝土設計的研究[4]；上世紀七十年代，英國學者在路面鋪設中采用了透水混凝土，且鋪設路段使用良好[5]；日本相關學者為了改善地下水位下降的問題，研究透水混凝土透水系數、孔隙率和強度之間的關系，并申請了有關透水混凝土的專利[6,7]。上世紀九十年代末到本世紀初，歐美相關學者對透水混凝土的外觀特性、力學特性、透水性和耐久性進行了系統性研究，并總結提出了一種新的透水混凝土路面設計方法[8,9]。

我國對透水混凝土材料的研究歷史相對較短，主要研究了透水混凝土的力學特性、透水性和耐久性，以及其相對普通混凝土的特點[10-13]。但到目前為止，對透水混凝土配合比設計的理論研究還較少。且目前實用型透水混凝土強度多為 20～25MPa，強度偏低，應用于海綿城市建設的實用性明顯不夠。本文設計了一種高強透水混凝土來滿足實際需要，并分析其強度和透水系數的影響因素。

1 試驗

1.1 原材料

原材料主要包括水泥、硅灰、石料、減水劑和水。本文水泥采用亞東水泥廠生產的亞東 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，硅灰購自湖北省某公司，采用 5～10mm 的碎石骨料，使用 GK-3000 聚羧酸高效減水劑，含固量為23%。原材料性質檢測結果如表 1～4 所示。

表 1 水泥性質檢測結果

表 2 水泥化學成分 %

表 3 硅灰化學成分 %

表 4 骨料性能參數

1.2 試驗方法

高強透水混凝土的配合比設計如表 5 所示。攪拌工藝采用一次加料法，將凝膠材料、骨料和外加劑拌和 30s，再加水后拌和 5min，之后裝入 100mm 的立方體試模中振動 30s，標準養護至 14d 和 28d。透水混凝土的抗壓強度和抗折強度測試按照 GB/T 50107—2010《混凝土強度檢驗評定標準》標準進行。

表 5 配合比設計

采用自制透水儀測試混凝土的透水系數，如圖 1 所示。電子儀器與水箱結構為一體，通過電子水位記錄儀記錄水位變化，透水面為 6 個 100mm×100mm 的面，通過電子儀器的程序自動獲得透水系數，透水系數計算式為：

式中：K——透水系數，cm/s；

h——水箱內高度變化，cm；

S——水箱截面積，cm2；

A——透水面總面積，cm2；

t1——開始測試時間，s；

t2——終止測試時間，s。

圖 1 透水系數測量裝置示意圖

2 試驗結果與分析

四組透水混凝土的抗壓強度和透水系數如表 6 所示，可以發現：由于存在連通的微觀孔隙，透水混凝土具有較好的透水性；相對于普通混凝土，透水混凝土的滲透系數有很大的提升，同時抗壓強度不可避免地下降。在混凝土設計配合比的過程中，為了獲得較好的透水性，骨料只包含粗骨料，因而孔隙率很高，相應地，由于孔隙率的提高，內部缺陷增多，因而混凝土強度下降。

表 6 抗壓強度和透水系數

2.1 影響透水混凝土抗壓強度的因素

從圖 2 可以看出，隨著骨膠比的減小，膠凝材料（水泥+硅灰）的用量增多，透水混凝的抗壓強度略有提升。C1、C2 組骨膠比為 4.27，兩者的抗壓強度接近；C3 組骨膠比為 4.0，其抗壓強度有較大的提高，28d 抗壓強度超過 30MPa。一般認為，粗骨料之間的摩擦力以及粗骨料和凝膠材料漿體的結合程度共同影響著透水混凝土強度。由于在配合比設計時，四組試樣均采用了相同的粗骨料，則透水混凝土的強度主要受粗骨料和凝膠材料漿體黏結強度的影響[14]。接觸界面的強度和厚度主要受凝膠材料性質和用量的影響。因此，骨膠比的減小，透水混凝土的抗壓強度有較大的提高。

圖 2 各組抗壓強度

與普通混凝土不同，水膠比對透水混凝土強度的影響似乎不大，不是影響透水混凝土強度的主要因素。透水混凝土本來就是一種比較干的混凝土，在制備過程中，如果水膠比降低，意味著用水量的減少，對水泥漿體在骨料上的均勻、完整覆蓋造成不利影響，進而影響試件成型后的內部結構，反而會對混凝土抗壓強度的提升有阻礙作用。因此，在透水混凝土中，水膠比的降低無法帶來抗壓強度的明顯提升。

2.2 影響透水混凝土滲透系數的因素

透水混凝土的透水性取決于混凝土內部孔隙，孔隙一般包含開口孔隙、半開口孔隙和閉口孔隙，只有開口孔隙對透水性有貢獻。如圖 3 所示：隨著骨膠比的減小，水泥用量增加，骨料之間的空隙被凝膠材料填充，孔隙率降低，因而不易形成連通孔隙，透水通道減少，透水系數降低。在 C3 組骨膠比為 4.0 時，骨膠比在試驗組中為最低值，其 14d 滲透系數僅為 5.96cm/s，為各組最低。

在配合比設計時，水膠比選擇在 0.24～0.26 之間。可以看出，試件滲透系數和水膠比并沒有明顯的相關性。一般來說，水膠比過大，則漿體太稀，容易堵塞孔隙，不利于透水。

圖 4 為透水混凝土 14d 抗壓強度和滲透系數對比圖。總的來說，在水膠比、骨膠比等因素的影響下，透水混凝土透水系數和抗壓強度呈現明顯的負相關。

圖 3 各組滲透系數

圖 4 14d 抗壓強度和滲透系數對比

3 結論

透水混凝土抗壓強度和透水系數主要受骨膠比影響，水膠比的影響較小。水膠比過大容易導致混凝土孔隙堵塞，對強度和透水性均不利。透水混凝土的抗壓強度和透水系數呈現明顯的負相關，在設計配合比時，應根據工程實際，在透水性和強度之間取得平衡。