透水混凝土性能影響因素研究

呂劍鋒 梁麗敏 李世華 王小亮 李 云

(云南建投綠色高性能混凝土股份有限公司，云南 昆明 650501)

0 引言

透水混凝土是由歐美、日本等國家針對原城市道路的路面缺陷，開發使用的一種能讓雨水流入地下，有效補充地下水，緩解城市地下水位急劇下降等一些城市環境問題的路面鋪裝混凝土；和普通混凝土相比，透水混凝土在原材料組成、結構組成和性能要求等方面有很大的區別[1]。從材料組成來看，透水混凝土通常不含細骨料或含有少量細骨料；從結構組成來看，透水混凝土硬化后形成一種由骨料表面包裹一層薄水泥漿互相粘結而形成孔穴均勻分布的蜂窩狀結構；從性能要求來看，透水混凝土需要有一定的有效孔隙率來保證透水性能。因此影響透水混凝土性能的因素和普通混凝土也大不相同。姚明來等[2]研究了水灰比對透水混凝土強度和透水性能的影響，結果表明，在最佳的水膠比范圍下，透水混凝土的綜合新能最優；孔新宇[3]綜合許多學者的研究成果指出水膠比、骨膠比和骨料性能對透水混凝土的力學性能和透水性能有較大的影響，徐杰等[4]通過試驗研究也得出了類似的結論；張勇等[5]研究了設計孔隙率對透水混凝土強度的影響，試驗結果表明，隨著設計孔隙率的提高透水混凝土的抗壓強度下降。

本文以透水混凝土的強度、有效孔隙率和透水性能三者為研究對象，通過對比水膠比、骨膠比、骨料粒徑和種類對透水混凝土強度、有效孔隙率和透水性能的影響規律，系統的研究了透水混凝土性能的影響因素，并根據試驗數據研究了有效孔隙率、透水系數和強度三者之間的相互關系。

1 原材料和配合比設計

1.1 原材料

1)水泥：水泥選用宜良紅獅P.O42.5水泥。

2)骨料：骨料選用粒徑分別為5 mm～10 mm和10 mm～20 mm的石灰巖質碎石和河卵石，骨料的性能指標見表1。

表1 骨料性能技術指標

3)外加劑：云南建投高分子材料有限公司生產的PCA-800型高性能聚羧酸減水劑，固含量為15.2%，減水率為23.4%。

1.2 配合比設計

根據上述骨料參數，按照CJJ/T 135透水水泥混凝土路面技術規程中規定的配合比設計方法計算各組分的用量，設定設計孔隙率為25%，水膠比為0.30，外加劑摻量根據推薦摻量確定為1.6%，各骨料粒徑的基準配合比詳見表2。

表2 透水混凝土基準配合比

1.3 試驗方法

1)透水混凝土采用下屬工藝成型。

設定松鋪系數為1.10，根據容重和試模體積稱量相應重量的拌合物，分兩層裝入，每層插搗25次，裝好之后采用小型平板振搗器整平試模表面。

2)透水系數。

透水系數的測試采用定水頭法，具體方法見《透水水泥混凝土路面技術規程》附錄A[6]中規定。

3)孔隙率測定。

孔隙率的測定采用重量法測試，分別稱量試件烘干后的重量和在水中的重量，兩者之差即為試件因孔隙被水填充而試件受到的浮力，孔隙率的計算公式如式(1)所示，所測得的孔隙率包括連通孔隙和半連通孔隙，不包括封閉孔隙。

(1)

式中：P——孔隙率，%；

m1——試件在水中的重量，g；

m2——試件在烘箱中烘24 h后的重量，g；

V——試件體積，cm3。

2 試驗結果與討論

2.1 水膠比對透水混凝土性能影響

普通混凝土的力學性能和水膠比存在比較確定的數學關系F—f(W/B)，而對于透水混凝土其拌合物一般呈干硬狀態，水膠比變化范圍較小，水膠比和力學性能只在很小范圍內與普通混凝土有類似的規律[1]。透水混凝土中水膠比的大小直接影響到漿體的流動度，進而影響骨料與漿體之間的粘結性和漿體的填充率，因此水膠比對透水混凝土的工作性能、力學性能和透水性能有很大的影響。本試驗以0.25，0.27，0.30，0.32，0.35五個不同的水膠比制備透水混凝土，通過對比新拌透水混凝土的工作性能和硬化后的強度和透水系數研究水膠比對透水混凝土性能的影響規律。透水混凝土性能隨水膠比的變化關系曲線如圖1所示。

由圖1可以看出透水混凝土水膠比的大小對力學性能和透水性能的影響較大，在最佳水膠比上下浮動0.2，28 d抗壓強度降低高達30%左右，透水系數則隨著水膠比的增大呈下降趨勢。這是因為隨著水膠比的增大漿體流動度增加，成型后漿體在重力的作用下流入試塊底部造成堵孔封底現象，透水性能下降，進而粘結骨料的漿體數量減少，接觸面積減小，骨料之間的粘結力下降，最終導致抗壓強度的降低。水膠比過小，漿體呈干硬狀態，水泥顆粒易于結團堵塞孔隙，使得孔隙的連通性變差而導致透水性能下降，由于漿體的流動性不足，同樣導致骨料與漿體之間的粘結力下降而導致最終的強度下降。

2.2 骨膠比對透水混凝土性能影響

透水混凝土的強度受漿體層厚度和骨料性能的影響較大，漿體層厚度的大小同時與有效孔隙率和透水性能密切相關。本試驗采用固定的最佳水膠比和骨料用量，選取骨膠比為3.9～5.2制備透水混凝土(見圖2)。

由圖2可知，透水混凝土的抗壓強度隨著骨膠比的增大而降低，透水性能則呈相反的變化趨勢。隨著骨膠比的增大，透水混凝土中的膠凝材料減少，導致透水混凝土中連通孔隙數量的增多，相應的平均孔徑增大，而粘結骨料之間的漿體數量和厚度減小，漿骨之間的粘結力下降，最終導致透水系數的增大和抗壓強度的降低。

2.3 骨料性能對透水混凝土性能的影響

透水混凝土用骨料一般為間斷級配或單粒級碎石，作為主要的兩大原材料之一，骨料的性能對透水混凝土的力學性能和透水性能影響較大。試驗選取粒徑為5 mm～10 mm和10 mm～20 mm的兩種碎石，骨料分為石灰巖質碎石和河卵石兩種(見圖3)。

采用5 mm～10 mm骨料透水混凝土的28 d抗壓強度高于10 mm～20 mm骨料，透水系數變化規律則相反；卵石的粒型和壓碎值優于碎石，但是相同骨料粒徑條件下采用碎石配制的透水混凝土28 d抗壓強度高于卵石配制的混凝土，卵石透水混凝土的透水系數略高于碎石。骨料粒徑小，緊密堆積狀態下孔隙率小，透水混凝土整體密實度高，抗壓強度提高的同時透水性能下降。卵石圓度較高，表面光滑，配制的透水混凝土骨料之間的接觸面積小于碎石，且漿體與骨料之間的粘結力小，導致抗壓強度較低。

2.4 抗壓強度、透水系數和有效孔隙率之間的相互關系

透水混凝土中抗壓強度、透水系數和有效孔隙率三個指標是相互影響和制約的，圖4所示為有效孔隙率與透水系數和28 d抗壓強度的的線性回歸曲線，隨著有效孔隙率的增加，透水系數呈線性增大趨勢，28 d抗壓強度則呈線性趨勢下降，線性回歸關系分別為y=0.14x-0.64和y=34.15-0.63x。透水系數和28 d抗壓強度的關系如圖5所示，對透水混凝土各齡期的抗壓強度來說，隨著透水系數的增加，抗壓強度呈線性下降趨勢，其線性回歸關系為y=28.35-2.57x。

透水混凝土中有效孔隙率的大小決定了透水系數的大小，同時對透水混凝土的力學性能有較大的影響。大量研究表明普通混凝土的強度和孔隙率的關系不適用于透水混凝土，但是在總體變化趨勢上是一致的。現行的透水混凝土配合比設計方法中只涉及了設計孔隙率這一參數，對強度、透水系數等參數沒有明確規定，缺乏科學性和合理性。通過大量的試驗數據找到三者之間存在的統計關系，在透水混凝土的配合比設計中加以充分的考慮，對于保證透水混凝土強度和透水系數滿足設計要求具有重要的現實意義。

3 結語

1)水膠比和骨膠比對透水混凝土強度和透水性能有較大的影響。水混凝土配合比設計中，應通過小試驗確定最佳的水膠比和骨膠比，此時的透水混凝土強度較好，透水性能滿足要求。

2)骨料的粒徑和種類對透水混凝土的強度影響較大，對透水系數影響較小，相同粒徑碎石透水混凝土的強度優于卵石透水混凝土，相同種類骨料配制的透水混凝土，骨料粒徑越大，強度越低。

3)透水混凝土的有效孔隙率、透水系數和強度三者存在一定的線性關系，隨著有效孔隙率的增大，透水系數呈線性增大趨勢，抗壓強度呈線性下降趨勢。