用于寒區隧道深埋水溝的透水混凝土性能影響因素研究

易志偉

(中國鐵路設計集團有限公司, 天津 300308)

寒區隧道工程為實現排水順暢，一般將排水水溝埋設在土壤最大凍結深度之下。同時，為了保證隧底地基的承載力和滿足深埋水溝的排水需要，通常采用洗凈碎石對水溝的周邊進行回填。但在實際施工過程，碎石的潔凈度一般遠遠達不到設計的要求，多余的泥漿會堵塞水溝泄水孔，導致水溝匯水不暢，進而影響其排水效果，嚴重時可能在該位置處發生凍害，使得隧道發生滲漏水現象，引發隧道運營的安全問題。而透水混凝土作為可預制的回填材料，可以在很大程度上滿足隧底水溝透水性的功能要求，是作為新型深埋水溝周邊回填材料很好的選擇。

圖1 隧底深埋水溝周邊回填示意

在對透水混凝土強度和透水性的眾多影響因素中，配合比對其性能影響最大。因此，本文基于正交試驗法，通過室內試驗，研究水灰比、砂率、骨料粒徑對透水混凝土性能的影響。通過極差和方差分析法，研究各影響因素對透水混凝土抗壓強度和透水系數影響的大小，為透水混凝土的設計和施工提供依據。

1 原材料及正交試驗設計

1.1 試驗原材料

水泥：四川綿特普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5級)，28 d抗壓強度52 MPa；集料：石灰巖碎石，級配為A(3～5 mm)、B(5～10 mm)、10～15 mm三種；減水劑：聚羧酸高效減水劑，水，實驗室自來水。

1.2 正交試驗設計

透水混凝土的強度和透水性受到水灰比、砂率、骨料粒徑、攪拌方法、摻和料等多種因素的影響，本文基于正交試驗方法，旨在考察水灰比、砂率、骨料粒徑三因素對透水混凝土力學性質和透水性的影響。

根據實踐經驗，每個影響因素選取3個水平，按照正交法采用三因素三水平試驗分析，即L9(34)正交表方案，采用極差和方差分析方法對試驗結果進行分析，判斷各影響因素對透水混凝土力學性質和透水性的影響程度及顯著性分析。

三因素三水平設計：水灰比的三水平分別為0.25、0.30、0.35，砂率的三水平分別為0 %、3 %、6 %，骨料粒徑的三水平分別為3～5 mm、5～10 mm、10～15 mm(表1)。

表1 三因素三水平

2 透水混凝土試樣制備與破壞機理研究

2.1 試件制備

制作的透水混凝土試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，用于混凝土單軸抗壓強度試驗和透水性能試驗的試件尺寸相同。

攪拌時，先將骨料拌合均勻，加少量水攪拌2 min，使骨料表面濕潤，再加入定量的水攪拌均勻。該拌和方法能夠使混凝土骨料表面易形成厚度均勻的水泥漿液，沒有水泥漿下滴現象，從而保證必要的強度和透水性。拌和過程如圖2所示。

圖2 透水混凝土的拌和

拌和完成后，采用人工插搗的方式，將拌和物裝入100 mm×100 mm×100 mm的試模中，分層插搗，每層填充總高度的三分之一。為了保證混凝土的強度，搗固第一層時，應插搗至底部；為了避免上層搗固對下層的透水性的影響，同時保證足夠的強度，插搗第二層和第三層時，應貫穿并插入下層10～15 mm；搗固時，每一層四角處插搗6次，側面插搗10次，平面內部插搗8次，插搗完畢后用抹刀將成型面抹平。搗固過程如圖3所示。

圖3 透水混凝土搗固

將拌和好的混凝土裝模，置于標準養護室養護2 d后脫模，養護28 d后進行透水性和強度測試。

采用固定水量法對透水混凝土的透水系數進行測定。測量時,將水快速注滿有機玻璃筒，待筒中液面高度降為250 mm時開始計時(t1)，直至液面下降到試件上面50 mm刻度處計時(t2)，經過時間為t2-t1，可以折算出透水系數，即V(mm/s)=200/(t2-t1)。每個試件測3次，取平均值作為最終的透水系數(圖4)。

圖4 混凝土透水系數的測定

將養護28 d的混凝土試件進行混凝土單軸抗壓強度試驗，將測得的強度取平均值作為混凝土的最終強度。

2.2 透水混凝土性能及破壞機理研究

2.2.1 透水混凝土透水性及強度特性分析

透水混凝土主要性能之一的透水性，主要取決于混凝土內部結構的孔隙。在透水混凝土中，存在3種孔隙，第一種是封閉的孔隙；第二種是開口但不連續的孔隙；第三種是貫穿混凝土且連續的有效孔隙。有效孔隙對透水混凝土透水性起決定性作用，但同時也降低了透水混凝土的強度。

由于透水混凝土含有較少的細骨料，屬于由粗骨料與水泥漿液膠結成的多孔堆聚結構。一般情況下，骨料的強度較高，透水混凝土的強度主要取決于水泥膠體、水泥漿與骨料之間的界面粘結強度。因此，對透水混凝土強度的提高，主要是在保證透水性的前提下，增加凝膠體之間的接觸。

2.2.2 透水混凝土破壞過程分析

通過對透水混凝土進行強度破壞研究，大致發現如下規律：當施加應力較小時，透水混凝土在擬破壞界面處產生一些微裂縫，但是裂縫基本上保持初始狀態，沒有擴展趨勢；之后，隨著應力不斷增加，裂縫長度變長，深度加大，裂縫又不斷向周圍延伸，產生新的裂縫，骨料之間發生輕微的錯動；當應力超過一定界限，裂縫進一步發展，混凝土粘結面完全斷開，混凝土最終破壞。

2.2.3 透水混凝土與普通混凝土破壞情況比較分析

通過對比普通混凝土和透水混凝土的破壞形式可以發現，普通混凝土試件破壞后呈片塊狀結構，破壞面呈不規則形；而透水性混凝土破壞呈松散顆粒狀。普通混凝土試件和透水性混凝土破壞形態的對比如圖5所示。

圖5 普通混凝土試件與透水性混凝土破壞形態對比

3 試驗結果及分析

通過采用L9(34)正交試驗，以混凝土28 d的單軸抗壓強度和透水系數為指標，分別研究水灰比、砂率、骨料粒徑三因素在三水平作用下對透水混凝土性能的影響。并且通過極差和方差分析，來確定以上各影響因素對透水混凝土抗壓強度和透水系數影響的大小。

3.1 正交試驗結果

通過對不同水灰比、不同砂率、不同骨料粒徑三因素相互作用下的試件進行單軸抗壓試驗和透水性試驗，分別得到了以上三因素在三水平作用下的透水混凝土強度與透水系數，具體結果如表2所示。

3.2 正交試驗結果分析

3.2.1 正交試驗極差分析

通過極差分析可以確定抗壓強度和透水系數的極差大小，進而得到水灰比、砂率、骨料粒徑三種因素對透水混凝土性能影響的主次順序。

通過分析可知，無論從抗壓強度還是從透水系數考慮，砂率極差值R最大，骨料粒徑次之，水灰比最小，說明抗壓強度和透水系數受砂率影響最大，受骨料粒徑的影響次之，受水灰比的影響最弱。具體分析結果如表3所示。

表2 正交試驗結果

表3 正交試驗極差

由表3可知，砂率對抗壓強度的影響排第一位，同時對透水系數的影響也排第一位。根據經驗，一般認為透水系數為1.5 mm/s時滿足要求。當砂率取水平3時，即6 %，抗壓強度達最大，但是此時的透水系數不能滿足大于目標值值。當砂率取水平2時，即3 %，抗壓強度和透水系數均滿足要求。對于骨料粒徑，其對抗壓強度和透水系數的影響排在第二位，此時取水平3，即10～15 mm，抗壓強度和透水系數均滿足要求。對于水灰比，其對抗壓強度和透水系數的影響排在第三位，此時取水平2，即0.30，抗壓強度和透水系數均滿足要求。

因此，得到最優組合為：砂率3 %，骨料粒徑10～15 mm，水灰比0.30。

3.2.2 正交試驗方差分析

通過方差分析可得，對透水混凝土抗壓強度而言，砂率和骨料粒徑的F值均大于Fa臨界值19，即砂率和骨料粒徑都達到顯著水平，但這兩影響因素的F值均小于Fa臨界值99，即砂率和骨料粒徑均未達到高度顯著水平，且砂率大于骨料粒徑的F值，即砂率對抗壓強度的影響較骨料粒徑顯著，水灰比雖未達到顯著水平，但它的均方差比誤差的均方差要大得多，說明透水混凝土正交試驗結果合理。具體結果如表4所示。

通過方差分析可得，對透水混凝土透水系數而言，砂率的F值大于Fa臨界值19，即砂率達到顯著水平，但砂率的F 值小于Fa臨界值99，即砂率對透水混凝土的透水系數的影響未達到高度顯著水平。骨料粒徑和水灰比的F 值均小于Fa臨界值9，即骨料粒徑和水灰比對透水混凝土透水系數均未達到顯著水平，兩者的均方差比誤差的均方差要大，且骨料粒徑對透水系數的影響較水灰比強。三影響因素對透水混凝土透水系數的影響排序為：砂率>骨料粒徑>水灰比，與極差分析法分析的結果一致。具體結果如表5所示。

4 試驗結論

(1)通過試驗分析，水灰比、砂率、骨料粒徑三影響因素對透水混凝土28 d的單軸抗壓強度的影響主次順序為：砂率>骨料粒徑>水灰比，且砂率和骨料粒徑對強度的影響均達到顯著水平，水灰比未達到顯著水平，但它的均方差比誤差的均方差要大得多。

(2)水灰比、砂率、骨料粒徑三影響因素對透水混凝土的透水系數的影響主次順序為：砂率>骨料粒徑>水灰比，砂率達到顯著水平，骨料粒徑和水灰比未達到顯著水平。

(3)通過對正交試驗進行分析，得到透水混凝土最優組合：砂率3 %，骨料粒徑10～15 mm，水灰比0.30，為透水混凝土在隧底深埋水溝的應用提供設計和施工的依據。

表4 抗壓強度方差分析

表5 透水系數方差分析

(4)在工程實踐中，影響透水混凝土性能的影響因素還包括：攪拌方式、骨料種類、硅灰和粉煤灰摻量等多種因素，本文的研究方法為透水混凝土的進一步研究提供參考。