透水混凝土路面滲透試驗(yàn)尺寸效應(yīng)研究

李 昊 孫 華

(1.湖北宜華工程咨詢服務(wù)有限公司，湖北 襄陽 441000； 2.泛華建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100071)

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程越來越快，建筑面積和道路越來越多，不透水面積不斷增加，城市小雨積水、大雨內(nèi)潰、水體黑臭、熱島等環(huán)境問題愈發(fā)嚴(yán)重。為此，自2014年10月開始國家大力推行具有吸水、蓄水、凈水和釋水功能的海綿城市建設(shè)。透水混凝土路面多孔隙結(jié)構(gòu)使得路面具有良好的滲透性能，進(jìn)而使得透水混凝土路面在海綿城市建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用，其滲透性能是熱切關(guān)注和研究的內(nèi)容[1，2]。

實(shí)際工程中，透水混凝土路面一般由水泥、粗骨料、外加劑、水配制而成，但配合比不盡相同，粗骨料的級(jí)配也較寬泛，加之養(yǎng)護(hù)環(huán)境的差異，其滲透性能呈現(xiàn)明顯差異。滲透系數(shù)是表征透水混凝土路面滲透性能的宏觀參數(shù)。關(guān)于透水混凝土路面滲透系數(shù)的測(cè)試方法，目前沒有相關(guān)規(guī)程規(guī)范可循，主要以基于達(dá)西定律的室內(nèi)試驗(yàn)為主，分為常水頭和變水頭。由于透水混凝土路面粗骨料粒徑較大和選用范圍較寬泛，這兩種方法均存在值得關(guān)注的尺寸效應(yīng)和滲透裝置直徑如何選擇的問題。

前人對(duì)透水混凝土路面滲透試驗(yàn)尺寸效應(yīng)問題研究較少，而對(duì)粗粒土滲透試驗(yàn)尺寸效應(yīng)有一定研究。對(duì)于粗粒土滲透試驗(yàn)，規(guī)程[3]規(guī)定儀器內(nèi)徑應(yīng)大于試樣粒徑d85的5倍。朱國勝等[4]通過粗粒土滲透試驗(yàn)研究得出：滲透系數(shù)隨著滲透儀直徑與試樣粒徑d85比值的增大而增大，但增大的速率越來越緩，當(dāng)滲透儀直徑為試驗(yàn)材料d85的6倍時(shí)，滲透系數(shù)尺寸影響已不明顯。由于透水混凝土路面不同于一般的粗粒土堆積體，由多個(gè)材料配制而成，特別是膠凝材料將粗骨料膠結(jié)在一起，使得透水混凝土路面骨架的最大粒徑更大，加之透水混凝土路面粗骨料級(jí)配一般較單一，故透水混凝土路面滲透試驗(yàn)的尺寸效應(yīng)和如何選擇滲透裝置的直徑不同于粗粒土。

設(shè)置3種粗骨料粒徑的透水混凝土路面，每種透水混凝土路面設(shè)置5種內(nèi)徑的滲透儀器，定義圓筒滲透儀器內(nèi)徑與透水混凝土路面粗骨料最大粒徑的比值為徑徑比t，建立透水混凝土路面滲透系數(shù)與徑徑比t之間的關(guān)系，旨在探討透水混凝土路面滲透試驗(yàn)尺寸效應(yīng)及選擇滲透裝置內(nèi)徑的方法，為室內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)定透水混凝土路面滲透系數(shù)提供依據(jù)。

1 透水混凝土路面試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 原材料和配合比

水泥采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5級(jí)的普通硅酸鹽水泥；粗骨料采用質(zhì)地堅(jiān)硬、潔凈碎石；外加劑采用具有保水、增強(qiáng)、增稠功能的增強(qiáng)劑；拌合及養(yǎng)護(hù)用水為自來水。配合比見表1。

表1 透水混凝土路面配合比

1.2 試樣制備流程

1)試樣攪拌：采用集料表面包裹法[5，6]。先將全部粗骨料和70%的拌合水預(yù)先攪拌1 min，然后加入50%的水泥和全部外加劑，繼續(xù)攪拌1 min，最后將剩余的50%水泥和30%的拌合水加入攪拌機(jī)，攪拌2 min，整個(gè)過程共攪拌4 min。

2)試樣成型：采用靜壓成型的方式[7，8]，以規(guī)范推薦的松浦系數(shù)1.1進(jìn)行壓實(shí)。將新拌混凝土裝入13.2 cm高的PVC試模管里，然后施加0.6 MPa～0.8 MPa的壓力至試樣高度為12 cm，PVC試模管內(nèi)壁涂有凡士林以減小邊壁效應(yīng)的影響。

3)試樣養(yǎng)護(hù)：試件成型后立即帶模具進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)28 d后測(cè)滲透系數(shù)。

1.3 試驗(yàn)方法

定義圓筒滲透儀器內(nèi)徑與透水混凝土路面粗骨料最大粒徑的比值為徑徑比t。采用3種常見粒徑范圍分別為2 mm～5 mm,5 mm～10 mm,10 mm～15 mm的粗骨料配制透水混凝土路面，針對(duì)每1種透水混凝土路面，采用5種不同直徑的PVC管模具進(jìn)行制樣，進(jìn)而產(chǎn)生5種不同的徑徑比t。

滲透系數(shù)采用變水頭法。變水頭裝置中，變水頭管與試模管通過套筒連接，方便拆卸和安裝，套筒內(nèi)壁、變水頭管與試模管外壁涂凡士林以防止漏水，溢水孔底部距試樣表面350 mm左右，由下面公式測(cè)定試樣的滲透系數(shù)K：

其中,K為試樣的滲透系數(shù)，mm/s；a為變水頭管的內(nèi)截面面積，mm2；A為試樣的橫截面積，mm2；L為試樣的高度，mm；h1為變水頭管中水的初始高度，mm；h2為變水頭管中水的最終高度，mm；t0為測(cè)滲透系數(shù)時(shí)變水管中的水位從h1處降到h2處所歷時(shí)間，s。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1為3種透水混凝土路面滲透系數(shù)與儀器內(nèi)徑的關(guān)系圖。從圖1中可以看出，試樣的滲透系數(shù)隨著滲透儀器內(nèi)徑的增大而增大，但增大的速率越來越緩。由于骨料自身幾乎沒有滲透性，當(dāng)儀器內(nèi)徑較小時(shí)，單個(gè)骨料的截面面積在試樣斷面中占有較大比例，從而導(dǎo)致滲透系數(shù)偏低。隨著儀器內(nèi)徑增大，骨料在試樣斷面中占有的面積相對(duì)減小，顆粒的分布對(duì)滲透系數(shù)的影響也越來越小，其滲透系數(shù)也越來越接近材料的實(shí)際值。

將內(nèi)徑最大的滲透儀器測(cè)得的滲透系數(shù)視為該透水混凝土路面的實(shí)際值，以此評(píng)價(jià)其他內(nèi)徑儀器的測(cè)量值。表2～表4分別給出了3種透水混凝土路面5組試驗(yàn)滲透系數(shù)與實(shí)際值的比值S。不妨稱S為尺寸效應(yīng)率，S值越大，尺寸效應(yīng)越明顯。

圖2為3種透水混凝土路面尺寸效應(yīng)率S值與徑徑比n值之間的關(guān)系。從圖2可看出，S值隨著n值的增長(zhǎng)而減小，當(dāng)n值在4.52～5.44之間時(shí)，尺寸效應(yīng)非常明顯，S值在7.37～8.37之間，表明實(shí)際值為此時(shí)測(cè)量值的7.37倍～8.37倍；當(dāng)n值在7.83～9.04之間時(shí)，S值在2.29～2.43之間，實(shí)際值為此時(shí)測(cè)量值的2.29倍～2.43倍；當(dāng)n值在11.74～13.92之間時(shí)，S值在1.26～1.38之間，實(shí)際值為測(cè)量值的1.26倍～1.38倍；當(dāng)n值在15.08～16.60之間時(shí)，S值在1.06～1.08之間，此時(shí)測(cè)量值與實(shí)際值之間的差距可以忽略。可見，透水混凝土路面滲透試驗(yàn)儀器內(nèi)徑要取粗骨料最大粒徑的15倍以上。

表2 2 mm～5 mm粗骨料試樣尺寸效應(yīng)

表3 5 mm～10 mm粗骨料試樣尺寸效應(yīng)

表4 10 mm～15 mm粗骨料試樣尺寸效應(yīng)

3 結(jié)論

設(shè)置3種粗骨料粒徑的透水混凝土路面，每種透水混凝土路面設(shè)置5種內(nèi)徑的滲透儀器，進(jìn)行透水混凝土路面滲透試驗(yàn)尺寸效應(yīng)研究，主要結(jié)論如下：

1)透水混凝土路面的滲透系數(shù)隨著滲透儀器內(nèi)徑的增大而增大，但增大的速率越來越緩。

2)當(dāng)透水混凝土路面滲透儀器內(nèi)徑為粗骨料最大粒徑的15倍以上時(shí)，尺寸效應(yīng)的影響基本可消除。

3)探討了如何選取透水混凝土路面滲透試驗(yàn)儀器內(nèi)徑，為室內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)定透水混凝土路面滲透系數(shù)提供依據(jù)。