透水混凝土強度及透水性能影響因素研究

周玉玲，明廷臻，萬美南

(1. 黃岡師范學院，湖北 黃岡 438000; 2. 武漢理工大學，湖北 武漢 430070)

0 引 言

隨著我國城市化進程的推進，越來越多的土地被開發建設，混凝土路面的占比也隨之增高。在傳統的建筑行業中，較多采用混凝土作為路面鋪裝材料，傳統混凝土材料耐久性較差，受車輛反復碾壓易產生破壞需要定期修補[1-2]。硬化混凝土路面的密實度較高，滲透性能差，阻斷了自然降水與地下水資源的循環作用和土地與空氣之間的物質能量交換[3-6]。在多雨季節，傳統混凝土路面易發生積水現象，影響交通，嚴重時可發生城市內澇；在炎熱的夏季，傳統混凝土的低滲透性和低導熱性阻礙了空氣與土壤的熱交換，是城市“熱島效應”產生的重要原因之一。對此，采用高效的路面排水系統和應用高滲透性的路面材料是不錯的選擇[7]。

透水混凝土作為一種高滲透性混凝土材料，其內部擁有聯通孔隙結構，透氣透水，而且可根據路面要求設計強度和透水性能，施工工藝簡單、成本低廉，是應用前景廣闊的路面滲透材料。透水混凝土能吸聲降噪，不影響土壤與空氣的水分和熱量交換，雨天無明顯積水和路面反光，是環境友好型的綠色建筑材料。在當今社會，人們對環境問題的關注與日俱增，而透水混凝土作為一種新的環境友好材料，必將日益受到青睞，并在環境治理方面做出巨大貢獻[8-11]。

目前，隨著透水混凝土實驗研究的深入，透水混凝土開始在實際工程中應用。北京南北長街道路工程用無砂透水混凝土，28 d抗壓強度可達15.3 MPa，透水系數19 mm/s；北京奧林匹克公園人行道用透水混凝土，28 d強度滿足C25混凝土強度要求，透水系數高達39 mm/s；上海西站綜合交通樞紐南廣場臨時站前廣場用透水混凝土，28 d抗壓強度滿足C20混凝土強度要求，透水系數高于3 mm/s[12]。透水混凝土多孔高滲透能力，導致強度不高，透水性和強度無法很好平衡，無法滿足高強度需求場合，嚴重阻礙了透水混凝土進一步推廣和發展；其次，透水混凝土耐久性不足，容易發生開裂破壞、孔隙堵塞也是目前透水混凝土應用遇到的問題[13]。

為研究透水混凝土強度及透水性能的影響因素，本研究通過調整混凝土配合比，來探究各因素對透水混凝土抗壓強度和滲透性能的影響，同時探究了再生橡膠粉對其性能的影響。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

主要原材料有拉法基生產的P·O 42.5R水泥、硅灰、粉煤灰、機制碎石、河沙、再生橡膠粉和聚羧酸高性能減水劑。水泥的物理力學性能如表1所示，水泥、硅灰和粉煤灰的化學組成見表2；機制碎石粒徑為4.75～9.5 mm，河沙細度模數為1.8，粒徑0.25～0.125 mm；橡膠粉是以低速輪胎為原料生產的硫化膠粉，粒徑 40～80目，松散堆積密度310 kg/m3；聚羧酸高性能減水劑減水率≥25%，含固量35%。

表1 水泥的物理力學性能

表2 水泥、硅灰和粉煤灰的化學組成（質量分數）%

1.2 試驗方法

1.2.1 制備方法

傳統混凝土的振搗方法一般為機械振搗，但是透水混凝土與普通混凝土不同，振動成型容易導致透水混凝土骨料形成緊密堆積狀態，較大可能會使漿體沉積在試件底部，產生“封底”現象，影響透水性能。插搗成型的透水混凝土，膠凝材料分布均勻，有足夠多的貫穿通道形成，利于透水[14]。因此，本試驗采用人工插搗方法，模具為邊長100 mm的正方體標準工程鋼模。

試驗步驟：

1）根據表3混凝土的配合比數據稱量原材料；

表3 透水混凝土配合比kg/m3

2）依次把膠凝材料和骨料倒入攪拌機中，干拌60 s；

3）加入一半質量的水和全部減水劑，均勻倒入攪拌機中，拌合60 s后再加入剩余的水并攪拌均勻，攪拌總時間控制在4 min左右；

4）拌合完畢后，將拌合物從攪拌機中取出，并裝入模具人工插搗成型，之后蓋上保鮮膜；

5）室溫靜置24 h后進行拆模、編號，然后放入標準養護室內（溫度(20±2) ℃，相對濕度≥95%）養護 28 d；

6）到達養護齡期后，測試透水混凝土抗壓強度和透水系數。

1.2.2 測試方法

參照GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》測試混凝土抗壓強度。試驗采用 100 mm×100 mm×100 mm 的立方體非標準試件，每組試件測試3塊，試驗過程中加荷速度為0.5 MPa/s，測得的強度值乘以尺寸換算系數0.95。

采用獻縣天健儀器有限公司生產的TSY-3型混凝土路面磚透水系數測定儀（符合GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》的要求）測試混凝土透水系數。試驗采用新制備蒸餾水（水溫23 ℃），每組試件測試 3塊，試塊直徑 75 mm，高 100 mm，將試塊四周用膠帶密封使其不漏水，水僅從上下表面滲透，每個試塊按照測定儀的程序測定其透水系數，取三次測量的算數平均值作為最后測量值。

2 結果與討論

2.1 各因素對透水混凝土性能的影響分析

試驗組A1～A5僅改變用水量，各試驗組水膠比分別為0.20～0.28，試驗結果如圖1所示。隨著水膠比的增大，透水混凝土的抗壓強度總體表現為先增加后降低的趨勢，在水膠比為0.22時，抗壓強度達到最大值32.1 MPa。分析：較低的水膠比令骨料間的膠凝漿體流動性變差，導致漿體分布不均勻，骨料包裹效果較差，降低了骨料間的粘合作用，從而改變了混凝土整體結構的抗壓強度；逐漸增大水膠比時，膠凝漿體的流動能力改善，掛漿效果變好，骨料之間漿體層厚度增加，抗壓強度也逐漸增大；當水膠比達到一定值后，再繼續增大水膠比，膠凝漿體掛漿效果變差，多出的膠凝漿體會聚集在試塊底部，出現離析現象，導致抗壓強度降低。

圖1 水膠比對強度和透水性能的影響

隨著水膠比的增高，透水系數總體呈現出逐漸減小的趨勢。分析：在膠凝材料用量固定的情況下，水膠比較小時，膠凝漿體過于干硬，和易性較差，骨料間的膠凝漿體分布不均勻，骨料沒有被膠凝漿體完全裹住，骨料之間存在較多的孔隙，利于透水混凝土的透水性能；反之，水膠比越大，膠凝漿體的流動性越好，更易產生離析現象，嚴重時試塊失去透水功能，強度大幅度降低。

試驗組B1～B4僅改變砂率，用減水劑調節工作性，各試驗組砂率為2%～8%，試驗結果如圖2所示。隨著砂率的增高，透水混凝土抗壓強度逐漸增高，透水系數則逐漸降低。分析：隨著砂率的增高，透水混凝土孔隙率減小，基體逐漸變得密實，因而強度提高；由于孔隙率的減小，具有透水作用的連通孔隙也逐漸減少，基體透水性能下降，透水系數變小。

圖2 砂率對強度和透水性能的影響

試驗組C1～C4僅改變礦物摻合料的摻量（摻合料包括粉煤灰和硅灰，二者質量比為2∶1），用減水劑調節工作性，各試驗組摻量分別為10%～40%，試驗結果如圖3所示。若只用水泥作為膠凝材料，透水混凝土的抗壓強度相對較低，當摻入摻合料時，透水混凝土的抗壓強度逐漸上升，當摻量為20%時，抗壓強度達到峰值39.0 MPa，之后摻量繼續增加，但抗壓強度逐漸下降。分析：活性礦物摻合料的摻入，改善了水泥石的微觀結構，摻合料中的活性SiO2和Al2O3同水泥水化產生的Ca(OH)2發生“二次水化”反應，降低了界面過渡區的缺陷。水泥石中的孔隙孔徑分布在5～50 μm，在摻入摻合料之后，其直徑減小到0.1～0.2 μm，把擁有活性的超細粉末顆粒填充于水泥顆粒間的縫隙，增加了膠凝漿體的密實度，其發揮的“火山灰效應”降低了界面過渡區的厚度，從而提高了透水混凝土的抗壓強度。當摻合料摻量較多時，沒有足夠的水泥提供強度，且富余的摻合料難以參與“二次水化”反應，強度則會降低。

圖3 礦物摻合料摻量對強度和透水性能的影響

隨著摻合料摻量的增高，混凝土透水性能逐漸降低。分析：活性礦物摻合料中的硅灰顆粒小、比表面積大，隨著摻合料摻量的增加，膠凝材料需水量增高，膠凝漿體流動性降低，掛漿效果變差。此時采用聚羧酸減水劑調節漿體流動性，雖然可以順利掛漿，但漿體粘稠度增加，不易產生連通孔，因而透水性能下降。

2.2 微觀性能測試

圖4為純水泥B3與摻20%礦物摻合料C2試驗組的物相組成，主要物相為Ca(OH)2和AFt。圖中明顯可以看到純水泥B3試驗組的物相中，水化產物Ca(OH)2的峰強明顯，說明純水泥試驗組的Ca(OH)2含量相對較高。而摻入20%礦物摻合料的C2組，物相中水化產物Ca(OH)2的峰強明顯較弱，與礦物摻合料參與“火山灰反應”消耗Ca(OH)2相對應。

圖4 純水泥（B3）與摻20%礦物摻合料（C2）試驗組的XRD圖譜

圖5為純水泥與摻20%礦物摻合料試驗組的微觀形貌SEM圖片。由圖可知，在純水泥試驗組中，水泥石基體孔隙較多，存在大量板狀晶體，且尺寸較大，表明純水泥試驗組中有較多的大尺寸Ca(OH)2晶體顆粒，這與XRD分析相對應。摻20%礦物摻合料試驗組中，水泥石基體孔隙較少，且未見大量大尺寸板狀晶體，說明摻有活性礦物摻合料的膠凝漿體會產生較少的Ca(OH)2晶體，水泥石基體也會更加密實，這與礦物摻合料參與“火山灰反應”消耗Ca(OH)2相對應，也證明“火山灰反應”可減少水泥石基體的孔隙，提高密實度。

圖5 純水泥與摻20%礦物摻合料試驗組的SEM圖片

2.3 橡膠粉對透水混凝土性能的影響分析

試驗組D1～D4僅改變橡膠粉的摻量，用減水劑調節工作性，橡膠粉分別等質量代替河沙25%～100%，試驗結果如圖6所示。隨著橡膠粉摻量的增加，透水混凝土的抗壓強度先增高，之后逐漸降低。低密度橡膠粉等質量替代河沙，少量替代時總的細骨料體積增加，減小了透水混凝土的孔隙率，增加了混凝土基體的密實度，所以強度有所上升，繼續增加橡膠粉摻量時，由于廢橡膠粉通過與水泥漿的粘接同骨料結合，橡膠粉末與水泥漿之間的粘合性差，會削弱混凝土內部結構之間的結合力，從而降低抗壓強度。當達到試塊所能承受極限載荷時，無橡膠粉摻入的透水混凝土發生脆裂，試塊會嚴重崩壞。而混有橡膠粉末的試塊在達到極限載荷后會出現延性損壞，在損壞期間聲音會變鈍，并且崩壞后形狀相對完整，較少碎塊掉落。隨著橡膠粉摻量的增加，滲透率先下降后上升。低密度橡膠粉等質量替代河沙，少量替代時減小了透水混凝土的孔隙率，使滲透系數減小；隨著用量的增大，橡膠粉與水泥石之間的結合效果逐漸變差，造成了許多縫隙缺陷，從而提高了透水性能。

圖6 橡膠粉摻量對強度和透水性能的影響

橡膠屬于有機材料，具有彈性，在受到壓應力時容易產生變形，對粗骨料的支撐力小；其次，橡膠與水泥石的粘結效果差，如圖7所示，橡膠與水的接觸角為94°，屬于疏水材料，水泥漿和橡膠表面難以牢固結合，這兩點原因導致了混凝土強度的降低。

圖7 橡膠與水的接觸角

3 結束語

1）隨著水膠比的增大，透水混凝土的抗壓強度先增高后降低，透水性能逐漸降低，當水膠比為0.22時，水泥漿掛漿效果較佳，同時形成的連通孔較多，透水混凝土具有良好的抗壓強度和透水性能。

2）隨著砂率的增高，透水混凝土的抗壓強度逐漸增高，透水性能逐漸降低，當砂率為6%時，細骨料在粗骨料孔隙之間的填充效果較好，使得透水混凝土具備較優的抗壓強度和透水性能。

3）隨著礦物摻合料摻量的增加，其摻量存在一個最優范圍，使得透水混凝土透水性能與強度俱佳。當摻合料摻量為20%（粉煤灰與硅灰質量比為2∶1）時，水泥石的微觀結構得到改善，透水混凝土的強度最高，同時其透水性能較優。

4）橡膠粉等質量代替河沙摻入透水混凝土時，混凝土抗壓強度下降比較明顯，但透水性能有一定的提高，當橡膠粉代替量為25%時，混凝土抗壓強度略有升高，且透水性能沒有明顯降低。