一款高品質透水混凝土的研制

朱學文

（深圳市綠志新型建材研究院有限公司，深圳 518112）

隨著混凝土、瀝青等不透氣、不透水材料的廣泛使用，在道路變整潔、便利的同時,由于大面積的不透水地面取代了原有的綠地生態地表，導致地表很難與環境進行熱量、水分交換，引致地下水無補充，內澇嚴重，地表沉陷頻發，城市熱島效應加劇。透水混凝土因具有大量連續孔隙,在雨天能將部分雨水及時滲透至地表深層儲存。使用透水混凝土代替傳統混凝土澆筑路面能有效消除城市熱島效應［1］,減少內澇，補充城市地下水，減少地表沉降，綠化環境，最大限度保護原有河湖水系生態體系。透水混凝土在海綿城市建設中可發揮不可替代的作用。

本文以單粒級骨料、水泥、細骨料、增強劑、減水劑、緩凝劑、增稠劑為原料，通過對細骨料、單方水泥用量適宜比率及緩凝劑、增稠劑的使用，成型工藝及物料狀態的控制，使得成型的透水混凝土兼具強度、透水率及耐久性的統一。

1 原理

透水混凝土為蜂窩狀多孔結構，其組成的單粒級骨料構成膠凝結構的骨架。外層包裹的水泥凈漿或水泥砂漿層起粘結作用，粘結層間的大量粘結點圍構成無數封閉、半封閉、連通（連續）孔隙結構。這些孔隙統稱體積孔隙。體積孔隙率影響試件的強度及耐久性，可按標準CJJ/T 135-2009通過公式得出［2］。對透水功能起有效作用的是連續孔隙率。雨天時，雨水通過試件中的連續孔隙流至下方的土壤層，從而起到儲水、蓄水的作用。

圖1 透水混凝土結構示意圖

2 試驗

2.1 原材料

P.O42.5硅酸鹽水泥；細骨料：河砂（0-1.25mm）；粗骨料：5-10mm單粒級天然瓜米石；聚羧酸類高效減水劑；透水混凝土增強劑；保水劑：羥甲基纖維素醚；緩凝劑：葡萄糖酸鈉（工業級）；自來水。

2.2 基礎配方

按體積法進行配合比設計、試拌，再根據預期的性能對配合比進行針對性調整，最終得到配比見表1。

表1 基礎配方

2.3 制備工藝

1）將用于拌合的單粒級瓜米石（5-10mm）骨料噴灑部分拌和用水至水飽和；

2）將用于拌合的細骨料（河砂）在攪拌狀態下加入上述骨料中并拌和至均勻；

3）噴灑部分拌和用水至混合料水飽和；

4）在攪拌狀態下將水泥徐徐加入上述骨料中并拌勻；

5）在攪拌狀態下將增強劑徐徐加入上述混合料中拌勻；

6）將溶有緩凝劑、減水劑的剩余拌和水在攪拌狀態下徐徐加入上述混合料中并拌勻；

7）在攪拌狀態下將粉狀增稠劑均勻噴灑至漿料表面并拌勻；

8）將漿料轉移至模框內，以振平尺將面層振平壓實；

9）以薄膜覆蓋面層，自然條件下養護至28天。

3 影響品質的關鍵參數

透水混凝土成型、固化后，試體中存在體積孔隙，其中，連續孔隙率影響著透水性能，是表征透水混凝土透水功能的關鍵指標。連續孔隙率越大,表明該透水混凝土透水功能越強,越利于透水、蓄水,減少雨天地面徑流的能力越強。同一試體的連續孔隙率隨體積孔隙率的提高而增大。在試體較密實時,體積孔隙率和連續孔隙率相差較大,體積孔隙以封閉及半封閉的孔隙為主。隨著體積孔隙率的提高,體積孔隙率和連續孔隙率的差值變小,趨向一致，此時體積孔隙率變為以連續孔隙為主。同一試體的體積孔隙率與連續孔隙率的經驗值對應關系見圖2。

圖2 同一試體的體積孔隙率與連續孔隙率的經驗值對應關系

連續孔隙率除與體積孔隙率有關外，也與鋪筑后面層拍壓方式及拍壓力度有關。鋪筑過程分層多次拍壓或單次拍壓力度過大，都會引起包裹層漿料橫向展沿，“截斷”部分連續的孔隙，從而降低連續孔隙率。連續孔隙率可按CJJ/T253-2016標準中附錄A“透水水泥混凝土連續孔隙率試驗方法”測得［3］。

4 影響品質的材料因素

4.1 細集料

混凝土骨料的線性熱膨脹系數為（6～12）×10－6℃，水泥石的線型熱膨脹系數為（12～20）×10－6℃范圍內［4］，兩者存在較大差異。在單粒級骨料中添加一定比率的細集料,可以改變單純以單粒級骨料成型的透水混凝土試體因使用水泥凈漿（硬化后為水泥石）作粘結層引致干縮或因環境溫差大導致漲縮不一而引起的試體開裂或強度衰退。將普通河砂過1.25mm方孔篩后得到的細集料少量摻入配比中,不會影響作為面層的透水混凝土單粒級骨料勻質、規整、飽滿的粒型表觀，同時增加了粗骨料顆粒間的膠結面積，可提升試體抗壓強度及耐久性。隨著細集料比率的提高,粗骨料顆粒間的空隙被過多填充,會引起連續孔隙率降低,亦即透水系數降低，進而影響透水功能，對應關系見圖3。

圖3 抗壓強度、連續孔隙率與細集料比率關系

圖3表明,在固定單粒級粗骨料及單方水泥用量（410.0千克/立方米）的情況下,連續孔隙率隨著細集料比率的增加呈顯著下降趨勢，抗壓強度則呈顯著增長趨勢。實際生產時，可根據預期的強度及連續孔隙率對細集料的摻用比率進行確定。

4.2 單方水泥用量

天然瓜米石與普通碎石不同，極少有棱角或針片狀結構，是近似圓形或橢圓型的規整顆粒。以其作骨架成型的透水混凝土的抗壓強度除來自顆粒間的嵌擠鎖結外，主要來自包裹層漿料結點間的粘接力，因此單方水泥用量對粘接抗壓強度至關重要。在固定細集料比率、水膠比及粗骨料材料用量下，通過體積法求得理論單方水泥用量，再以理論用量為基點向增、減兩個方向調整，考察不同水泥用量對透水混凝土抗壓強度及連續孔隙率的影響，進而找到預期的強度與連續孔隙率的平衡點。單方水泥用量提高,增加了骨料間的膠結面積,利于強度的提高［5］,同時骨料的包裹層變厚,骨料顆粒間的孔隙被縮壓,損減了連續孔隙率，進而降低透水系數。對應關系如圖4。

圖4 水泥用量與抗壓強度、連續孔隙率關系

圖4表明，在固定水膠比（0.29）、骨料及細集料比率(12%)的情況下,隨著單方水泥用量的提高,抗壓強度呈明顯增長趨勢，連續孔隙率呈明顯降低趨勢。

4.3 緩凝劑

水泥水化速度受環境溫度影響大，溫度高時，水化速度快且拌和用水揮發快。透水混凝土是多孔的蜂窩狀結構，因而相比普通混凝土有更大的比表面積。作為反映工作性的重要指標的塌落度值相比普通混凝土經時損失更快。在減水劑中輔以緩凝成份（葡萄糖酸鈉），可以顯著延緩包裹層的水化反應，降低塌落度經時損失，改善鋪筑施工窗口。未摻減水劑、摻用減水劑、摻用減水劑輔以緩凝劑的三組試樣塌落度經時損失見圖5。

圖5 塌落度經時曲線

透水混凝土適宜的鋪筑塌落度控制范圍為35-65mm,使用減水劑輔以緩凝劑后可顯著改善透水混凝土的鋪筑操作時間。

4.4 增稠劑

透水混凝土出鍋后表面包裹的一層濕粘漿料在靜止或低速攪拌下因自重而下墜，會改變骨料表面包裹層厚度的均勻性，引起堵孔，造成強度及連續孔隙率的降低。

外露的包裹漿料中的水分揮發快，拍壓前包裹層如果因失水而致漿料干硬，在外力作用下極易剝落，影響顆粒間粘接。纖維素醚含有大量的極性基團（羥基），因而親水、吸水。拌和后期，在攪拌狀態下對漿料表面噴灑霧狀含大量羥基的纖維素醚類增稠劑后，包裹層漿料內尚未水化的部分拌和水被暫時吸附“儲存”起來，包裹層的漿料因而變得“濕粘且硬”，不易流變，對包裹漿料的顆粒起到很好的“造粒、定型”作用，避免包裹層過快干硬或流墜堵孔。因而獲得厚度更加均勻、穩定的包裹層。骨料顆粒間既能良好粘結,而又不會流墜堵孔。這部分被吸附的水雖處表層也不易揮發，這種吸附是物理作用，在后序固化期間會緩慢釋放出來供水泥繼續水化用。噴灑增稠劑與未噴灑增稠劑的幾組平行試體的連續孔隙率對比見圖6。

圖6 兩種不同拌和方式的試體連續孔隙率

噴灑增稠劑與未噴灑增稠劑的幾組平行試體的體積孔隙率對比見圖7。

圖7 兩種不同拌和方式的試體體積孔隙率

圖6與圖7表明，同一試體在不改變配比用料及加料順序等成型條件下，包裹層噴灑增稠劑后，體積孔隙率相對未噴灑增稠劑的試體有一定的降低，利于強度及耐久性的提升，同時連續孔隙率相比表面未噴灑增稠劑的試體則有顯著提高，利于透水功能的提升。

5 影響品質的工藝因素

適宜的連續孔隙率可以保證強度與透水系數的平衡統一。孔隙分布的勻質性是保證強度與良好透水系數的關鍵。工程中常出現因漿料局部偏多或偏稀,鋪筑或成型后包裹在表層的漿料因自重下墜,引起試體下部過于密實,上部較為空虛,引致孔隙分布不均,甚至底部封堵，雖有較高的體積孔隙率,也不會產生良好的整體透水效果。控制孔隙分布的勻質性可以從以下方面著手。

5.1 拌合水加入方式

拌和用水宜分次加入或在原料混合均勻后在持續攪拌的狀態下徐徐加入。應避免一次性或少次多量加入造成局部因加入拌和水過多引致局部漿料過稀，相應部位過于密實，而其他部位因拌合水加入相對偏少導致該處過于“空虛”酥松，從而產生孔隙分布不均。

5.2 漿料的粘度控制

漿料出鍋粘度偏大易導致包裹層干硬,影響骨料間的粘結,降低成型后試件強度，而粘度偏小易導致包裹漿料流變下墜,引致堵孔甚至封堵，進而減小透水系數。實際生產時，除通過塌落度進行精確控制外，也可輔以目視對出鍋漿料的粘度進行初步判定。適宜的粘度是能保證漿料粘而不流、粘而不墜、足而不封、勻而不堵，既能保證骨料顆粒間的適度接觸粘結，又能保證骨料顆粒間適宜孔隙，筑就良好的透水通道，成型后的基體從而能獲得強度與透水功能的良好統一。

6 性能測試

將上述試件按GB/T 50081-2002、CJJ/T 135-2009標準進行性能測試，結果見表2，所測性能滿足相關要求。

表2 測試結果

圖8 孔隙率測試

圖9 抗壓強度測試

圖10 抗壓曲線

7 代表工程

深圳布吉市政沿河工程見圖11和圖12。

圖11 透水測試

圖12 代表工程

8 結語

高品質透水混凝土兼具透水功能、強度、耐久性的平衡統一。適宜的細集料及單方水泥用量是保證骨料顆粒間充分粘結及適宜孔隙通透的物質基礎。緩凝劑、增稠劑的合理應用是保證骨料顆粒間經時有效粘結的輔助條件。鋪筑成型時加水方式、適宜粘度的控制在工藝上保證了漿料分布、包裹的勻質性。統籌兼顧好材料、工藝等多方因素才能生產出高品質透水混凝土，更好地服務于海綿城市建設。