再生骨料透水混凝土透水性能研究

湯 峰，崔江濤，劉保華，方 亮，杜于熙，周 鑫

（湖南農業大學水利與土木工程學院 湖南 長沙 410128）

0 引言

湖南省雨水豐富，年平均降水量約在1 150～2 100 mm之間，2021年，年降水量1 500 mm，總降水量達3 180億m3/年。每年汛期，長江流域部分城市就會出現城市內澇問題，嚴重影響居民生命、財產安全。為解決城市內澇問題，近年來，國家大力推行海綿城市建設，希望通過采用滲、滯、蓄、凈、用、排等措施，將70%的降雨就地消納和利用。再生骨料透水混凝土人行道路面，可以實現雨水在城市區域的滲透，促進雨水資源的利用和生態環境保護，有效解決市政人行道路面積水、城市內澇等問題，有效推動了我國“海綿城市”的建設，帶來極高的社會效益和商業價值。

為推進城市可持續發展，我國學者對透水混凝土進行大量研究，黃志偉等[1]研究發現，粒徑為5～10 mm的再生骨料制備出的透水混凝土透水性能較好。陳守開等[2]認為，水膠比為0.3時，再生骨料透水混凝土的綜合性能最優。但由于對透水混凝土的原材料及用量的研究各有不同，且透水混凝土在工程應用中沒有明確的規范，仍需不斷地對透水混凝土進行研究，完善透水混凝土在不同要求下的力學性能。本文在再生骨料透水混凝土抗壓強度性能滿足的基礎上，研究不同強度等級的再生骨料目標孔隙率對透水系數的影響。透水系數能反映混凝土的排水性能，透水系數越大，單位時間通過混凝土的水越多，主要由透水混凝土的有效孔隙率及總孔隙率決定。

1 原材料與實驗方法

1.1 原材料

1.1.1 再生粗骨料

本次實驗采用的再生粗骨料取自建筑廢棄混凝土，經顎式破碎機和人工破碎后，并經由方孔篩篩分成4.75～9.5 mm和9.5～19 mm兩組粒徑范圍，骨料表面經過人工清洗晾干（圖1），去除表面雜質，用于制備再生骨料透水混凝土，篩孔尺寸19 mm、9.5 mm、4.75 mm的通過質量百分率集分別為100%、30%和0%。

1.1.2 水泥和水

水泥選擇南方水泥有限公司生產的南方級普通硅酸鹽水泥，實驗拌和用水為實驗室自來水，水泥的基本性能指標見表1。

1.2 配合比設計

再生骨料透水混凝土的基本性能指標是透水性能，最大的影響因素為目標孔隙率，在配合比設計時應先對目標孔隙率進行設計，設計孔隙率分別為10%、15%、20%、25%，再生骨料的強度等級分別取C20、C30、C40及以50%的比例互相進行摻和，共有6種組合，每組配合比下3個150 mm×150 mm×150 mm的標準立方體試塊，參照CJJ/T 253-2016《再生骨料透水混凝土應用技術規程》[3]，再生骨料透水混凝土的水灰比介于0.25～0.35較優，本實驗采用水灰比為0.3。再生骨料由粒徑為4.75～9.5 mm 及9.5～19 mm的再生骨料組成，各占50%，試件見圖2。

1.3 透水性能實驗

根據CJJ/T 135-2009《透水水泥混凝土路面技術規程》[4]規定，采用固定水頭法測定透水系數，實驗裝置見圖3。

如圖4所示，將成型的不同編號的3個150 mm×150 mm×150 mm標準立方體試塊的側面均涂抹水泥，放入水中并使水位高出試塊10 cm，浸泡20 min，取出后與透水系數實驗裝置的方形筒連接密封，用橡皮泥將試塊四周的縫隙進行密封，并用透明膠帶將裝置的四周進行密封，保證水流僅從試塊的表面滲透，放入溢流水槽；打開閥門使水流入，當溢出孔有水流出時，調整進水量使方形筒保持一定的水位差，待溢流水槽的溢流口與方形筒的溢流口的流水量穩定后，在出水口用量筒接水，記錄相應時間內流出的水量Q，測量3次取平均值。透水系數計算公式如下[5]：

式中：KT—水溫為 T ℃時的透水系數，mm/s；Q—時間t內流過透水混凝土試塊的水量，mm3；L—透水混凝土試塊的厚度，mm；A—透水混凝土試塊的橫截面積，mm2；h—水位差，mm；t—實驗時間，s。

2 實驗結果與分析

經筆者前期研究分析[6]，在再生骨料強度等級組合相同的情況下，隨著目標孔隙率的增加，由配合比設計結果可知，再生骨料強度等級為C30、目標孔隙率為10%的組合，抗壓強度達到最優值，當設計孔隙率10%～15%時，以強度等級為C20、C30、C40、C20+C30、C20+C40、C30+C40再生骨料制備的再生骨料透水混凝土抗壓強度分別下降 48.0%、41.7%、44.9%、8.6%、46.6%、40.4%；當設計孔隙率15%～20%時，分別下降3.0%、10.4%、10.9%、10.8%、20.8%、18.3%；當設計孔隙率20%～25%時，分別下降 23.3%、19.9%、19.8%、27.7%、31.1%、26.9%。

透水系數實驗結果見表2。

表2 透水系數實驗結果分析

本研究的實驗結果顯示，隨著目標孔隙率的增加，透水混凝土的密實性降低，透水系數顯著提高。同時，隨著再生骨料強度等級組合的改變，透水系數有所改變，這可能是因為不同的組合下透水混凝土達到密實的程度不同，改變了骨料之間的水流通道，透水系數不同[7]。根據CJJ/T 253-2016《再生骨料透水混凝土應用技術規程》規定，透水系數不應低于0.5 mm/s，因此均滿足透水混凝土路面的應用要求。實驗結果顯示，再生骨料強度等級為C30+C40、目標孔隙率為25%的組合，骨料摻和比例各為50%，透水系數最高。如圖5所示，當設計孔隙率由10%～15%時，以強度等級為C20、C30、C40、C20+C30、C20+C40、C30+C40再生骨料制備的再生骨料透水混凝土透水系數分別提高52.2%、61.8%、68.6%、36.3%、56.8%、72.2%；當設計孔隙率15%～20%時，分別提高19.2%、29.2%、31.6%、6.6%、60.7%、10.3%；當設計孔隙率20%～25%時，分別提高16.8%、37.9%、37.1%、34.0%、9.7%、45.5%。如圖可知，當再生骨料強度等級為C20、C20+C30時，隨著設計孔隙率的增大，再生骨料透水混凝土的透水系數提高不明顯。

3 結語

利用100%體積的廢棄混凝土制備再生骨料透水混凝土，以期應用于對強度要求不高且需透水的人行道，采用水泥裹石法制備24組實驗樣品，研究再生骨料的強度等級、目標孔隙率對再生骨料透水混凝土抗壓強度及透水系數的影響，得到如下結論：在保證抗壓強度和透水系數都符合透水混凝土應用規范的情況下，考慮再生骨料的強度等級、目標孔隙率對再生骨料透水混凝土抗壓強度及透水系數的影響，隨著目標孔隙率的增加，再生骨料透水混凝土的抗壓強度逐漸降低，透水系數逐漸增大，再生骨料的強度等級對透水系數的影響不明顯，建議將再生骨料透水混凝土的孔隙率控制在10%左右。在相同的目標孔隙率下，與以單一強度等級再生骨料制備的再生骨料透水混凝土相比，以混合強度等級再生骨料制備的再生骨料透水混凝土抗壓強度偏低，透水系數偏高。

綜合考慮抗壓強度和透水性能，本實驗得出的應用于人行道路面的最佳配比是：再生骨料強度等級為C20+C30，骨料摻和比例各為50%，目標孔隙率為15%，水灰比為0.3，再生骨料由50%粒徑為4.75～9.5 mm的再生骨料和50%粒徑為9.5～19 mm的再生骨料組成，再生骨料透水混凝土的最優水平的配合比（kg/m3）為：m（再生骨料）∶m（水泥）∶m（水）=1 357.04∶564.94∶169.88。根據此配合比制得的透水混凝土兼具良好的抗壓強度和透水性能，抗壓強度為25.07 MPa，透水系數為6.23 mm/s，符合CJJ/T 253-2016《再生骨料透水混凝土應用技術規程》的規定，可用于人行道路面鋪設。