透水混凝土性能影響的研究

朱金春，楊鼎宜，張曉歡,孫飛進(jìn)，王長江，江 虹，朱廣軍，仇圣彪

（1.揚州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127；2.儀征江陽砼制品有限公司，江蘇 儀征 211400）

0 引言

近幾年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們對于自身生活環(huán)境要求的提高，透水混凝土（pervious concrete）作為一種新的環(huán)保型、生態(tài)型的道路材料，已經(jīng)受到越來越多人的關(guān)注.采用透水混凝土對地面進(jìn)行鋪裝，從生態(tài)和環(huán)境效益來看，具有許多優(yōu)點[1]：1）維持地下水位平衡；2）保護(hù)自然生物鏈；3）改善道路視聽環(huán)境；4）緩解“熱島效應(yīng)”.常用的透水混凝土路面一般分為輕載透水混凝土路面、景觀透水混凝土路面和重載透水混凝土路面[2].

國內(nèi)外對于透水混凝土都有不同程度的研究[3-9].國內(nèi)和國外相比還存在很大差距，主要表現(xiàn)在以下幾個方面[10]：1）對透水混凝土物理力學(xué)性能、耐久性以及本構(gòu)關(guān)系的研究缺乏系統(tǒng)性；2）工業(yè)化生產(chǎn)以及大型機(jī)械規(guī)?；┕ず蛧庀啾炔罹噍^大；3）標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)滯后，該領(lǐng)域缺乏權(quán)威技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).

本研究采用單粒級粗骨料作為混凝土骨料，94%水泥和6%硅灰混合漿體作為混凝土膠結(jié)料.本試驗采用正交試驗方法，控制碎石級配、水灰比和設(shè)計孔隙率（設(shè)計孔隙率是指在透水混凝土配合比設(shè)計時預(yù)留用于透水的連通孔隙率）這3個變化因素，研究各因素對透水混凝土性能的影響.通過極差分析，得出最佳碎石級配、最佳設(shè)計孔隙率和最佳水灰比.

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

1）42.5級的普通硅酸鹽水泥；2）硅灰；3）水；4）粗集料，本試驗粗集料采用普通天然碎石，級配分別為9.5～16mm、16～19mm和19～25mm.粗集料基本物理性能如表1所示，根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑用卵石、碎石》（GB/T 14685-2011），基本符合Ⅱ類用石要求.

表1 粗集料基本物理性能Tab.1 Basic physicalpropertiesof coarse aggregate

1.2 配合比設(shè)計

配合比設(shè)計采用體積法，選擇L9(33)類型正交試驗表進(jìn)行設(shè)計分析.第1個因素為碎石級配，3個水平分別為9.5～16mm、16～19mm和19～25mm；第2個因素為設(shè)計孔隙率，3個水平分別為15%、20%和25%；第3個因素為水灰比，3個水平分別為0.25、0.30和0.35.

1.3 攪拌工藝

首先投入全部粗集料和50%拌合用水?dāng)嚢?0 s，然后投入水泥和硅灰攪拌60 s，最后投入剩余50%拌合用水?dāng)嚢?0 s，出料.

1.4 性能測試

1）抗壓強度；2）有效孔隙率（有效孔隙率指連通孔隙占透水混凝土體積的比例）；3）透水系數(shù)（透水系數(shù)指單位時間內(nèi)通過單位面積透水混凝土的水量）.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 抗壓強度極差分析

抗壓強度極差分析如表2所示.

由抗壓強度極差分析表可知，主次因素由強至弱的順序依次為設(shè)計孔隙率、水灰比和碎石級配.其中，設(shè)計孔隙率對抗壓強度指標(biāo)的影響最大，且當(dāng)設(shè)計孔隙率越大，抗壓強度指標(biāo)反而越小.由于指標(biāo)是抗壓強度，越大越好，因此從1，2，3中選擇較大者.通過直觀分析，不難確定試驗的最佳組合為：碎石級配9.5～16mm，設(shè)計孔隙率15%，水灰比0.35.該組合在試驗中并沒有出現(xiàn)，對比表中第7組試驗，最佳組合的抗壓強度可超過14.7MPa.

2.2 有效孔隙率極差分析

有效孔隙率極差分析如表3所示.

由有效孔隙率極差分析表可知，主次因素由強至弱的順序依次為設(shè)計孔隙率、碎石級配和水灰比.其中，設(shè)計孔隙率對有效孔隙率指標(biāo)的影響最大，且當(dāng)設(shè)計孔隙率越大，有效孔隙率指標(biāo)也越大.由于有效孔隙率并不是越大越好，也不是越小越好，只有在一個合理的區(qū)間內(nèi)，才能保證透水混凝土的強度指標(biāo)和透水性指標(biāo)都符合要求.

表2 抗壓強度極差分析Tab.2 Compressive strength range analysis

表3 有效孔隙率極差分析Tab.3 Effective porosity range analysis

2.3 透水系數(shù)極差分析

透水系數(shù)極差分析如表4所示.

由透水系數(shù)極差分析表可知，主次因素由強至弱的順序依次為設(shè)計孔隙率、碎石級配和水灰比.其中，設(shè)計孔隙率對透水系數(shù)指標(biāo)的影響最大，且當(dāng)設(shè)計孔隙率越大，透水系數(shù)指標(biāo)也越大.由于指標(biāo)是透水系數(shù)，越大越好，因此從1，2，3中選擇較大者.通過直觀分析，不難確定試驗的最佳組合為：碎石級配16-19 mm，設(shè)計孔隙率25%，水灰比0.25.該組合在試驗中正好出現(xiàn)，即表中第6組試驗，最佳組合的透水系數(shù)為9.88mm/s.

表4 透水系數(shù)極差分析Tab.4 Permeable coefficient range analysis

2.4 綜合分析

1）透水混凝土中有效孔隙的存在必然影響其抗壓強度指標(biāo)，對這2個指標(biāo)進(jìn)行一元線性和非線性回歸分析，可以得到相關(guān)擬合曲線及回歸方程（圖1）.由圖1可知，兩個指標(biāo)線性和非線性擬合度都不錯，抗壓強度指標(biāo)隨著有效孔隙率指標(biāo)的增大而減小.

2）抗壓強度指標(biāo)和透水系數(shù)指標(biāo)是透水混凝土考察的兩個關(guān)鍵指標(biāo)，對這兩個指標(biāo)進(jìn)行一元線性回歸，可以得到相關(guān)擬合曲線及回歸方程，如圖2所示.由圖2可知，這兩個指標(biāo)擬合度不是很高，但有一個明顯的趨勢，隨著透水系數(shù)指標(biāo)的提高，抗壓強度指標(biāo)逐漸下降.

圖1 抗壓強度指標(biāo)和有效孔隙率指標(biāo)的相關(guān)擬合曲線及回歸方程（x代表有效孔隙率， 代表抗壓強度）Fig.1 The fitting curveand regression equation of compressive strength index and effective porosity index( represents theeffective porosity,represents compressive strength)

3）對有效孔隙率指標(biāo)和透水系數(shù)指標(biāo)進(jìn)行一元線性和非線性回歸，可以得到相關(guān)擬合曲線及回歸方程，如圖3所示.由圖3可知，兩個指標(biāo)線性和非線性擬合度都不錯，透水系數(shù)指標(biāo)隨著有效孔隙率指標(biāo)的增大而增大.

3 結(jié)論

1）影響透水混凝土性能指標(biāo)的主要因素是設(shè)計孔隙率.設(shè)計孔隙率越小，骨料和水泥石填充越密實，抗壓強度指標(biāo)越大.設(shè)計孔隙率越大，有效孔隙率越大，透水系數(shù)指標(biāo)越大.

2）抗壓強度指標(biāo)和透水系數(shù)指標(biāo)兩者之間存在牽制關(guān)系，如何統(tǒng)籌兼顧這兩個指標(biāo)，是研究透水混凝土的關(guān)鍵.

3）綜合考慮透水混凝土的力學(xué)性能和透水性能，得出最佳組合：碎石級配16～19mm，設(shè)計孔隙率15%，水灰比0.30.

圖2 抗壓強度指標(biāo)和透水系數(shù)指標(biāo)的相關(guān)擬合曲線及回歸方程（ 代表透水系數(shù)， 代表抗壓強度）Fig.2 The fitting curveand regression equation of compressive strength index and permeable coefficient index( represents thepermeable coefficient,represents compressive strength)

圖3 有效孔隙率指標(biāo)和透水系數(shù)指標(biāo)的相關(guān)擬合曲線及回歸方程（ 代表有效孔隙率， 代表透水系數(shù)）Fig.3 The fitting curveand regression equation of effectiveporosity index and permeable coefficient index( represents theeffective porosity, represents the permeable coefficient)

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