砂率對透水混凝土性能的影響

王耀峰

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

按照《山西省黃河、長城、太行三大板塊旅游發(fā)展總體規(guī)劃》的目標(biāo)，山西省到2020年將建成黃河、長城、太行三大板塊旅游公路網(wǎng)絡(luò)，以改善旅游交通服務(wù)功能，形成具有全國知名度、國際影響力的旅游公路。采用彩色透水混凝土路面鋪筑觀景臺、人行道、觀光道等公路附屬設(shè)施是實(shí)現(xiàn)旅游公路從單純滿足出行功能向生態(tài)、旅游、消費(fèi)等復(fù)合功能轉(zhuǎn)變的新途徑。

透水混凝土是一種由波特蘭水泥、粗集料、沒有或含少量細(xì)集料、礦物摻合料、外加劑和水組成的綠色多孔材料，廣泛應(yīng)用于人行道、廣場及景觀路面。透水混凝土的有效孔隙率在15%～35%之間，使雨水能夠迅速滲入地下，促進(jìn)地下水循環(huán)[1-2]。同時(shí)，透水混凝土還具有吸熱、降噪以及凈化水質(zhì)等諸多優(yōu)點(diǎn)[3-5]?，F(xiàn)在，透水鋪裝系統(tǒng)已成為建設(shè)海綿城市最有效的技術(shù)途徑之一[6]。國內(nèi)外針對無砂透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)、力學(xué)、透水、耐久等性能進(jìn)行了深入研究，取得了大量的成果。隨著對透水混凝土的不斷深入研究，一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)摻入少量細(xì)砂，可以在不降低透水系數(shù)的條件下提高強(qiáng)度，但在配合比設(shè)計(jì)中，摻入細(xì)砂的方式上卻有所不同。付培江等人[7]為了保證孔隙率一致，保持粗集料的量不變，通過增加細(xì)砂減少水泥的方式摻入砂子，其砂率含義和普通混凝土的一致。徐仁崇等人[8]則引入了體積砂率這一概念，“體積砂率”即透水混凝土配合比中細(xì)砂體積占細(xì)砂與水泥總體積的百分比，此時(shí)的砂率含義和普通混凝土中有所不同。吳冬等人[9]發(fā)現(xiàn)摻入細(xì)砂可以在保證透水性能的基礎(chǔ)上，提高透水混凝土的強(qiáng)度。目前，針對含砂透水混凝土的系統(tǒng)研究較少，尤其對其耐酸雨侵蝕性能的研究尚未見報(bào)道。鑒于此，本文系統(tǒng)地研究了砂率（0%、5%、10%、15%）對透水混凝土抗壓強(qiáng)度、有效孔隙率、透水系數(shù)及耐酸雨性能的影響，從而使國內(nèi)對含砂透水混凝土性能的研究更加完善。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥（C）：P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，水泥主要性能見表1。粗集料（G）：單一粒徑為4.75～9.5 mm的普通碎石，表觀密度為2 700 kg/m3，堆積密度為1 600 kg/m3，空隙率為 40.7%。細(xì)集料（S）：普通河砂，最大粒徑2.36 mm，細(xì)度模數(shù)2.97，堆積密度1 516 kg/m3，表觀密度 2 650 kg/m3。拌合用水（W）：自來水。減水劑（SP）：聚羧酸高效減水劑，減水率20.1%，固體含量25.4%，比重為1.04。

表1 水泥的主要性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 配合比設(shè)計(jì)

采用基于漿體層厚度的透水混凝土配合比設(shè)計(jì)方法[10]設(shè)計(jì)透水混凝土，其配合比設(shè)計(jì)原理為：將粗集料簡化為球模型，計(jì)算緊密堆積狀態(tài)下1 m3透水混凝土中粗集料顆?？倲?shù)目和總表面積；結(jié)合體積法通過有效孔隙率需求來確定漿體層厚度范圍，預(yù)設(shè)漿體層厚度確定漿體體積；由漿體體積和水灰比確定各原材料的用量。對于普通混凝土，摻入細(xì)集料取代的是粗集料，但對于透水混凝土，為保證整個(gè)骨架體系一致需要固定粗集料用量不變，摻入的細(xì)集料體積應(yīng)計(jì)入漿體體積，而不計(jì)入集料體積中。細(xì)集料作為漿體的一部分，因此計(jì)算透水混凝土集料比表面積時(shí)只計(jì)算粗集料的表面積而不計(jì)入細(xì)集料的表面積。表2為試驗(yàn)所用粗集料比表面積計(jì)算表。文獻(xiàn)[10]認(rèn)為漿體層厚度介于0.14～0.55 mm 時(shí)可保證透水混凝土硬化后孔隙率在15%～35%之內(nèi)。為了獲得較高強(qiáng)度的透水混凝土，試驗(yàn)采用0.50 mm 的漿體層厚度。

表2 粗集料比表面積計(jì)算表（以1 m3 透水混凝土中的粗集料計(jì)）

表3為不同砂率透水混凝土的配合比。C-Sand-0 組為普通透水水泥混凝土，作為對照組；C-Sand-5、C-Sand-10、C-Sand-15 組為含砂透水混凝土，作為試驗(yàn)組。由于透水混凝土的漿體一般較少，砂率太大會造成漿體干硬且黏性降低，使新拌透水混凝土不易成型，一般透水混凝土的砂率不大于20%，因此在保證單位體積透水混凝土中粗集料用量不變，本試驗(yàn)分別以5%、10%、15%的砂率摻入細(xì)砂取代相應(yīng)體積的漿體。

表3 含砂透水混凝土配合比

1.2.2 性能測試方法

1.2.2.1 抗壓強(qiáng)度

透水混凝土試件的抗壓強(qiáng)度依據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能測試方法》中的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法進(jìn)行測試。

1.2.2.2 有效孔隙率

透水混凝土的有效孔隙率采用排水法進(jìn)行測定。按式（1）計(jì)算試件的28 d 有效孔隙率P：

式中：P 為有效孔隙率，%；m1為試件在水中的質(zhì)量，g；m2為試件烘干后的質(zhì)量，g；ρw為水的密度，g/cm3；V 為試件的體積，cm3。

1.2.2.3 透水系數(shù)

本試驗(yàn)研究的透水混凝土孔隙率都在20%以上，滲透能力較強(qiáng)，采用變水頭法測試發(fā)現(xiàn)滲水速度太快，難以精確測試時(shí)間，因此采用常水頭法測試透水系數(shù)。按照CJJ 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》附錄1 的透水系數(shù)測試方法進(jìn)行，按式（2）計(jì)算試件的28 d 透水系數(shù)K：

式中：K 為透水系數(shù)，mm/s；Q 為 T 時(shí)間內(nèi)的出水量，cm3；L 為試件厚度，mm；A 為試件底面積，cm2；H 為水位差，cm；T 為測試時(shí)間，s。

1.2.2.4 耐酸雨侵蝕性能

根據(jù)《2017 中國生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，酸雨主要陽離子為 NH4+、Ca2+，陰離子主要為 SO42-、NO3-，由于混凝土內(nèi)部本身富含Ca2+，則本試驗(yàn)采用硫酸銨和濃硝酸配制酸雨溶液。硫酸銨控制硫酸根離子并提供NH4+，濃硝酸控制溶液的pH 值為3 左右，以保證維持酸雨酸度的同時(shí)而不帶入其他具有侵蝕性的陰離子。為研究在酸性環(huán)境下含砂透水混凝土的耐久性，在浸泡期間每天分 3 次（8:00、15:00、22:00）滴加濃硝酸溶液以保證溶液pH 值。每個(gè)箱子放12 個(gè)試件，溶液與試件體積比保持8∶1。試驗(yàn)采用干濕循環(huán)法對試件進(jìn)行加速侵蝕。具體為：浸泡2 d，60 ℃烘干 1 d，每 3 d 為一個(gè)周期，每個(gè)周期結(jié)束測試質(zhì)量，每5 個(gè)周期結(jié)束測試試件的抗壓強(qiáng)度。

透水混凝土的耐酸雨侵蝕性通過質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)表征。質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)分別按式（3）、式（4）計(jì)算。

式中：Km為透水混凝土質(zhì)量損失率，%；M0為透水混凝土試樣侵蝕前的質(zhì)量，g；Mn為透水混凝土試樣侵蝕 n 次后的質(zhì)量，g。

式中：Kf為透水混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)，%；fc0為與酸雨侵蝕試樣相同齡期的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣的抗壓強(qiáng)度，MPa；fcn為侵蝕 n 次后的試樣抗壓強(qiáng)度，MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

砂率對透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見圖1。由圖1可知，在漿體層厚度及水灰比不變的條件下，C-Sand-0～C-Sand-15 組的 28 d 抗壓強(qiáng)度分別為15.6 MPa、18.9 MPa、15.5 MPa 和 12.3 MPa，可見隨著砂率的增加，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度先增大后減小。當(dāng)砂率為5%時(shí)，透水混凝土的強(qiáng)度最高，相比普通水泥透水混凝土提高了21.2%。對比C-Sand-0組和C-Sand-10 組，其28 d 抗壓強(qiáng)度基本一致，可見當(dāng)砂率大于10%時(shí)會降低透水混凝土的強(qiáng)度。在砂率較小時(shí)，即使增加砂子用量，漿體也足以在顆粒之間形成較強(qiáng)的漿體層，而砂用量的增加可以提高混凝土的整體剛度，強(qiáng)度得以提高。但當(dāng)砂率增加太大時(shí)，膠結(jié)材料就減少到一定程度，并不能在粗細(xì)顆粒之間形成足夠厚的漿體層，使混凝土內(nèi)部的膠結(jié)性能降低，從而導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

圖1 砂率對透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.2 透水性能

砂率對透水混凝土透水性能的影響見圖2。由圖2可知，在漿體層厚度及水灰比不變的條件下，C-Sand-0～C-Sand-15 組的 28 d 有效孔隙率和透水系 數(shù) 分 別 為 24.8% 、21.4% 、23.7% 、28.3% 和5.80 mm/s、4.87 mm/s、5.79 mm/s、6.93 mm/s。可見隨著砂率的增加，透水混凝土的28 d 有效孔隙率和透水系數(shù)先減小后增大。當(dāng)砂率為5%時(shí)，透水混凝土的透水性能最差，其有效孔隙率和透水系數(shù)相比普通水泥透水混凝土分別降低了13.7%、16.0%，但遠(yuǎn)大于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的連續(xù)孔隙率大于等于10%，透水系數(shù)大于等于0.5 mm/s。對比C-Sand-0 組和C-Sand-10 組，其28 d 有效孔隙率和透水系數(shù)相差不大，可見砂率為10%時(shí)會降低透水混凝土的透水性能。本試驗(yàn)在制備含砂透水混凝土?xí)r，采取砂子取代水泥的方法進(jìn)行摻砂。當(dāng)摻入少量砂子（5%）時(shí)，砂子的摻入改善了整個(gè)透水混凝土體系中顆粒級配，降低了混凝土的整體孔隙率和透水能力。當(dāng)砂子摻量增大，水泥的用量相應(yīng)減小，水灰比不變，水的用量也減小，水泥漿體太少無法填充砂子顆粒之間的孔隙而無法形成相對密實(shí)的砂漿，從而造成含砂透水混凝土的孔隙率和透水系數(shù)都增大。

圖2 砂率對透水混凝土透水性能的影響

2.3 耐酸雨侵蝕性能

選取C-Sand-0 組、C-Sand-5 組透水混凝土進(jìn)行耐酸雨侵蝕試驗(yàn)。圖3、圖4分別為透水混凝土質(zhì)量損失率、強(qiáng)度耐蝕系數(shù)隨侵蝕時(shí)間的變化曲線。

圖3 透水混凝土在酸雨侵蝕下質(zhì)量損失率變化曲線

圖4 透水混凝土在酸雨侵蝕下強(qiáng)度耐蝕系數(shù)變化曲線

由圖3可知，含砂透水混凝土的質(zhì)量損失率Km均隨著侵蝕時(shí)間的增加而增大。在侵蝕前15 d 內(nèi)，C-Sand-0 組、C-Sand-5 組試件的質(zhì)量損失率 Km分別增大3.0%、2.2%，而在侵蝕15～60 d 這45 d 內(nèi)，C-Sand-0 組、C-Sand-5 組試件的質(zhì)量損失率 Km均增大了2.0%。由此可見，對于含砂透水混凝土，在經(jīng)受酸雨侵蝕時(shí)，質(zhì)量變化均分為兩個(gè)階段：在侵蝕前期階段（小于等于15 d），質(zhì)量損失速度較快，而在侵蝕中后期（大于15 d），質(zhì)量損失速度減緩。這一規(guī)律與普通混凝土相反，其主要原因?yàn)椋涸谇治g前期，酸雨通過連通孔隙可以直接進(jìn)入透水混凝土內(nèi)部，與漿體的接觸面積較大，到了侵蝕后期，部分漿體已被完全侵蝕，集料顆粒裸露，反而使酸雨與混凝土漿體的接觸面積減小，從而減緩了侵蝕速度。

結(jié)合圖3、圖4可知，在相同侵蝕時(shí)間下，C-Sand-5 組的質(zhì)量損失率均小于C-Sand-0 組，強(qiáng)度耐蝕系數(shù)均大于C-Sand-0 組，可見，摻少量砂子的透水混凝土耐酸雨侵蝕性能優(yōu)于普通透水水泥混凝土。在本試驗(yàn)中，采用取代水泥的方式摻入細(xì)砂，所以細(xì)砂的摻入會使水泥用量減少，相應(yīng)的C3A 也減少，從而降低了Ca(OH)2的生成量，可以減少酸雨侵蝕介質(zhì)和Ca(OH)2的反應(yīng)；另一方面，砂漿要比水泥凈漿更密實(shí)，也可以降低酸雨的侵入，基于這兩方面原因，含砂透水混凝土的耐酸雨侵蝕性能優(yōu)于普通透水水泥混凝土。

3 結(jié)論

a）砂率在0～15%范圍內(nèi)時(shí)，隨著砂率的增加，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度先增大后減小，有效孔隙率和透水系數(shù)先減小后增大。

b）含砂透水混凝土在經(jīng)受酸雨侵蝕時(shí)，其質(zhì)量前期損失速率較快，而后期損失速率減緩，與普通混凝土中的規(guī)律相反。

c）摻入少量細(xì)砂可以提高透水混凝土的強(qiáng)度和抗酸雨侵蝕性能而不影響透水性能，建議透水混凝土最佳砂率為5%左右。