不同骨料級配透水混凝土的性能研究及其孔隙識別

蔣興教，肖蓮珍

武漢工程大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430205

隨著城市現(xiàn)代化建設逐步完善，許多城市被大量封閉式的基礎(chǔ)設施及不透水的混凝土路面所覆蓋，導致了城市雨天的排水途徑只能通過城市排水系統(tǒng)排除，我國部分城市每年的降水量巨大，而城市排水系統(tǒng)的泄流能力有限，造成雨天城市常有路面積水的問題產(chǎn)生，嚴重時會造成交通癱瘓［1-3］。透水混凝土是一種具有一定貫通孔隙，能夠使水自然透過的多孔生態(tài)型混凝土［4-5］。相較于普通混凝土，透水混凝土具有較大的孔隙率，介于15%～25%之間，透水系數(shù)在1～15 mm/s 之間。透水混凝土材料應用于城市道路建設，具有透水、透氣、減少噪音和調(diào)節(jié)城市溫度與濕度等優(yōu)點，在海綿城市建設中具有重要作用［6-8］。

孟剛等［9］分別采用一次加料法及水泥裹石法進行攪拌，結(jié)果表明采用水泥裹石法攪拌有利于改善透水混凝土的透水性。王瑞燕等［10］對比連續(xù)級配與單粒徑級配指出采用單粒徑集料，可以同時保證混凝土的力學性能和透水性能。辛揚帆等［11］通過對不同粒級的骨料制備的單一粒徑透水混凝土試驗研究指出在粒徑為5～10 mm 時，粒徑對透水混凝土性能影響率最高。張朝輝等［12］對不同水灰比透水混凝土性能的研究表明，水灰比在0.24～0.30 時，透水混凝土透水性能良好。劉翠萍等［13］指出在透水混凝土的早期養(yǎng)護條件方面，在水化硬化初期進行保濕養(yǎng)護，能夠降低其開裂風險。蔣昌波等［14］用圖像處理和圖像分析的方法研究了多孔混凝土的內(nèi)部截面的孔隙分布情況，對孔隙等效直徑的影響因素進行了研究。

制備了不同骨料粒徑及孔隙率的透水混凝土，研究了骨料粒徑、孔隙率與透水混凝土性能的關(guān)系，并利用圖像處理與分析軟件研究孔隙率與骨料粒徑對透水混凝土內(nèi)部的孔徑分布及孔徑大小的影響，為配制高性能透水混凝土提供理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

水泥（P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，武漢市華新水泥股份有限公司）；粗骨料：5～10、10～15、15～20 mm 的單粒級的碎石骨料；減水劑：格瑞林聚羧酸高性能減水劑，減水劑摻量取膠凝材料質(zhì)量的1%；潔凈自來水。

1.2 配合比設計

實驗采用體積堆積理論進行透水混凝土配比設計。針對透水混凝土的多孔結(jié)構(gòu)導致其強度低的缺陷，設計試驗水灰比為0.25。以骨料粒徑與設計孔隙率為配比設計的直接影響因素，每種因素分為3 個不同的值。骨料粒徑分別為5～10、10～15、15～20 mm，設計孔隙率分別為15%、20%、25%。試驗配比如表1 所示。

表1 透水混凝土的試驗配比Tab.1 Proportion of pervious concrete samples

1.3 成型與養(yǎng)護

試驗采用漿體裹石法及分層插搗分別進行原材料的拌合與成型，將混合料分3 次均勻裝入試模中，每次裝模1/3，利用搗棒插搗30 次，裝模完成后，利用小錘對試樣表面低頻錘壓15 s，成型后的試樣表面具有一定的光澤度且底面無封底現(xiàn)象。試樣規(guī)格為100 mm×100 mm×100 mm 立方體。24 h 后脫模，將試樣放入標準養(yǎng)護箱里養(yǎng)護，將溫度設定為20 ℃，濕度設定為96%。

1.4 測試方法

1.4.1 抗壓強度的測定 透水混凝土試樣養(yǎng)護至28 d，采用混凝土壓力試驗機進行實驗，記錄破壞載荷，依據(jù)公式（1）計算抗壓強度。

式（1）中fcu為試樣抗壓強度（MPa），F(xiàn) 為試樣的破壞載荷（N），面積A=104mm2。

1.4.2 實測孔隙率的測定 孔隙率是影響透水混凝土性能的重要指標，透水混凝土內(nèi)部孔隙可分為閉孔與開孔，只有開孔才能使水自然透過。本試驗采用凈水天平測定透水混凝土試樣的實測孔隙率，根據(jù)公式（2）計算試樣的實測孔隙率。

式中η 為試樣的實測孔隙率，m1為試樣在空氣中的質(zhì)量，m0為試樣在水中的質(zhì)量，ρW為水的密度，V 為試樣的體積。

1.4.3 透水系數(shù)的測定 透水系數(shù)是表征透水混凝土透水性能的重要因素，指單位時間內(nèi)透過透水混凝土的水位高度。本試驗采用固定水頭法［15］進行透水系數(shù)的測定，測試原理如圖1 所示，為了減小邊壁側(cè)漏效應，將試樣側(cè)面包裹一層保鮮膜，并涂抹一定量的凡士林。

圖1 透水系數(shù)測試原理圖Fig.1 Test principle diagram of permeability coefficient measurement

依據(jù)公式（3）計算透水系數(shù)。

式（3）中KT為透水混凝土試塊在該溫度下的透水系數(shù)（mm/s）；L 為試塊的厚度（mm）；V 為時間t內(nèi)的透水量（mL）；H=150 mm；A=104mm2；t=60 s。

1.4.4 圖像處理及孔隙識別 選取樣品上下表面的中心位置，分別放置兩根鋼筋并用膠帶固定，采用混凝土壓力試驗機對其進行加壓直至試樣斷裂，取出樣品后，對斷裂面進行拍照。利用Image-Pro Plus 圖像處理軟件對照片進行二值化處理，并識別孔徑數(shù)量與等效直徑。

2 結(jié)果與討論

2.1 實測孔隙率與透水混凝土性能相關(guān)性

如圖2（a）所示，實測孔隙率與設計孔隙率呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，實測孔隙率略低于設計孔隙率，這是由于透水混凝土內(nèi)部存在一定數(shù)量的全閉孔隙所造成的。所有透水混凝土試樣的實測孔隙率均能達到設計孔隙率的90%以上，這說明全閉孔隙率在10%以下，且隨著骨料粒徑的增加，實測孔隙率更加接近設計孔隙率，全閉孔減少，這是由于骨料粒徑小時骨料之間的接觸點多，堆積狀態(tài)下的孔徑較小，水泥包覆骨料表面黏結(jié)后，更易形成全閉孔。

圖2 實測孔隙率與透水混凝土性能相關(guān)性：（a）設計孔隙率，（b）表觀密度，（c）抗壓強度，（d）透水系數(shù)Fig.2 Correlation between measured porosity and performance of pervious concrete：（a）designed porosity，（b）apparent density，（c）compressive strength，（d）permeability coefficient

如圖2（b）所示，實測孔隙率與表觀密度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，相關(guān)性系數(shù)高達0.98，不同骨料粒徑的透水混凝土試樣的表觀密度均在1 850～2 150 kg/m3內(nèi)，低于普通混凝土的表觀密度。由于孔隙率的存在，透水混凝土變得更輕，隨著孔隙率的增加，透水混凝土表觀密度降低。如圖2（c）所示，當實測孔隙率由13.8%增加到24.7%時，28 d 抗壓強度由24.6 MPa 降至16.1 MPa，透水混凝土樣品強度等級為C15 與C20；如圖2（d）所示，當實測孔隙率由13.8%到24.7%時，透水系數(shù)由1.08 mm/s增加到4.42 mm/s，所有試樣均符合透水混凝土透水系數(shù)需大于1 mm/s 的要求［15］，實測孔隙率與抗壓強度和透水系數(shù)呈現(xiàn)良好的冪函數(shù)關(guān)系。

綜上所述，實際配制的透水混凝土的孔隙率能很好地達到設計要求的孔隙率；透水混凝土的表觀密度、抗壓強度以及透水系數(shù)均與其孔隙率關(guān)系密切，可見，設計合適的透水混凝土的孔隙率是控制其性能的關(guān)鍵參數(shù)。

2.2 設計孔隙率對透水混凝土性能的影響

圖3（a）～圖3（c）為不同骨料粒徑下設計孔隙率對透水混凝土性能的影響。由圖3（a）可知，在骨料粒徑為5～10 mm 時，設計孔隙率由15%增加到20%，透水系數(shù)增大了64.8%，28 d 抗壓強度減小了13.0%；設計孔隙率由20%增加到25%，透水系數(shù)增大了117.4%，28 d 抗壓強度減小了9.8%。由圖3（b）可知，在骨料粒徑為10～15 mm 時，設計孔隙率由15%增加到20%，透水系數(shù)增大了70.2%，28 d 抗壓強度減小了10.0%；設計孔隙率由20%增加到25%，透水系數(shù)增大了92.4%，28 d 抗壓強度減小了11.7%。由圖3（c）可知，在骨料粒徑為15～20 mm 時，設計孔隙率由15%增加到20%，透水系數(shù)增大了57.6%，28 d 抗壓強度減小了14.3%；設計孔隙率由20%增加到25%，透水系數(shù)增大了77.5%，28 d 抗壓強度減小了13.4%。在不同骨料粒徑下，透水系數(shù)均隨設計孔隙率的增大而增大，28 d 抗壓強度均隨設計孔隙率的增大而減小。隨著設計孔隙率增大，透水混凝土內(nèi)部孔隙增多，水泥漿體的用量減少，水泥漿體層厚度降低，受壓時應力集中作用明顯，實驗結(jié)果很好地說明了這一點。由設計孔隙率對透水混凝土性能的影響可以發(fā)現(xiàn)，設計孔隙率的變化對骨料粒徑為5～10 mm 的樣品透水系數(shù)影響最大，這是由于骨料粒徑較小時，骨料自然堆積孔隙率小，當設計孔隙率較低時，水泥漿體在拌合的過程中，極易產(chǎn)生漿體團聚現(xiàn)象，導致孔結(jié)構(gòu)分布不均勻，當設計孔隙率增大時，水泥漿體的用量降低，漿體團聚現(xiàn)象減弱，內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)分布相對均勻，性能上表現(xiàn)為透水系數(shù)的大幅度增加。

圖3 不同骨料粒徑下設計孔隙率對透水混凝土性能的影響：（a）5～10 mm，（b）10～15mm，（c）15～20 mmFig.3 Effect of designed porosity on properties of pervious concrete under different aggregate sizes：（a）5-10 mm，（b）10-15 mm，（c）15-20 mm

2.3 骨料粒徑對透水混凝土性能的影響

圖4 （a）～圖4（c）所示為不同設計孔隙率下骨料粒徑對透水混凝土性能的影響。由圖4（a）可知，在設計孔隙率為15%時，當骨料粒徑由5～10 mm增加到10～15 mm，透水系數(shù)增大了14.8%，28 d 抗壓強度減小了6.9%；當骨料粒徑由10～15 mm 增加到15～20 mm，透水系數(shù)增大了27.4%，28 d 抗壓強度減小了5.2%；由圖4（b）可知，在設計孔隙率為20%時，當骨料粒徑由5～10 mm 增加到10～15 mm時，透水系數(shù)增大了18.5%，28 d 抗壓強度減小了3.7%；當骨料粒徑由10～15 mm 增加到15～20 mm，透水系數(shù)增大了18.0%，28 d 抗壓強度減小了9.7%；由圖4（c）可知，在設計孔隙率為25%時，當骨料粒徑由5～10 mm 增加到10～15 mm，透水系數(shù)增大了4.9%，28 d 抗壓強度減小了5.7%；當骨料粒徑由10～15 mm 增加到15～20 mm，透水系數(shù)增大了8.9%，28 d 抗壓強度減小了11.5%；在不同設計孔隙率下，隨著骨料粒徑的增大，透水系數(shù)均表現(xiàn)為增大，28 d 抗壓強度均表現(xiàn)為減小。當骨料粒徑較小時，透水混凝土內(nèi)部骨料之間的接觸點多，水泥漿體包覆骨料形成孔結(jié)構(gòu)的孔徑較小，且孔隙曲折度較大，透水性能降低，但受壓時，內(nèi)部應力由于接觸點的分散作用，降低了應力集中作用，使整個體系趨于穩(wěn)定，抗壓強度增加，隨著骨料粒徑的增大，孔結(jié)構(gòu)的平均孔徑增大，孔隙曲折率減小，但受壓時應力集中作用明顯，與實驗結(jié)果相吻合。由骨料粒徑對透水混凝土性能的變化率可以發(fā)現(xiàn)，較小的骨料粒徑有利于增加透水混凝土的抗壓強度，較大的骨料粒徑有利于增加透水混凝土的透水系數(shù)，工程建設中，可以根據(jù)實際需要選擇合適的骨料粒徑進行配置透水混凝土。

圖4 不同設計孔隙率下骨料粒徑對透水混凝土性能的影響：（a）15%，（b）20%，（c）25%Fig.4 Effect of aggregate sizes on properties of pervious concrete under different designed porosities：（a）15%，（b）20%，（c）25%

2.4 孔隙結(jié)構(gòu)二值化識別

透水混凝土內(nèi)部斷面圖像二值化的目的是使孔結(jié)構(gòu)與混凝土基體呈現(xiàn)兩種辨識度高的顏色，達到分離孔結(jié)構(gòu)的效果，利于分析孔結(jié)構(gòu)的分布，并提高測量的精度。在進行二值化識別之前，首先利用Photoshop 軟件對圖像銳化，進行圖像增強處理。利用Image-Pro Plus 軟件根據(jù)圖片自動識別閾值，進行圖像二值化并識別出孔隙數(shù)量與孔隙等效直徑。表2 為二值圖像平面中的孔隙數(shù)量，圖5 為樣品A1、A2、A3、B3、C3 的孔隙平面二值化圖像與其孔徑分布直方圖。

表2 平面孔隙個數(shù)Tab.2 Numbers of pores in flat

由圖5 與表2 可以發(fā)現(xiàn)，樣品A1 孔隙個數(shù)為50，孔隙等效直徑集中在2～5 mm，最大孔隙等效直徑小于8 mm，占總孔隙數(shù)量的60%以上，平面孔隙結(jié)構(gòu)分布相對集中；樣品A2 孔隙個數(shù)為67，孔隙等效直徑集中在2～5 mm，最大孔隙等效直徑小于8 mm，占總孔隙數(shù)量的70%以上，平面孔隙結(jié)構(gòu)分布相對均勻；樣品A3 孔隙個數(shù)為75，孔隙等效直徑集中在2～6 mm，占總孔隙數(shù)量的80%以上，最大孔隙等效直徑小于12 mm，平面孔隙結(jié)構(gòu)分布均勻；樣品B3 孔隙個數(shù)為63，孔隙等效直徑集中在3～7 mm，最大孔隙等效直徑小于10 mm，占總孔隙數(shù)量的60%以上，平面孔隙結(jié)構(gòu)分布均勻；樣品C3 孔隙個數(shù)為28，孔隙等效直徑集中在4～10 mm，各粒級的孔均占總孔隙數(shù)的10%以上，最大孔隙等效直徑小于14 mm，占總孔隙數(shù)量的60%以上，平面孔隙結(jié)構(gòu)分布均勻。

對比樣品A1～A3 可以發(fā)現(xiàn)，在骨料粒徑均為5～10 mm 時，隨著設計孔隙率的增加，孔隙個數(shù)由50 增加至75，孔徑等效直徑集中區(qū)間增大，孔結(jié)構(gòu)分布更加均勻。這是由于設計孔隙率的增加導致水泥漿體填充率降低使內(nèi)部孔隙數(shù)量增加，孔隙結(jié)構(gòu)均勻性增加，水泥漿體層厚度減小，孔隙等效直徑增加，進一步使小孔變成大孔，甚至出現(xiàn)樣品A3 中超過10 mm 粒徑孔隙的情況，改變了孔隙級配，宏觀上表現(xiàn)為透水系數(shù)的增加與抗壓強度的降低。

圖5 透水混凝土孔徑分布及其孔隙平面二值化（插圖）：（a）樣品A1，（b）樣品A2，（c）樣品A3，（d）樣品B3，（e）樣品C3Fig.5 Pore size distribution and pores plane binarization（inset）of pervious concrete：（a）sample A1，（b）sample A2，（c）sample A3，（d）sample B3，（e）sample C3

對比樣品A3～C3 可以發(fā)現(xiàn)，當設計孔隙率為25%時，隨著骨料粒徑的變大，孔隙個數(shù)由75 降低至28，孔徑等效直徑集中區(qū)間增大明顯，孔結(jié)構(gòu)分布更均勻，孔隙曲折度下降，正態(tài)分布曲線出現(xiàn)由“細短”向“長寬”轉(zhuǎn)變的趨勢，并且軸線逐漸右移，這說明骨料粒徑對孔隙等效直徑的影響十分明顯，增大骨料粒徑有利于增加孔隙等效直徑和孔隙分布均勻性，改變孔隙級配作用明顯。這是由于不同骨料粒徑的碎石在自然堆積狀態(tài)下，孔隙結(jié)構(gòu)不同所造成的，當骨料粒徑較小時，自然堆積狀態(tài)下，骨料之間接觸點較多，原始孔徑偏小導致利用體積填充法配置的透水混凝土內(nèi)部孔隙等效直徑較小，但骨料之間的咬合作用較強。當骨料粒徑增大時，自然堆積狀態(tài)下，骨料之間接觸點減少，原始孔徑增大導致利用體積填充法配置的透水混凝土內(nèi)部孔隙等效直徑增大，但骨料之間的咬合作用減弱，宏觀上表現(xiàn)為透水系數(shù)的增加與抗壓強度的降低。

3 結(jié) 論

1）透水混凝土的實測孔隙率達到設計孔隙率的90%以上，與表觀密度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，與透水系數(shù)和抗壓強度均呈現(xiàn)良好的冪函數(shù)關(guān)系。

2）利用體積填充理論可以配制強度等級為C15 與C20 的透水混凝土。

3）設計孔隙率的變化對骨料粒徑較小的透水混凝土的透水性能影響較大。

4）較小的骨料粒徑有利于增加透水混凝土的28 d 抗壓強度，較大的骨料粒徑有利于增加透水混凝土的透水系數(shù)。

5）設計孔隙率與骨料粒徑的增大均能使透水混凝土內(nèi)部的孔隙等效直徑增大，降低孔隙曲折度，改變孔隙級配，但骨料粒徑的影響作用更為明顯，二者的作用機理不同。工程建設中，可以根據(jù)實際需要選擇合適的骨料粒徑與設計孔隙率配制透水混凝土。