透水水泥混凝土配合比設(shè)計與技術(shù)性能研究

楊幼江， 薛維龍， 蔣玉龍， 宋文學， 吳進良

(1.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司， 武漢 430056； 2.包頭市公路工程股份有限公司， 內(nèi)蒙古 包頭 014060； 3.重慶交通大學 土木工程學院， 重慶 400074)

隨著我國城市內(nèi)澇問題頻發(fā)，城市建設(shè)與治理中引入“海綿城市”[1]理念。國內(nèi)外學者研究發(fā)現(xiàn)，大孔隙透水混凝土路面不僅具有吸熱和儲熱能力，也是一種良好的排水材料[2]，有助于解決城市內(nèi)澇問題。近年來，通過對大孔隙透水水泥混凝土成型工藝及力學性能等的研究，逐漸形成了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，本文依照規(guī)范要求，對重慶地區(qū)大孔隙透水水泥混凝土進行研究，希望對今后海綿城市的地區(qū)性建設(shè)提供參考。

1 原材料選擇

1.1 水泥

水泥對混凝土強度有很大影響，其選擇應(yīng)參照技術(shù)規(guī)范CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》[3]，采用了重慶鄰水地區(qū)的P·O 42.5水泥，其性能滿足GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》[4]中的相關(guān)要求。

1.2 骨料

水泥混凝土中，骨料分為粗骨料與細骨料。骨料之間相互嵌擠構(gòu)成水泥混凝土的骨架，骨架可以單獨承受荷載，能夠很好地抑制結(jié)構(gòu)收縮，防止混凝土結(jié)構(gòu)因收縮產(chǎn)生裂縫。良好的顆粒級配對混凝土的性能提升比較顯著，能夠有效降低水和水泥用量，還能夠很好地提高混凝土的和易性、保水性等。本文使用重慶市某采石廠提供的5 mm～16 mm石灰?guī)r骨料，其性能滿足規(guī)范GB/T 14685—2011《建設(shè)用碎石卵石》[5]中的相關(guān)要求。

1.3 粉煤灰

粉煤灰作為一種活性礦物摻合料，它具有改善拌和物的和易性、流動性、粘聚性與保水性的作用，特別是對細集料含量很少的透水水泥混凝土。本文采用重慶某公司出產(chǎn)的F類Ⅱ級粉煤灰，出廠指標均符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》[6]中的要求，具體參數(shù)如表1所示。

表1 粉煤灰廠控指標 %

1.4 減水劑

減水劑可以降低拌和時的用水量。經(jīng)過大量嘗試發(fā)現(xiàn)聚羧酸高效減水劑摻量為1%時能顯著降低混凝土拌和用水量，減水率可達28%，同時保有較好的流動性與粘聚性。

2 配合比設(shè)計

2.1 設(shè)計參數(shù)

2.1.1 水膠比

水膠比的高低對拌和物的強度、流動性、和易性、耐久性等都有非常顯著的影響。Chindaprasirt[7]發(fā)現(xiàn)水膠比為0.20～0.25的材料加入1%高效減水劑進行充分混合后，可以制成15%～25%的孔隙率、抗壓強度較高的透水性混凝土。CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》[3]中推薦水膠比范圍為0.25～0.35，結(jié)合張朝輝等[8]的研究，當試件的水膠比為0.23～0.35時，隨著水灰比的增加，透水混凝土的透水系數(shù)和強度都呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，本文初試水膠比取為0.30。

2.1.2 原材料密度

透水水泥混凝土一般采用體積法進行配合比設(shè)計，本文使用材料的密度如表2所示。

表2 所用原材料密度 kg/m3

2.1.3 目標孔隙率

混凝土試件只有在存在孔隙的條件下才能透水?？紫堵试礁撸撛嚰耐杆芰驮礁?，但孔隙率的存在會直接影響混凝土強度，結(jié)合以往工程經(jīng)驗與研究成果，本文選擇16%、20%、24%為目標孔隙率。

2.2 配合比設(shè)計與選擇

張賢超等[9]優(yōu)化了透水混凝土的配合比設(shè)計；凌天清等[10]采取了正交試驗方法，研究了各因素對透水性混凝土的性能影響程度的高低，本文在此基礎(chǔ)上進行后續(xù)研究。

2.2.1 計算配合比

按照規(guī)范要求采用體積法確定透水混凝土的計算配合比，該步驟是在確定原材料參數(shù)與配合比設(shè)計方法后進行的。透水混凝土計算配合比如表3所示。

表3 透水混凝土的計算配合比

2.2.2 基準配合比

在試拌過程中，觀察拌和物的粘聚性、流動性與泌水量是否滿足需要，對用水量進行調(diào)整，本文在水膠比0.3的基礎(chǔ)上增減0.05進行對比研究，得到如表4所示的基準配合比。

表4 基準配合比

2.2.3 最終配合比

根據(jù)基準配合比成型試件后，對孔隙率與強度進行測定，選擇其中滿足要求的配合比進行后續(xù)研究，規(guī)范要求強度值不應(yīng)小于20 MPa，同時通過試驗可得實際孔隙率，它與設(shè)計孔隙率存在一定的差異，試驗結(jié)果如表5所示。

根據(jù)28 d抗壓強度分析發(fā)現(xiàn)，當水膠比為0.28～0.32時，混凝土的孔隙率與抗壓強度效果滿足規(guī)范要求，故在后面的研究中選取水膠比0.28、0.30、0.32時的混凝土配合比作為最終配合比進行研究，其最終配合比如表6所示。

3 技術(shù)性能

透水水泥混凝土不僅要滿足孔隙要求，還要滿足相關(guān)技術(shù)性能的要求。蔣正武等[11]發(fā)現(xiàn)透水混凝土的孔隙率、強度以及透水系數(shù)主要與骨料的粒徑、骨料的級配以及骨灰比相關(guān)。

表5 抗壓強度與孔隙率測試結(jié)果

表6 透水混凝土最終配合比

3.1 孔隙率與有效孔隙率

透水水泥混凝土作為一種透水材料，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為多孔結(jié)構(gòu)。其孔隙結(jié)構(gòu)主要包括連通孔隙(即有效孔隙)、半連通孔隙與非連通孔隙3種。國內(nèi)對有效孔隙率P1的測定主要采用排水法[12]，而測定總孔隙率則在參考已有研究文獻[13]的基礎(chǔ)上再結(jié)合現(xiàn)行國家標準測瀝青混合料試件孔隙率的方法，類比得出一種計算總孔隙率P2的算法。

有效孔隙率P1：

式中：P1為試件有效孔隙率，%；m2為試件烘干24 h后的質(zhì)量，g；m1為試件完全侵入水中24 h后的質(zhì)量，g；ρ為水的密度，g/cm3；V為試件實測體積，cm3。

總孔隙率P2：

式中：P2為試件總孔隙率，%；ρs為透水混凝土毛體積密度，g/cm3；ρt為透水混凝土理論密度，g/cm3；Pc為水泥與碎石的重量比，%；Pf為粉煤灰與碎石的重量比，%；ρc為水泥密度，g/cm3；ρf為粉煤灰密度，g/cm3；ρb為碎石合成毛體積密度，g/cm3；M1、M2…Mn為單種碎石占碎石總質(zhì)量的百分率，%；ρ1、ρ2…ρn為碎石毛體積密度，g/cm3。

透水混凝土實測孔隙率與有效孔隙率如表7所示，二者的關(guān)系如圖1所示。

由圖1可知，有效孔隙率與總孔隙率之間存在良好的線性關(guān)系，且隨著有效孔隙率的增大，總孔隙率也增大。

3.2 強度測試

在工程應(yīng)用中，混凝土強度是首要指標。采用TYA-300C壓力試驗機對透水水泥混凝土試件測定其28 d抗壓強度與抗折強度。研究表明加載速率會影響測試強度[14]，本試驗在考慮設(shè)計強度的情況下按照規(guī)范要求速率進行，試驗結(jié)果如圖2和表8所示，試件破壞后的照片如圖3所示。

表7 目標孔隙率、總孔隙率與有效孔隙率 %

圖1 有效孔隙率與總孔隙率

由圖2可知，有效孔隙率與抗壓強度、抗折強度均存在良好的線性關(guān)系，如圖2(a)、(c)所示；總孔隙率與抗壓強度、抗折強度也存在良好的線性關(guān)系，如圖2(b)、(d)所示?；炷恋目箟簭姸扰c抗折強度隨著孔隙率的增大而減小。

3.3 滲水系數(shù)

混凝土的透水性能一般用滲水系數(shù)來表征，該參數(shù)是用常水頭滲水裝置測試，如圖4所示。

本文按照規(guī)范CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》[3]中儀器原理圖，自制簡易常水頭裝置進行滲水試驗研究。該裝置使用常見PVC塑料薄膜及管材，造價低廉，易拆卸組裝，但當水流過大時會有溢水情況。測試步驟如下：

(a) 有效孔隙率與抗壓強度

(b) 總孔隙率與抗壓強度

(c) 有效孔隙率與抗折強度

(d) 總孔隙率與抗折強度

表8 強度測試結(jié)果

(a) 抗壓破壞

(b) 抗折破壞

(a) 測試原理示意

(b) 現(xiàn)場測試照片

1) 混凝土試件養(yǎng)護至規(guī)定齡期，用鉆芯機和切割機加工試驗試件，試件為直徑100 mm，高度50 mm的圓柱體試件。

2) 用塑料薄膜和透明的止水膠帶將試件的側(cè)面緊密包裹，直至試件只從上下表面透水而側(cè)面不透水為止，需注意試件的上下表面不能是試件的成型面。

3) 將包裹好的試件放入水中浸泡，直至試件表面無氣泡時取出放入透水系數(shù)試驗裝置，將試件與形狀為圓形的透水筒連接在一起，在連接時要注意確保兩者結(jié)合處緊密不漏水。

4) 給試驗裝置供水并觀察在注水過程中裝置是否存在漏水情況，當試驗裝置中的透水圓筒與儲水槽的溢流口都有水流出，且水量比較穩(wěn)定時，用帶有刻度的量筒在儲水槽的溢流口出接水，并記錄5 min時間的出水量。

5) 測量透水圓筒與儲水槽之間的水位差并測量此時的水溫。

6) 常水頭法測透水系數(shù)計算公式如下所示：

式中：Tt為t℃時透水混凝土的透水系數(shù)，mm/s；Q為5 min時間內(nèi)透過的水量，mm3；h為透水試件高度，mm；A為試件上表面積，mm2；T為測試時間，一般為300 s；H為透水圓筒與儲水槽之間的水位差，mm。常水頭法試驗結(jié)果如表9、圖5所示。

表9 常水頭法測試結(jié)果

圖5 有效孔隙率與滲水系數(shù)擬合曲線

由圖5可知，有效孔隙率越大滲水系數(shù)越大，二者之間存在良好的線性關(guān)系。這一結(jié)論與吳國雄等[15]通過正交試驗得出透水混凝土的抗壓強度、抗折強度與其孔隙率成負相關(guān)，透水系數(shù)與其孔隙率成正相關(guān)的結(jié)論一致。

4 結(jié)論

本文主要從原材料、配合比設(shè)計、技術(shù)性能方面對透水水泥混凝土進行了探究，主要認識如下：

1) 在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上類比國內(nèi)瀝青混合料孔隙率計算方法，得到計算透水水泥混凝土總孔隙率的計算公式與不同配合比下的總孔隙率值，同時參照現(xiàn)有規(guī)范中有效孔隙率計算公式計算獲得不同配合比下的有效空隙率值，發(fā)現(xiàn)二者存在著良好的線性關(guān)系。

2) 研究表明有效孔隙率與抗壓強度、抗折強度均存在良好的負相關(guān)，即孔隙率越大，其抗壓強度與抗折強度越小。

3) 采用自制常水頭滲水裝置進行透水泥混凝土透水性能研究結(jié)果表明，透水水泥混凝土的透水系數(shù)與它的孔隙率成正相關(guān)。

4) 本文透水水泥混凝土選材主要來源于重慶地區(qū)，對重慶地區(qū)海綿城市的建設(shè)有一定的參考作用。