不同骨料粒徑對(duì)透水混凝土性能影響研究

唐海玥，閆紓梅

（1.北京城市學(xué)院，北京 100083；2.鄂爾多斯市公路勘測設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

透水混凝土是一種新型生態(tài)環(huán)?；炷?，主要 由粗骨料、水泥和水拌合而成［1］。由于它不包含細(xì)集料，內(nèi)部形成了連通孔隙率的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，使得透水混凝土具有優(yōu)良的透水、透氣性能，逐漸在道路及庭院路面中得到了廣泛應(yīng)用［2-3］。作為一種生態(tài)友好型的混凝土材料，透水混凝土的性能及應(yīng)用價(jià)值倍受廣大學(xué)者重視［4-8］。

目前，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度對(duì)透水混凝土展開了大量研究。如徐行軍［9］等認(rèn)為透水混凝土抗壓強(qiáng)度值與水膠比、目標(biāo)孔隙率均具有較大相關(guān)性，采用靜壓成型方式比采用振動(dòng)成型方式有利于透水系數(shù)的提高。陳瀟［10］等認(rèn)為在進(jìn)行透水混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過調(diào)控漿體的流變特性，達(dá)到兼顧透水混凝土力學(xué)性能與透水性能的目的。凌天清［11］等認(rèn)為采用9.5 mm篩孔通過率70%、設(shè)計(jì)空隙率15%～20%、水膠比0.35的配合比合計(jì)可同時(shí)保證透水混凝土的強(qiáng)度和透水性能。于福［12］等采用磷酸鎂水泥制備的透水混凝土28 d抗壓強(qiáng)度25.8 MPa，抗折強(qiáng)度為5.6 MPa，透水系數(shù)為8.83 cm／s，且具有良好的植生特性。上述研究主要是從配合比設(shè)計(jì)、成型方式以及材料特性等方面展開，而針對(duì)骨料粒徑對(duì)透水混凝土性能的影響研究還有待進(jìn)一步提升。基于此，深入研究了不同水灰比條件下骨料粒徑變化對(duì)透水混凝土力學(xué)性能、物理性能及透水性能的影響，并確定了制備透水混凝土的較優(yōu)水灰比和碎石骨料粒徑，為道路及建筑庭院路面透水混凝土的應(yīng)用和研究提供了一定的數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

a.水泥：采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能及主要化學(xué)組成分別見表1、表2。

表1 水泥性能指標(biāo)Table 1 Cement performance indicators

表2 水泥主要化學(xué)成分Table 2 Main chemical components of cement%

b.骨料：采用不同骨料粒徑的玄武巖碎石作為粗集料，按照《建設(shè)用卵石、碎石》（GB／T14685-2011）規(guī)范要求，其性能指標(biāo)見表3。

c.礦物摻合料采用硅灰，比表面積為22 m2／kg，燒失量3.8%，含水率0.8%。外加劑采用聚羧酸高效減水劑，減水率為30%，含氣量為2.7%，沁水率為0.6%。透水混凝土膠結(jié)劑采用DC-C3型膠粘劑。拌合水采用實(shí)驗(yàn)室自來水。

表3 玄武巖碎石性能指標(biāo)Table 3 Basalt gravel performance indicators

1.2 配合比設(shè)計(jì)

為研究骨料粒徑對(duì)透水混凝土性能的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)孔隙率為20%，水灰比分別為0.25、0.30及0.35的3種基準(zhǔn)配合比進(jìn)行對(duì)比分析，硅灰、聚羧酸高效減水劑及膠結(jié)劑摻量分別為膠凝材料質(zhì)量的8%、1%和2%，配合比計(jì)算采用體積法，不同水灰比透水混凝土基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)見表4。

表4 透水混凝土基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)Table 4 Design of permeable concrete reference mix ratio kg／m3

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)分別制備由不同骨料粒徑組成的透水混凝土試件，其中抗折強(qiáng)度測試試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，抗壓強(qiáng)度、孔隙率及透水系數(shù)測試試件尺寸均為150 mm×150 mm×550 mm。根據(jù) 《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》 （GB／T50081-2002）規(guī)范要求，采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)混凝土試件進(jìn)行力學(xué)性能測試。透水混凝土孔隙率采用重量法則進(jìn)行測量，透水系數(shù)采用水頭法則測量，具體計(jì)算公式如下：

a.透水混凝土孔隙率公式 （1）進(jìn)行計(jì)算。

式中：P代表混凝土開口孔隙率，%；m1代表混凝土在水中稱取的質(zhì)量，g；m2代表混凝土在空氣中稱取的質(zhì)量，g；V代表混凝土的表觀體積，cm3；

b.根據(jù)達(dá)西定律，透水混凝土透水系數(shù)可按公式 （2）進(jìn)行計(jì)算。式中：K代表混凝土透水系數(shù)，mm／s；Q代表單位時(shí)間內(nèi)溢出的水量，mm3／s；A代表混凝土試件的橫截面積，mm2；L代表混凝土試件的厚度，mm；H代表水頭差，mm。

3 結(jié)果與分析

骨料作為混凝土的主要結(jié)構(gòu)骨架，其粒徑大小對(duì)透水混凝土的基本性能有著較大影響。試驗(yàn)分別從透水混凝土試件的力學(xué)性能、物理性能和透水性能3個(gè)方面進(jìn)行研究，針對(duì)相同目標(biāo)孔隙率和不同水灰比條件下，骨料粒徑變化對(duì)透水混凝土性能的影響規(guī)律展開對(duì)比分析，具體分析過程如下。

3.1 力學(xué)性能

為研究不同骨料粒徑對(duì)透水混凝土力學(xué)性能的影響，設(shè)定混凝土試件目標(biāo)孔隙率為20%，水灰比變化范圍在0.25～0.35，針對(duì)由5組不同骨料粒徑制成的透水混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析，試驗(yàn)結(jié)果分別見圖1、圖2。

圖1 試件抗壓強(qiáng)度變化曲線Figure 1 Test piece compressive strength variation curve

圖2 試件抗折強(qiáng)度變化曲線Figure 2 Test piece bending strength change curve

根據(jù)圖1可知，在不同水灰比條件下，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度均隨著骨料粒徑的增大而減小，其中骨料粒徑由4.75～9.5 mm增至9.5～16 mm時(shí)，抗壓強(qiáng)度減小趨勢較弱，而骨料粒徑由9.5～16 mm增至26.5～31.5 mm時(shí)，抗壓強(qiáng)度減小趨勢較大，說明較大的骨料粒徑會(huì)導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度下降，原因是骨料粒徑的增大會(huì)造成混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)間的孔隙增大，骨料間的接觸點(diǎn)減少，從而降低了結(jié)構(gòu)骨架的整體強(qiáng)度。隨著水灰比增大，不同骨料粒徑的混凝土抗壓強(qiáng)度均不斷下降，水灰比由0.25增至0.30時(shí)，抗壓強(qiáng)度下降趨勢相對(duì)較小，而當(dāng)水灰比超過0.30后，抗壓強(qiáng)度下降趨勢相對(duì)較大。由此可知過大的水灰比和骨料粒徑均會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度下降，為保證透水混凝土抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，骨料粒徑和水灰比越小越好。

根據(jù)圖2可知，隨著水灰比增大，不同骨料粒徑的混凝土抗折強(qiáng)度均不斷下降，水灰比由0.25增至0.30時(shí)，抗折強(qiáng)度下降趨勢相對(duì)較小，而當(dāng)水灰比超過0.30后，抗折強(qiáng)度下降趨勢相對(duì)較大。在不同水灰比條件下，混凝土試件的抗折強(qiáng)度均隨著骨料粒徑的增大而減小，說明較大的骨料粒徑會(huì)導(dǎo)致混凝土抗折強(qiáng)度下降，原因是隨著混凝土內(nèi)部骨料粒徑增大，骨料間的接觸點(diǎn)與接觸面積減少，從而降低了結(jié)構(gòu)骨架的整體強(qiáng)度。因此，為保證透水混凝土具有較好的抗折強(qiáng)度，骨料粒徑和水灰比均不宜過大。綜上所述，結(jié)合對(duì)試件抗壓和抗折強(qiáng)度的分析，骨料粒徑選擇4.75～9.5 mm和9.5～16 mm，水灰比選擇0.25～0.30時(shí)，透水混凝土的力學(xué)性能相對(duì)較優(yōu)。

3.2 物理性能

為研究不同骨料粒徑對(duì)透水混凝土物理性能的影響，設(shè)定混凝土試件目標(biāo)孔隙率為20%，水灰比變化范圍在0.25～0.35，針對(duì)由5組不同骨料粒徑制成的透水混凝土孔隙率進(jìn)行對(duì)比分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3可知，不同骨料粒徑的混凝土孔隙率均隨著水灰比增大而減小，其中水灰比由0.25增至0.30時(shí)，孔隙率減小趨勢相對(duì)較小，而當(dāng)水灰比超過0.30后，孔隙率減小趨勢相對(duì)較大。在不同水灰比條件下，隨著骨料粒徑增大，混凝土試件的孔隙率整體呈增大趨勢。其中骨料粒徑在4.75～9.5 mm增至9.5～16 mm、19～26.5 mm增至26.5～31.5 mm兩個(gè)階段內(nèi)，孔隙率增大趨勢較大；而骨料粒徑由9.5～16 mm增至19～26.5 mm時(shí)，孔隙率變化較小。說明骨料粒徑增大有利于提升混凝土實(shí)測孔隙率，原因是骨料粒徑增大會(huì)造成混凝土內(nèi)部碎石間的間隙增大，有效孔隙增多。由此可知，對(duì)于提升透水混凝土的物理性能而言，骨料粒徑越大越好，水灰比越小越好。

圖3 試件孔隙率變化曲線Figure 3 Sample porosity curve

3.3 透水性能

為研究不同骨料粒徑對(duì)透水混凝土透水性能的影響，設(shè)定混凝土試件目標(biāo)孔隙率為20%，水灰比變化范圍在0.25～0.35，并針對(duì)由5組不同骨料粒徑制成的透水混凝土透水系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 試件透水系數(shù)變化曲線Figure 4 Test piece permeability coefficient curve

根據(jù)圖4可知，不同骨料粒徑的混凝土透水系數(shù)均隨著水灰比的增大而減小，且減小幅度隨著骨料粒徑的增大而逐漸增大，說明水灰比對(duì)骨料粒徑較大的混凝土透水系數(shù)影響相對(duì)較大，降低水灰比有利于提升其透水性能。在不同水灰比條件下，隨著骨料粒徑的增大，混凝土試件的透水系數(shù)基本呈增大趨勢變化，除骨料粒徑由9.5～16 mm增至16～19 mm時(shí)透水系數(shù)有所減小外，整體來看骨料粒徑的增大是有利于提升混凝土透水性能的，且骨料粒徑越大透水性能越好。由于較大的骨料粒徑會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度不足，而較小的骨料粒徑會(huì)造成混凝土透水性能不佳，因此綜合考慮骨料粒徑對(duì)透水混凝土力學(xué)性能、物理性能和透水性能的影響，選擇骨料粒徑在9.5～16 mm范圍的玄武巖碎石，水灰比在0.25～0.30范圍制備的透水混凝土綜合性能相對(duì)較優(yōu)。

4 結(jié)論

通過室內(nèi)對(duì)比試驗(yàn)，深入研究了不同水灰比條件下，骨料粒徑變化對(duì)透水混凝土力學(xué)性能、物理性能及透水性能的影響規(guī)律。得到以下主要結(jié)論：水灰比增大會(huì)降低不同骨料粒徑透水混凝土的強(qiáng)度和透水性，應(yīng)控制在0.25～0.30之間；較大的骨料粒徑會(huì)導(dǎo)致混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度不足，而較小的骨料粒徑會(huì)造成混凝土孔隙率和透水系數(shù)減小，因此綜合考慮骨料粒徑對(duì)透水混凝土力學(xué)性能、物理性能和透水性能的影響，選擇骨料粒徑在9.5～16 mm范圍的玄武巖碎石制備的透水混凝土綜合性能相對(duì)較優(yōu)。研究成果可為類似透水混凝土骨料粒徑的選擇和研究提供借鑒和參考。