體積砂率對透水混凝土性能的影響研究

張傳芹

摘要：本文基于新型透水混凝土的重要應用前景，對透水混凝土性能的機理展開研究，重點考察了體積砂率的影響，得到了透水混凝土抗壓強度、有效孔隙率及透水系數(shù)的。主要研究表明：透水混凝土抗壓強度隨著體積砂率增加表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢;不同級配下有效孔隙率隨體積砂率均表現(xiàn)出增長的規(guī)律;透水系數(shù)隨體積砂率的增加而增加，整體上來看采用高級配的碎石會提高透水混凝土的有透水系數(shù)，但僅限在較小的數(shù)值區(qū)間內(nèi)變化。

Abstract： Based on the important application prospects of the new material permeable concrete， this paper has launched a research on its performance. We focused on the influence of volumetric sand rate， and obtained the compressive strength， effective porosity and water permeability coefficient of pervious concrete. The main research shows that the compressive strength of permeable concrete first increases and then decreases with the increase of the volume sand ratio. The effective porosity increases with the volume sand ratio under different gradations. The permeability coefficient increases with the increase of the volumetric sand rate. On the whole， high-grade gravel will increase the permeability coefficient of permeable concrete， but it can only change within a small numerical range.

關鍵詞：透水混凝土;體積砂率;抗壓強度;有效孔隙率;透水系數(shù)

Key words： permeable concrete;volume sand rate;compressive strength;effective porosity;permeability coefficien

中圖分類號：TU528.01? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）31-0146-04

0? 引言

透水混凝土是由粗骨料及其表面均勻包裹的水泥基膠結(jié)料相互粘結(jié)，并經(jīng)水化硬化后形成的具有連續(xù)空隙結(jié)構(gòu)的混凝土[1]。作為新型生態(tài)環(huán)保型產(chǎn)品，透水混凝土不但具有良好的吸聲降噪及抗滑性能，而且還具有吸熱、凈化水質(zhì)等諸多優(yōu)點[2-4]，透水混凝土中大量的有效孔隙能使雨水快速滲入地下，對促進地下水循環(huán)，改善城市的生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。目前廣泛應用在人行道、步行街、居住小區(qū)道路、非機動車道和一定荷載的停車場等路面工程。

國內(nèi)外學者針對無砂透水混凝土的配合比設計及力學、透水、耐久性等性能進行了大量的研究，取得了豐碩的成果[5-7]。無砂透水混凝土的強度與透水系數(shù)是呈反向關系，即強度越高，其透水性能就越低，通過研究發(fā)現(xiàn)若在配料中摻入少量細砂不僅可以保證其透水性能還可以提高其強度。然而，關于透水混凝土配合比設計參數(shù)與性能之間的關系方面目前尚缺乏系統(tǒng)性的理論支撐。因此開展體積砂率對透水混凝土性能的影響以及相關性研究，對推動透水混凝土的發(fā)展和應用具有重要的指導意義。

本文通過試驗系統(tǒng)研究了體積砂率（0%、5%、10%、15%、20%）對透水混凝土的抗壓強度、有效孔隙率及透水系數(shù)的影響，更好地推動了透水性混凝土這種新型材料的發(fā)展，亦為實際工程的應用提供重要參考依據(jù)。

1? 試驗

1.1 試驗原材料

本次試驗采用P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，其主要性能指標見表1所示。粗集料為單一粒徑為4.75～9.5mm、9.5～13.2mm的普通碎石，細集料采用特細砂，集料的主要性能指標見表2所示。減水劑（SP）為聚羧酸高效減水劑，其減水率20.1%，固體含量25.4%，比重為1.04。拌合用水為自來水。

1.2 攪拌及成型方式

本實驗中采用二次投料法，即先將骨料加入攪拌機，加入約30%的水，攪拌60s以保證骨料表面潤濕適當，然后將稱量好的水泥加入攪拌機再攪拌60s，最后將剩余的水與外加劑混勻加入攪拌機再攪拌60s。此投料方法的優(yōu)點在于骨料提前潤濕后，再加入水泥，水泥在機械攪拌的作用下能夠更均勻的包裹在骨料表面，形成水泥包裹層，最后再將剩余的水和外加劑混合加入，用來形成流動度適宜的混凝土拌合料，被水泥漿均勻包裹的骨料顆粒之間以點或面相互接觸的方式粘結(jié)在一起，有利于提高透水混凝土孔隙率和強度。（圖1）

試驗混凝土成型采用150mm×150mm×150mm的塑料試模，將拌合物分三層裝入涂油的試模內(nèi)，每層插搗25下，第二層裝完插搗后在塑料試模上套上邊長為150mm的鋼模，在第三層插搗完畢之后進行人工錘擊夯實。由于透水混凝土水泥漿較少，成型時若采用機械振搗會使水泥漿沉積在試件底部，會造成混凝土底部封閉，進而影響透水能力。這里采用的是錘擊密實的方法，每個試件用橡膠錘擊60下。在錘擊密實后，將超過試模的部分用抹刀抹平。

1.3 配合比設計

透水混凝土的配合比設計首先要考慮的是孔隙率。透水混凝土目標孔隙率設定可以直接影響其實際孔隙率的大小?？紫堵试礁咄杆砸簿驮胶?。但孔隙率越高，透水混凝土的內(nèi)部缺陷會影響其強度。因此在對混凝土強度有要求的情況下，要合理設定目標孔隙率[8-10]。由于透水混凝土的透水性和強度兩者是沖突的，所以在配合比設計中要選取適當?shù)哪繕丝紫堵?。配合比計算步驟：

①確定1m3混凝土中粗骨料的用量mg。

每立方米混凝土粗骨料的用量為其緊密堆積狀態(tài)下的質(zhì)量乘以折減系數(shù)，見式（1）。

mg=？琢P0（1）

式中，P0—粗骨料的緊密堆積密度（kg·m-3）;？琢—折減系數(shù)，取0.98。

②確定粗骨料的空隙率V，見式（2）。

V=1-（2）

式中，？籽0—粗骨料的表觀密度（kg·m-3）。

③確定1m3水泥的用量mc，見式（3）。

式中，mc—水泥的質(zhì)量（kg）;？籽c—水泥的密度（kg·m-3）; mw—水的質(zhì)量（kg）;？籽c—水泥的密度（kg·m-3）;mg—粗骨料的質(zhì)量（kg）;？籽g—粗骨料的密度（kg·m-3）;mj—外加劑的質(zhì)量（kg）;？籽j—外加劑的密度（kg·m-3）;P—目標孔隙率（%）。

由上式可得水泥的質(zhì)量mc，見式（4）：

（4）

式中， w/c—水灰比;j/c—外加劑的摻量。

④確定其他材料的用量。

⑤根據(jù)不同的要求計算透水混凝土實驗的配合比。

1.4 試驗參數(shù)測定

1.4.1 抗壓強度測定方法

混凝土試件抗壓強度實驗參考GB/T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行試驗[11]。實驗采用試件規(guī)格為150mm×150mm×150mm，在標準養(yǎng)護條件養(yǎng)護28天后取出進行實驗?；炷猎嚰目箟簭姸扔嬎惆词剑?）計算：fce=■（5）

式中，fce—混凝土立方體試件抗壓強度（MPa）; F—破壞荷載（N）; A—承壓面積（mm2）。

1.4.2 有效孔隙率測定方法

透水混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔隙由三部分組成，即封閉孔隙、半連通孔隙、連通孔隙三種。其中連通孔隙和半連通孔隙稱為有效孔隙，是保證混凝土透水性能的關鍵。本文試驗中主要測定透水混凝土的有效孔隙率。目前，測定有效孔隙率的方法有體積法和重量法兩種[12-13]。這兩種方法各有優(yōu)缺點，體積法的優(yōu)點是測定結(jié)果精確，缺點是操作復雜而且需要比較專業(yè)的儀器;重量法的優(yōu)點是操作簡便，可快速測定透水混凝土的孔隙率，缺點是的測定精度沒有體積法高。本文試驗中采用重量法測定透水混凝土試件的有效孔隙率，用到的主要儀器是電子秤與游標卡尺，其具體過程如下：

①將透水混凝土試件養(yǎng)護好后放在105±5℃的干燥箱中烘干至恒重，取出后將其冷卻至室溫并計算其體積v。

②將試件全部浸泡在水中，直到無氣泡出現(xiàn)時再讀取試件在水中的重量m1。

③取出試件，放在60℃烘箱中烘24h后稱量試件的重量m2。

④按式（6）計算透水混凝土試件的有效孔隙率Pe：

⑤按以上步驟測試每組試件的孔隙率，取每組三個試件的算術平均值作為該組試件的測試結(jié)果。

1.4.3 透水系數(shù)的測定方法

透水混凝土作為具有透水功能的特殊混凝土，透水系數(shù)是評價其透水能力的大小的重要指標，當水的物理性質(zhì)一定時，透水系數(shù)主要決定于透水混凝土本身的結(jié)構(gòu)特性，是表現(xiàn)水在其中流動難易程度的指標。

本文參考《透水水泥混凝土路面技術規(guī)程》[14]標準進行測定混凝土的透水系數(shù)。測定過程：將原150mm×150mm×150mm的標準立方體試件先鉆芯成？準100×150mm的試件。再將試件進行切割制成？準100×50mm的透水試件。然后將試件用清水沖洗干凈，避免切割過程中石屑或粉末堵塞孔隙，影響透水性。清理完畢后，將？準100×50mm試件裝入透水裝置的圓柱桶內(nèi)，先用橡皮泥裹在試件的四周再纏繞塑料膠帶使其側(cè)面密封不漏水，使水僅從試樣的上下表面進行滲透。打開水龍頭，使水進入圓柱桶中，等圓柱桶內(nèi)的出水口有水流出時，調(diào)整進水量使透水裝置保持一定水位高度，等到圓柱桶和透水裝置的出水口的出水量均穩(wěn)定后，用量筒從透水裝置的出水口記錄60s流出的水量并測量兩者的水位高度差。因鉆心切割過程會存在誤差，還需具體測量所用試件的直徑和高度并記錄。最后根據(jù)式（7）計算透水系數(shù)。每小組實驗結(jié)果以三個試件的平均值表示。

Kt=（7）

式中，Kt—透水系數(shù)（mm·s-1）;Q—時間t內(nèi)的滲出水量（mm3）;L—試件的厚度（mm）;A—試樣的上表面面積（mm2）; H—水位差（mm）;t—時間（s）。

2? 試驗結(jié)果及分析

體積砂率指砂子等體積取代水泥的比率。在透水混凝土中使用砂子取代部分水泥，可以在不過于影響透水混凝土強度和透水性能的情況下，起到節(jié)約生產(chǎn)成本、減少資源損耗等作用。本文選用的兩種級配分別為4.75～9.5mm和9.5～13.2mm單粒級碎石，體積砂率0%、5%、10%、15%、20%，目標孔隙率20%、水灰比0.3。

2.1 體積砂率對抗壓強度的影響

透水混凝土在保持相同孔隙率的情況下，一般隨著體積砂率增大混凝土的強度呈降低趨勢，而當透水混凝土中膠結(jié)材用量比較大時，適當增加體積砂率而透水混凝土的強度卻有所提高。這主要是因為當膠結(jié)材用量較多時，用砂等體積取代部分水泥用量，此時砂和水泥形成的砂漿混合料能充分包裹骨料表面，促使顆粒之間形成較強的膠結(jié)層。同時砂用量的增加還提高了混凝土整體的剛度，因此其強度會得以提高[15-17]。當體積砂率增加到一定程度時，由于膠結(jié)材不足，膠結(jié)材與砂子間形成松散的砂漿混合料，砂漿混合料的粘結(jié)強度較低不能很好的包裹骨料，所以致使混凝土強度下降。通過以上分析，我們得出在通常情況下，用砂取代部分膠結(jié)材量透水混凝土的強度降低，但當混凝土膠結(jié)材用量較多時，用砂取代部分膠結(jié)材量，混凝土的強度卻有所提高。

由圖2可以看出，用砂子等體積取代水泥對透水混凝土強度產(chǎn)生較大影響。透水混凝土強度隨著體積砂率增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，分析其原因是砂和水泥形成的砂漿混合料充分包裹骨料表面，促使顆粒之間形成較強的膠結(jié)層，因此導致強度有部分的提高。當粗骨料全部使用4.75～9.5mm粒徑的碎石時，在體積砂率為5%時強度達到最大;當粗骨料全部使用9.50～13.20mm粒徑的碎石時，在體積砂率為5%時強度達到最大，并且在體積砂率從15～20%時強度出現(xiàn)近線性的下滑，這是由于砂漿混合料的粘結(jié)強度較低不能很好的包裹骨料，引起混凝土強度下降。

2.2 體積砂率對有效孔隙率的影響

圖3給出了有效孔隙率隨體積砂率的變化情況。可以看出，不同級配下有效孔隙率隨體積砂率均表現(xiàn)出增長的趨勢，但當使用4.75～9.5mm粒徑的碎石拌和透水混凝土時的增長幅度小于9.50～13.20mm粒徑的碎石。整體上來看，采用高級配的碎石會提高透水混凝土的有效孔隙率。

為進一步分析有效孔隙率隨體積砂率的影響，通過最小二乘法擬合，我們得到體積砂率對有效孔隙率的變化的表達式為：

低級配擬合方程：

高級配擬合方程：

此外，通過擬合公式我們可以估算得到在任意體積砂率下透水混凝土的有效孔隙率，為工程設計提供參考。

2.3 體積砂率對透水系數(shù)的影響

透水混凝土透水系數(shù)的變化趨勢與其有效孔隙率的變化趨勢基本一致?？傮w上透水系數(shù)隨體積砂率的增加而增加，影響混凝土透水性能的關鍵因素是內(nèi)部連通孔隙的數(shù)量與分布情況，孔隙率增大，連通孔隙將相對增多，透水過水面積增大，孔壁對水的阻力相應減小，進而導致透水系數(shù)增大。整體上來看，采用高級配的碎石會提高透水混凝土的透水系數(shù)。由圖4可以看出，透水系數(shù)在較小的數(shù)值區(qū)間內(nèi)增長，即體積砂率對其透水性能影響作用較小。

3? 結(jié)論

本文通過試驗系統(tǒng)研究了體積砂率（0%、5%、10%、15%、20%）對透水混凝土的抗壓強度、有效孔隙率及透水系數(shù)的影響，得出以下重要結(jié)論：①由于砂和水泥形成的砂漿混合料充分包裹骨料表面，促使顆粒之間形成較強的膠結(jié)層，透水混凝土強度隨著體積砂率增加表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，且抗壓強度隨級配的增加呈現(xiàn)出降低的變化規(guī)律。②不同級配下有效孔隙率隨體積砂率均表現(xiàn)出增長的趨勢，且較高級配的碎石會提高透水混凝土的有效孔隙率，體積砂率對有效孔隙率的變化呈現(xiàn)出線性變化規(guī)律。③透水系數(shù)隨體積砂率的增加而增加，整體上來看采用高級配的碎石會提高透水混凝土的有透水系數(shù)，但僅限在較小的數(shù)值區(qū)間內(nèi)變化。

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