透水混凝土抗堵塞性能研究

韋萬(wàn)峰，熊劍平，周勝波，禤煒安，謝政專(zhuān)

（1.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530007；2.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007；3.高等級(jí)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，廣西 南寧 530007）

透水混凝土由骨料、膠凝材料、空隙組成，其膠凝材料的總體積要小于骨料間的空隙，故透水混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中存在大量的聯(lián)通空隙，一般透水混凝土的空隙率為15%～25%[1]。透水混凝土路面是一種重要的可持續(xù)城市排水系統(tǒng)[2-3]，其透水性的實(shí)現(xiàn)是基于結(jié)構(gòu)中的聯(lián)通空隙，這部分空隙能有效將地面的水分引入到地下，補(bǔ)給地下水資源，降低路面塌陷風(fēng)險(xiǎn)，并防止路面積水，減少城市的洪澇災(zāi)害[4-5]。由于透水混凝土內(nèi)部存在大量相互連通的間隙或微孔，聲波在透水混凝土內(nèi)部傳播會(huì)不斷反射耗散，雨水徑流中的污染物也會(huì)吸附在空隙內(nèi)壁，因此透水混凝土還兼具吸聲降噪[6-7]，凈化水質(zhì)的功能[8-9]。然而，透水混凝土的透水性會(huì)因空隙堵塞而逐漸失效，如圖1所示[2]。降雨在路面上形成的徑流往往含有大量的泥沙、懸浮物等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)隨著水流在混凝土的空隙中不斷沉積、聚集，尤其是水流中含有黏性有機(jī)物的情況下，雜質(zhì)會(huì)發(fā)生團(tuán)聚。當(dāng)堵塞物團(tuán)聚到一定程度時(shí)，混凝土的空隙就會(huì)被堵塞[10]。

圖1 堵塞物在透水混凝土表面及上部的沉積示意

如何保持混凝土透水的長(zhǎng)效性是目前急需解決的問(wèn)題，而透水混凝土的抗堵塞性能與透水性直接相關(guān)，通過(guò)分析混凝土堵塞機(jī)制可以更好地保障其透水的長(zhǎng)效性，進(jìn)而指導(dǎo)透水混凝土的設(shè)計(jì)與制備。Reiser等[11]把透水混凝土路面的堵塞分為兩類(lèi)：一類(lèi)是因堵塞物緩慢沉積造成的堵塞；另一類(lèi)是山洪暴發(fā)等背景下，地表徑流中含有大量泥沙，造成透水混凝土的快速堵塞。為了研究透水混凝土的快速堵塞機(jī)制與過(guò)程，崔新壯等[1]基于電導(dǎo)率與聯(lián)通空隙率的相關(guān)性研制了測(cè)試透水混凝土透水率的設(shè)備，分析了空隙率、砂礫粒徑、地表徑流對(duì)透水混凝土堵塞進(jìn)程的影響，表示混凝土堵塞會(huì)經(jīng)歷3個(gè)過(guò)程：（1）孔隙快速堵塞；（2）孔隙部分恢復(fù)；（3）孔隙緩慢堵塞。相對(duì)于粗砂、細(xì)砂而言，全級(jí)配砂礫更容易造成透水混凝土的堵塞。蔣瑋等[12]研究了多空瀝青混合料的抗堵塞性能，發(fā)現(xiàn)空隙率、公稱(chēng)最大粒徑的增大有利于增強(qiáng)瀝青混合料的抗堵塞能力，瀝青混合料容易發(fā)生堵塞的位置位于試件上部30 mm內(nèi)，瀝青混合料不同部位的關(guān)鍵堵塞物粒徑亦不同。關(guān)于透水混凝土的堵塞機(jī)制及不同空隙狀態(tài)下的關(guān)鍵堵塞物粒徑目前仍不清楚，本文基于體積法控制混凝土空隙率，采用變水頭測(cè)量裝置測(cè)試混凝土的透水系數(shù)，分析混凝土空隙率與透水系數(shù)的關(guān)系；通過(guò)在透水混凝土表面均勻添加堵塞物質(zhì)的方式，研究不同粒徑、不同性質(zhì)堵塞物對(duì)透水混凝土堵塞進(jìn)程的影響，并分析不同空隙率下透水混凝土的抗堵塞能力。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

集料：透水混凝土由10～20 mm單粒徑集料組成骨架，性能參數(shù)見(jiàn)表1；水泥：蒲廟牌P·O42.5水泥，技術(shù)性能見(jiàn)表2；拌和水：自來(lái)水；減水劑：重慶振邦聚羧酸高效減水劑，固含量為10%，減水率為20%。

表1 集料的技術(shù)性能參數(shù)

表2 水泥的主要技術(shù)性能

1.2 透水混凝土的配合比及制備工藝

1.2.1 透水混凝土的配合比

透水混凝土的結(jié)構(gòu)介于骨料堆積和普通混凝土狀態(tài)之間，膠結(jié)料將骨料粘接在一起，形成強(qiáng)度。透水混凝土配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中，要注意控制膠凝材料的用量，更應(yīng)該注重膠結(jié)料漿體的流動(dòng)性與混凝土孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系。如果膠結(jié)料漿體的流動(dòng)性過(guò)大，透水混凝土成型時(shí)會(huì)面臨很大的“堵孔”、“封底”的風(fēng)險(xiǎn)，這樣成型的混凝土不具有透水功能?；隗w積控制法計(jì)算透水混凝土中各種原材料的用量，實(shí)現(xiàn)混凝土空隙率的可控性，不同空隙率下透水混凝土的配合比見(jiàn)表3。

表3 透水混凝土配合比

1.2.2 制備工藝

混凝土的拌和采用水泥裹石法：先將集料和50%用水量加入攪拌機(jī)拌和30 s，再加入水泥、減水劑拌和40 s，最后加入剩余用水量拌和50 s。透水混凝土采用插搗方式成型：混凝土分2層裝入模具中，每層插搗次數(shù)為25次，每層插搗完畢時(shí)，應(yīng)該用橡皮錘敲擊模具側(cè)壁5次。

1.3 混凝土透水系數(shù)測(cè)試方法

混凝土透水系數(shù)的測(cè)量裝置通常分為兩類(lèi)：一類(lèi)是常水頭透水系數(shù)測(cè)量裝置，另一類(lèi)是變水頭透水系數(shù)測(cè)量裝置。試驗(yàn)用水為自來(lái)水，考慮到采用自來(lái)水作為測(cè)試用水可能對(duì)常水頭試驗(yàn)方法影響較大，因?yàn)樽詠?lái)水中的氣泡會(huì)對(duì)混凝土中的空隙形成堵塞效應(yīng)，隨著測(cè)試的進(jìn)行，可能會(huì)造成混凝土透水系數(shù)的測(cè)試數(shù)據(jù)偏小[13]，故本試驗(yàn)采用變水頭測(cè)量裝置測(cè)試混凝土的透水系數(shù)，如圖2所示。

透水儀是一個(gè)透明有機(jī)玻璃框，尺寸為152 mm×152 mm×350 mm。試驗(yàn)具體步驟如下：（1）將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的150 mm×150 mm×150 mm混凝土試件嵌套進(jìn)入有機(jī)玻璃框中，如圖2（b）所示，然后用橡皮泥將透水混凝土頂面與有機(jī)玻璃框的縫隙密封，防止水的側(cè)漏；（2）將水注入有機(jī)玻璃框中，加水至刻度160 mm處為止；（3）記錄裝置內(nèi)水位高度從距試樣上表面110 mm至10 mm的時(shí)間，精確至0.01 s。

圖2 混凝土透水系數(shù)測(cè)試裝置

混凝土試件透水系數(shù)按式（1）計(jì)算：

式中：K——試件的透水系數(shù)，mm/s；

Q——水位高度從距試樣上表面110 mm至10 mm的水量，mL；

A——試件上表面透水面積，mm；

t——水位高度從距試樣上表面110 mm至10 mm所消耗的時(shí)間，s。

1.4 混凝土堵塞試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）堵塞物質(zhì)：本試驗(yàn)堵塞物質(zhì)包括玄武巖砂礫和黃泥。玄武巖砂礫：分別為0.15～0.3 mm、0.3～0.6 mm、0.6～1.18 mm、1.18～2.36 mm的單粒徑砂礫以及全級(jí)配砂礫，其中全級(jí)配砂礫按m（0.15～0.3 mm砂礫）∶m（0.3～0.6 mm砂礫）∶m（0.6～1.18 mm砂礫）∶m（1.18～2.36 mm砂礫）=8∶15∶37∶40摻配；黃泥的粒徑為0.6～2.36 mm。

（2）堵塞模式：堵塞次數(shù)計(jì)劃為8次，每次堵塞物質(zhì)質(zhì)量為20 g，將堵塞物質(zhì)均勻鋪撒在試件表面，總計(jì)堵塞物質(zhì)160 g（但有的堵塞物對(duì)透水混凝土的堵塞較嚴(yán)重，可能堵塞次數(shù)會(huì)小于8次，當(dāng)透水混凝土的透水系數(shù)小于0.5 mm/s時(shí)，便不再往混凝土中加入堵塞物）。

（3）堵塞試驗(yàn)具體步驟：先將透水混凝土試樣側(cè)表面涂抹1層石蠟進(jìn)行密封，再裝入自制的變水頭透水系數(shù)測(cè)定裝置中，最后將試樣與透水系數(shù)測(cè)定裝置之間的縫隙用橡皮泥封堵住，防止側(cè)漏，并在透水混凝土下方放置1個(gè)0.075 mm的篩子。

將淋浴噴頭打開(kāi)，采用變水頭的方法測(cè)試透水混凝土的初始透水系數(shù)。待裝置中的水完全流盡后，將20 g的堵塞物質(zhì)均勻地鋪灑在透水混凝土的上表面，然后緩慢打開(kāi)淋浴噴頭向試驗(yàn)裝置中注水，注水過(guò)程中保證水的下落狀態(tài)為滴落狀以模擬實(shí)際雨水下落時(shí)對(duì)混凝土表面堵塞物質(zhì)的沖擊，該過(guò)程保持2 min，然后采用變水頭的方法測(cè)試透水混凝土的透水系數(shù)，重復(fù)以上堵塞步驟，得到每次堵塞后混凝土的透水系數(shù)。

（4）堵塞率：通過(guò)定義透水混凝土的堵塞率反映滲透系數(shù)的衰減及混凝土的堵塞情況，按式（2）計(jì)算：

式中：B——堵塞率，%；

ki——透水混凝土經(jīng)過(guò)i次堵塞后的滲透系數(shù)，mm/s；

KS——透水混凝土的初始滲透系數(shù)，mm/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 空隙率對(duì)混凝土初始透水系數(shù)的影響

空隙率是影響混凝土透水系數(shù)最重要的因素，混凝土空隙率與透水系數(shù)的關(guān)系如表4所示。

表4 不同空隙率下混凝土的透水系數(shù)

由表4可見(jiàn)，隨著空隙率的增大，混凝土的透水系數(shù)逐漸增大，這說(shuō)明空隙率的增大有利于混凝土的透水?，F(xiàn)階段，CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》要求排水路面的透水系數(shù)不小于0.5 mm/s，而由表4可以看到，當(dāng)混凝土的連續(xù)空隙率為15%時(shí)，其透水系數(shù)便能達(dá)到1.87 mm/s。對(duì)混凝土空隙率與透水系數(shù)進(jìn)行了線(xiàn)性回歸分析，R2達(dá)到0.9661，這說(shuō)明混凝土空隙率與透水系數(shù)間存在高度的線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)混凝土連續(xù)空隙率大小就可以判斷其透水性能。

2.2 不同粒徑堵塞物對(duì)混凝土透水系數(shù)的影響

路面徑流中含有不同粒徑的泥沙、雜質(zhì)，不同粒徑的砂礫、雜質(zhì)對(duì)混凝土的堵塞過(guò)程存在差異。圖3為不同粒徑堵塞物作用下，空隙率分別為15%、20%、25%混凝土透水系數(shù)的變化情況。

由圖3可見(jiàn)：

（1）對(duì)于0.1～0.3 mm砂礫而言，其對(duì)空隙率15%的混凝土堵塞較嚴(yán)重，在經(jīng)歷5次堵塞循環(huán)后，15%空隙率混凝土的透水系數(shù)減小到0.5 mm/s以下；而對(duì)空隙率20%、25%混凝土的透水系數(shù)影響較小，隨著堵塞次數(shù)的增加，混凝土的透水系數(shù)減小比較緩慢。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，0.15～0.3 mm砂礫不會(huì)殘留在混凝土試件表面，而是一部分滯留在混凝土內(nèi)部，其余部分隨著混凝土內(nèi)部聯(lián)通空隙流出。0.15～0.3 mm砂礫在空隙率為15%混凝土內(nèi)部滯留比例較多，這說(shuō)明0.15～0.3 mm砂礫對(duì)在空隙率15%混凝土堵塞嚴(yán)重的原因，空隙率15%混凝土內(nèi)部空隙尺寸較小，所以小粒徑砂礫容易在混凝土內(nèi)部形成堆積效應(yīng)。

圖3 在堵塞狀態(tài)下混凝土的透水系數(shù)變化

（2）當(dāng)堵塞物質(zhì)為0.3～0.6 mm砂礫時(shí)，砂礫并沒(méi)有通過(guò)混凝土的內(nèi)部空隙流到篩子上，而是一部分堆積在混凝土上表面，其余部分砂礫殘留在透水混凝土的空隙中，0.3～0.6 mm砂礫對(duì)3種空隙率的混凝土堵塞都較嚴(yán)重。

（3）0.6～1.18 mm砂礫不容易堵塞空隙率15%的混凝土，而對(duì)空隙率偏大的混凝土堵塞較嚴(yán)重，因?yàn)榭障堵?5%混凝土的內(nèi)部空隙尺寸較小，0.6～1.18 mm砂礫大部分殘留在試件表面，而不容易堆積在內(nèi)部空隙，對(duì)于空隙率較大的混凝土，其便可以隨著水流進(jìn)入混凝土內(nèi)部空隙，造成堵塞。

（4）1.18～2.36 mm大粒徑砂礫在經(jīng)歷8次堵塞循環(huán)后，對(duì)3種空隙率混凝土的透水系數(shù)影響都較小，透水系數(shù)降幅較小，這是因?yàn)榱捷^大的砂礫基本都?xì)埩粼谠嚰砻妫逊e在試件表面的空隙，很難進(jìn)入混凝土內(nèi)部空隙中，而堆積的大粒徑砂礫本身就具有一定的透水性。

（5）全級(jí)配砂礫對(duì)3種空隙率的混凝土堵塞都較嚴(yán)重，這是因?yàn)榧?jí)配砂礫中含有各種不同粒徑的砂礫，能形成一種填充效應(yīng)，即小粒徑砂礫填充在大粒徑砂礫的空隙中，這樣就容易堵塞空隙。在水流的作用下，大粒徑砂礫會(huì)卡在試件表面的空隙中，然后小粒徑砂礫對(duì)大粒徑砂礫的空隙進(jìn)行填充，隨著堵塞次數(shù)的增加，混凝土的透水系數(shù)下降較快。

2.3 不同空隙率混凝土抗堵塞能力分析（見(jiàn)圖4）

圖4 不同空隙率混凝土的堵塞情況

由圖4可見(jiàn)：

（1）對(duì)于空隙率為15%透水混凝土，隨著堵塞次數(shù)的增加，透水混凝土的堵塞率逐漸上升。0.15～0.3 mm、0.3～0.6 mm砂礫是空隙率15%混凝土的敏感堵塞物顆粒，經(jīng)過(guò)4次堵塞和8次堵塞后，混凝土的堵塞率分別達(dá)到73.11%、76.94%。從圖中可以看到，當(dāng)堵塞物為0.15～0.3 mm砂礫時(shí)，混凝土的堵塞率增長(zhǎng)速度較快，說(shuō)明其可以造成混凝土的快速堵塞；當(dāng)堵塞物為0.6～1.18 mm砂礫、1.18～2.36 mm砂礫、全級(jí)配砂礫時(shí)，經(jīng)歷8次堵塞后，混凝土最終的堵塞率分別達(dá)到41.44%、25.0%、60.1%，說(shuō)明0.6～1.18 mm砂礫、1.18～2.36 mm砂礫不容易造成空隙率15%混凝土的堵塞。

（2）對(duì)于空隙率為20%透水混凝土，經(jīng)過(guò)8次堵塞作用后，全級(jí)配砂礫對(duì)空隙率20%混凝土的堵塞最嚴(yán)重，堵塞率達(dá)到75.21%。0.3～0.6 mm、0.6～1.18 mm粒徑砂礫是空隙率20%混凝土的敏感堵塞物顆粒，8次堵塞后，堵塞率分別達(dá)到66.78%、67.13%。最小粒徑和最大粒徑堵塞物對(duì)混凝土的堵塞作用較小，當(dāng)堵塞物質(zhì)為0.15～0.3 mm砂礫、1.18～2.36 mm砂礫時(shí)，混凝土的最終堵塞率僅分別為30.8%、34.6%。

（3）對(duì)于空隙率為25%透水混凝土，各粒徑堵塞物的堵塞情況與空隙率20%混凝土相似。0.3～0.6 mm、0.6～1.18 mm砂礫是空隙率25%混凝土的敏感堵塞物顆粒，全級(jí)配砂礫對(duì)混凝土的堵塞最嚴(yán)重，以上3種堵塞物都能使混凝土的堵塞率達(dá)到70%以上，而在0.15～0.3 mm、1.18～2.36 mm粒徑砂礫的堵塞作用下，混凝土的堵塞率僅為30%左右。

從以上分析可知，不同空隙率的混凝土，其內(nèi)部的聯(lián)通空隙尺寸具有一定差異性，一般隨著空隙率的增大，混凝土內(nèi)部空隙的尺寸也會(huì)增大。若堵塞物粒徑較小，則比較容易進(jìn)入空隙，但對(duì)不同空隙率混凝土造成的堵塞程度不同。不同空隙率混凝土的敏感堵塞物粒徑不同，意味著當(dāng)面臨同一堵塞環(huán)境（堵塞物粒徑一致），不同空隙率混凝土的抗堵塞能力是具有差異性的，敏感粒徑的堵塞物能造成透水混泥土的快速堵塞。當(dāng)堵塞物質(zhì)為全級(jí)配砂礫時(shí)，因其具有不同尺寸的砂礫，小粒徑砂礫能填充大粒徑砂礫的空隙，對(duì)各空隙率下的混凝土堵塞均較嚴(yán)重。

2.4 黏性堵塞物對(duì)混凝土堵塞過(guò)程的影響（見(jiàn)圖5）

圖5 黃泥對(duì)透水混凝土堵塞進(jìn)程的影響

由圖5可見(jiàn)，黃泥會(huì)快速堵塞混凝土內(nèi)部空隙，15%空隙率混凝土經(jīng)歷2次堵塞作用后，其透水系數(shù)便降低到CJJ/T 135—2009要求的≥0.5 mm/s以下，而空隙率20%、25%的混凝土需經(jīng)歷4次堵塞作用。從堵塞率特征曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，混凝土堵塞率增長(zhǎng)幅度較大，混凝土在黃泥堵塞作用下，其最終的堵塞率達(dá)85%以上。

黃泥等具有黏性的堵塞物會(huì)導(dǎo)致透水混凝土的快速堵塞，因?yàn)轲ば远氯飼?huì)吸附在空隙內(nèi)壁，在混凝土內(nèi)部連續(xù)空隙中結(jié)團(tuán)，而隨著堵塞物的增多，團(tuán)聚的堵塞物能很快將上部聯(lián)通空隙密封，造成混凝土透水功能的失效。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）基于體積法設(shè)計(jì)不同目標(biāo)空隙率混凝土，通過(guò)變水頭測(cè)試裝置測(cè)試混凝土的透水系數(shù)，發(fā)現(xiàn)空隙率與透水系數(shù)間存在高度的線(xiàn)性關(guān)系，R2達(dá)到0.9661。

（2）不同空隙率混凝土的敏感堵塞物粒徑不同，當(dāng)面臨同樣尺寸的堵塞物時(shí)，不同空隙率混凝土的抗堵塞能力具有一定差異性，敏感粒徑的堵塞物能造成透水混泥土的快速堵塞。空隙率15%混凝土的堵塞物敏感粒徑是0.15～0.3 mm、0.3～0.6 mm，空隙率20%、25%混凝土的堵塞物敏感粒徑是0.3～0.6 mm、0.6～1.18 mm。

（3）全級(jí)配砂礫對(duì)不同空隙率的混凝土堵塞都較嚴(yán)重，因?yàn)榧?jí)配砂礫中各種不同粒徑的砂礫能形成一種填充效應(yīng)，即小粒徑砂礫填充在大粒徑砂礫的空隙中，容易對(duì)混凝土連續(xù)空隙造成堵塞。

（4）黃泥等黏性堵塞物會(huì)在混凝土內(nèi)部連續(xù)空隙中結(jié)團(tuán)，導(dǎo)致透水混凝土的快速堵塞。