透水混凝土透水性能與力學(xué)性能

張維維， 譚 燕， 帥 佳， 易晨光

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

城市發(fā)展帶來(lái)的諸多城市生態(tài)問(wèn)題，如熱島效應(yīng)和城市內(nèi)澇等[1]，我國(guó)政府結(jié)合雨洪管理方面的成果和經(jīng)驗(yàn)，提出了以“海綿城市”[2]為首的新思路。為建設(shè)雨水“滲、滯、蓄、凈、用、排”的生態(tài)化循環(huán)，透水鋪裝與透水路面得到廣泛推廣，透水混凝土作為一種多孔隙混凝土，不僅建造成本低，更具有吸聲、降噪、防滑[3]的優(yōu)點(diǎn)，在雨水的收集與導(dǎo)排過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用。透水混凝土由一系列連通孔隙與實(shí)體骨架構(gòu)成。受孔隙率影響，其力學(xué)性能和耐久性能相對(duì)較差，抗壓強(qiáng)度僅為2.8～28 MPa[4]，常用于人行道、停車(chē)場(chǎng)、公園等。Meininger[5]認(rèn)為透水混凝土的孔隙率應(yīng)至少達(dá)到15%，水流才能從試件內(nèi)部正常通過(guò)。Giustozzi等[6]嘗試在透水混凝土中摻入一定比例的高分子聚合物，這不僅能改變力學(xué)性能，還能優(yōu)化透水通道。譚源[7]研究表明，水灰比取0.33時(shí)透水混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值。我國(guó)對(duì)透水混凝土的研究起步較晚，最早應(yīng)用于北京林園局的“保護(hù)古樹(shù)”項(xiàng)目中，直至1993年，中國(guó)建科院才開(kāi)始對(duì)其性能進(jìn)行深入研究。目前，隨著透水混凝土的廣泛應(yīng)用，透水混凝土被用于透水樁、濾水隔板等關(guān)鍵部位，城市建設(shè)對(duì)透水混凝土的力學(xué)性能與透水性能需求不斷提高。因此，通過(guò)調(diào)整配合比，改善透水混凝土的內(nèi)部孔隙，令其滿(mǎn)足更高的使用需求，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。試驗(yàn)通過(guò)設(shè)置五組骨料粒徑，五組水灰比，研究透水混凝土孔隙率與透水系數(shù)的變化情況，得出透水混凝土透水性能隨配合比變化的規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用100 mm ×100 mm ×100 mm的透水混凝土試件，購(gòu)置武漢區(qū)域10～20 mm的粗骨料，經(jīng)HPEF-100X60環(huán)保型顎式破碎機(jī)破碎后機(jī)械篩分。設(shè)置3～5 mm、5～7 mm、7～9 mm、9～11 mm、11～13 mm五組對(duì)照組，實(shí)物見(jiàn)圖1、圖2。

圖 1 各骨料粒徑透水試件實(shí)物

圖 2 各骨料粒徑透水試件

水泥為PO42.5級(jí)硅酸鹽水泥，性能指標(biāo)符合《通用硅酸鹽水泥》[8]要求。為減少非研究因素影響，試驗(yàn)不經(jīng)振搗自然成型，未添加減水劑與附加用水。水灰比同樣設(shè)置五組對(duì)照組，分別為0.21、0.25、0.29、0.33、0.39。在0.21水灰比作用下，各骨料粒徑透水試件如圖2所示，成型后于60℃、98%濕度的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)3 d。

1.2 試驗(yàn)器材

透水設(shè)備參考《多孔混凝土與透水性鋪裝》[9]第八章中降水頭法測(cè)量。試驗(yàn)設(shè)備示意圖如圖3所示，實(shí)物圖如圖4所示。每次透水試驗(yàn)水位差為200 mm，試件邊緣設(shè)置止水膠泥。試驗(yàn)首先讓水位保持在高于200 mm刻度某處，然后停止注水，令水位自然下落，當(dāng)通過(guò)200 mm時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，直至0刻度時(shí)結(jié)束，記錄該水位差透水時(shí)間t。試驗(yàn)初期對(duì)定水頭法所測(cè)透水系數(shù)與降水頭法透水時(shí)間做出比較，結(jié)果如圖5所示。這與達(dá)西定律中時(shí)間與透水系數(shù)成反比關(guān)系相同。本實(shí)驗(yàn)中，由降水頭法所測(cè)的透水時(shí)間通過(guò)實(shí)際擬合曲線(xiàn)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的透水系數(shù)。擬合公式如式(1)所示。

擬合曲線(xiàn)：

K=345.29exp(-t/3)+0.44

(1)

式中：K為透水系數(shù),mm/s；t為透水時(shí)間,s。

圖 3 降水頭法透水設(shè)備

圖 4 降水頭法透水試驗(yàn)

圖 5 定水頭法與降水頭法透水系數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系

1.3 孔隙率測(cè)量

依據(jù)《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》[10]，孔隙率測(cè)量采用重量法，分別稱(chēng)量試件烘干的重量m2與試件在水中受浮力影響后的重量m1，測(cè)試件受浮力時(shí)重量的試驗(yàn)操作實(shí)物圖與示意圖如圖6、圖7所示。所測(cè)孔隙率主要包括連通孔隙與半連通孔隙，其計(jì)算公式如式(2)所示。

(2)

式中：P為 孔隙率，%；m1為 試件在水中的重量，g；m2為試件干重，g；ρw為水密度，g/cm3；V為試件體積，cm3。

圖 6 稱(chēng)量試件受浮力實(shí)物

圖 7 稱(chēng)量試件受浮力

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

如圖8所示，隨骨料粒徑增大，透水系數(shù)整體呈線(xiàn)性增長(zhǎng)。骨料粒徑范圍大于11 mm后，增長(zhǎng)趨勢(shì)開(kāi)始放緩。骨料粒徑由3～13 mm，受不同水灰比影響時(shí)，每組透水系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差分別為6.03、5.28、16.5、10.65、14.93。該離散情況與透水系數(shù)測(cè)量方法有關(guān)，在使用降水頭法測(cè)透水系數(shù)時(shí)，透水系數(shù)越高，時(shí)間變化越快，讀表誤差越大。整體來(lái)看，7～9 mm、9～11 mm、11～13 mm三組在水灰比0.21時(shí)透水系數(shù)最高，在0.25時(shí)透水系數(shù)最低。

圖 8 骨料粒徑與透水系數(shù)

如圖9所示，隨骨料粒徑增大，孔隙率呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)。其中9～11 mm單級(jí)配試件平均孔隙率最大為34.2%，3～5 mm單級(jí)配試件平均孔隙率最小為25.7%?？紫堵首兓c透水系數(shù)變化呈正相關(guān)，且均在9～11 mm組出現(xiàn)拐點(diǎn)。各組孔隙率受水灰比影響，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.062、0.0445、0.055、0.025、0.029。該數(shù)據(jù)說(shuō)明隨骨料粒徑增大，水灰比對(duì)透水試件影響越小。與王雅思[11]研究中出現(xiàn)的水泥砂漿堆積現(xiàn)象相似，過(guò)高水灰比使膠凝材料具有超強(qiáng)的流動(dòng)性，容易封堵孔隙，特別是震動(dòng)成型后水泥沉降，對(duì)孔隙與透水能力影響較大。

圖 9 骨料粒徑與孔隙率

圖10 水灰比與堆積密度

如圖10所示，透水試件堆積密度隨水灰比增高呈先增后降，然后逐步趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，水灰比取0.25時(shí)，不同骨料粒徑對(duì)應(yīng)的堆積密度均達(dá)到最大值。縱向比較，整體上看，骨料粒徑越大堆積密度越小。在多處也出現(xiàn)相反規(guī)律，如0.25水灰比情況下9～11 mm試件堆積密度小于11～13 mm試件堆積密度。這與試驗(yàn)的測(cè)量誤差和試件的正常離散有關(guān)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)水灰比設(shè)置為0.25時(shí)。其內(nèi)部骨料與水泥膠凝材料分配比例好，密實(shí)度高，有利于提高其力學(xué)性能。

如圖11、圖12所示，孔隙率與透水系數(shù)呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。均出現(xiàn)先下降，然后上升達(dá)到某一峰值后再下降的規(guī)律。當(dāng)水灰比取0.21時(shí)孔隙率與透水系數(shù)均達(dá)到最高。最高平均孔隙率為34.6%，最高平均透水系數(shù)為84 mm/s。圖12中3～5 mm與5～7 mm粒徑組透水系數(shù)受水灰比影響較小，7～9 mm、9～11 mm、11～13 mm組受水灰比影響嚴(yán)重。水灰比為0.25時(shí)，透水系數(shù)最小，透水能力最差。水灰比為0.29～0.33時(shí)，透水系數(shù)出現(xiàn)極大值。這說(shuō)明透水試件水灰比取0.29～0.33時(shí)，水泥膠凝材料分散性較好，在骨料外包裹均勻，局部堆積與封堵情況較少。

圖11 水灰比與孔隙率

圖12 水灰比與透水系數(shù)

如圖13所示，立方體抗壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，影響透水混凝土強(qiáng)度的原因與普通混凝土的有所不同，透水混凝土由骨料粘接而成，孔隙直徑，孔隙比例與水泥膠凝材料的流動(dòng)性，均對(duì)其包裹粘接產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響強(qiáng)度。立方體抗壓儀實(shí)物如圖14所示。

圖13 水灰比與抗壓強(qiáng)度

圖14 立方體抗壓儀實(shí)物

根據(jù)圖示數(shù)據(jù)，混凝土抗壓強(qiáng)度隨水灰比升高呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，當(dāng)水灰比達(dá)到0.29時(shí)，平均抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值?？v向比較，整體上看，骨料粒徑越大，立方體抗壓強(qiáng)度越低。本次試驗(yàn)中所測(cè)透水混凝土抗壓強(qiáng)度介于2.8～11.3 MPa之間，該數(shù)據(jù)同樣說(shuō)明了透水混凝土強(qiáng)度不足的問(wèn)題。當(dāng)水灰比低于0.29時(shí)，不僅水泥水化反應(yīng)不完全，而且水泥流動(dòng)性差，骨料包裹不均勻，受到垂直荷載施壓時(shí)，極易從瑕疵部位開(kāi)裂直至通縫形成。當(dāng)水灰比高于0.29時(shí)，水泥流動(dòng)性過(guò)好，膠凝材料下沉嚴(yán)重，混凝土上部孔隙較多，底部膠結(jié)層厚。膠凝材料的不均勻分布使其抗壓強(qiáng)度逐步下降。

3 結(jié)論

1)透水系數(shù)與孔隙率呈正相關(guān)關(guān)系，隨骨料粒徑增大，孔隙率與透水系數(shù)均線(xiàn)性增長(zhǎng)，粒徑高于11 mm后孔隙率開(kāi)始下降，透水系數(shù)增長(zhǎng)變緩。

2)透水系數(shù)與孔隙率隨水灰比增大，出現(xiàn)降-升-降的規(guī)律。水灰比為0.33時(shí)孔隙率達(dá)到極大值，水灰比于0.29～0.33之間時(shí)透水系數(shù)達(dá)到極大值。當(dāng)骨料粒徑小于7 mm時(shí)，水灰比對(duì)透水系數(shù)影響較小，變化不明顯。

3)透水混凝土強(qiáng)度隨水灰比增加，出現(xiàn)先升后降的變化趨勢(shì)，當(dāng)水灰比為0.29時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值。骨料粒徑越大，相對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度越低。