基于透水路面的混凝土配合比設(shè)計研究

馮瀟

（中建路橋集團有限公司，河北 石家莊 050001）

0 引言

在新型城市路面設(shè)計中，透水混凝土路面[1]具備透水功能，可有效避免道路積水，同時能一定程度補充地下水，減少水道中的污染物。透水混凝土有助于海綿城市建設(shè)，且能緩解道路排水難的問題，但其在配合比設(shè)計過程中仍有不少問題，影響其應(yīng)用性能和推廣。它的性能取決于強度和滲透性。本文為進一步探討透水混凝土路面的使用效果，擬設(shè)計不同的配合比方案，并開展性能的比較分析。由于缺乏規(guī)范和標準的測試方法，不同的現(xiàn)場條件需要不同的規(guī)范，使其設(shè)計成為一項艱巨的任務(wù)。因此，為確定理想的配合比設(shè)計，提高透水混凝土的適用性和可靠性，必須掌握不同配比下的混凝土性能特點。

1 透水混凝土路面材料

配合比組成方面，相較于傳統(tǒng)的混凝土，透水混凝土的透水性主要體現(xiàn)在其較大的孔隙率和粗骨料級配，同時其級配顆粒中的連通性更強，利于水滲透。通過消除細骨料含量，降低了強度，但允許地表水通過結(jié)構(gòu)孔隙向下滲透。因此，滲透率和強度取決于含水率、骨料粒度和級配、細粒含量、壓實性等參數(shù)。

合適的含水率能夠最大限度提高強度，而不損害透水混凝土的滲透性能。在透水混凝土中，水泥漿體是有限的，骨料依靠彼此間的接觸面來獲得強度。骨料含量相對于水泥含量是另一個重要的特征?？蓧簩嵉乃酀{體越多，抗壓強度越高，但過多又會堵塞孔隙，不利于混凝土透水。

壓實度和壓實方法是影響透水混凝土力學(xué)性能的兩個最重要因素。壓實度過低可能無法提供所需的強度或光滑表面，還可能造成成品路面的開裂；壓實度過高會使孔洞閉合，導(dǎo)致滲透率降低?；旌衔锏臐B透性在不同的壓實水平下變化可高達25%。因此，準確、定量地控制壓實度對獲得具有相近性能的透水混凝土具有重要意義。

以往研究表明，使用粉煤灰可改善混凝土的性能，使其更強，更持久，更抗化學(xué)侵蝕。粉煤灰的使用也為環(huán)境創(chuàng)造了巨大的利益。為研究粉煤灰部分替代硅酸鹽水泥的透水混凝土的主要性能，進行了各種混凝土試件的性能試驗研究。

2 透水混凝土路面典型橫截面

如圖1所示為透水混凝土路面的典型斷面，其最底部為路基，一般為原始加固土體層，在土基之上覆蓋一層土工布后，再攤鋪礫石路基，礫石層孔隙大，滲水性好，最上面即為透水混凝土層，當路面出現(xiàn)積水時，水流能通過透水混凝土大量下滲至礫石層，經(jīng)進一步礫石過濾掉雜物后再滲流至土工布位置，實現(xiàn)路面透水功能。其中，透水混凝土層和礫石路基儲層的厚度是設(shè)計時的關(guān)鍵，需結(jié)合水力和力學(xué)特性綜合考慮。

圖1 透水混凝土路面的典型斷面

3 混合料配合比設(shè)計

在本次試驗設(shè)計中，擬配置14種透水混凝土試樣開展測試，編號B1～B14，其中參數(shù)設(shè)置包括骨料大小以及水泥與骨料比等，并兼顧含水率與粉煤灰摻量。選擇42個標準圓柱形混凝土樣品作為對照，編號為A1～A42，其中每三個對照組與一種透水混凝土試樣對應(yīng)。

3.1 骨料尺寸

本次試驗參數(shù)變化考慮設(shè)置不同的骨料大小，分別設(shè)置粒徑為25、19以及12.5mm降級。獲得骨料后，對其進行篩分，得到單一粒徑級配。分級良好的混合會導(dǎo)致孔隙尺寸和孔隙率下降。單粒徑級配產(chǎn)生最大孔隙比，即為最大滲透率。盡管類似研究中將骨料的尺寸范圍設(shè)置為9.5～25mm，但本次試驗中為獲取較大的滲透效果，將最小尺寸9.5mm提升至12.5mm。采用標準篩孔進行分篩，按規(guī)定存儲所得的區(qū)間粒徑骨料。

3.2 骨料∶水泥比

骨料與水泥的比例直接影響透水混凝土的抗壓強度和透水性能，本次試驗設(shè)置該比例為4、5、6三種，過高的比值將導(dǎo)致抗壓強度不足。透水混凝土試樣中為保證透水性，僅有粗骨料，并依靠其與水泥之間的膠結(jié)實現(xiàn)滲透。稱取時，骨料與水泥安裝質(zhì)量進行配制。

3.3 含水率

透水混凝土的含水率對其強度有一定的影響，本次試驗選取28%～36%區(qū)間的不同含水量并分析相應(yīng)混合物的特性。實驗過程中將不同含量的水分依次摻入水泥和骨料中，考慮最大含水量與抗壓強度的關(guān)系，據(jù)此確定合理的水泥比，保證透水混凝土具備良好的抗壓強度。

3.4 粉煤灰的添加

本次試驗的混合物試驗編號見表1。其中，在編號12～14樣品中摻入粉煤灰，三組混合物試樣的水灰比均為0.28，骨料尺寸為19mm降級，骨料與水泥的比值分別為4、5、6。試驗時探討粉煤灰加入后對透水混凝土特性的影響。

表1 混合物和相應(yīng)的參數(shù)

4 預(yù)制混凝土樣品的測試

4.1 觀感檢測

對所獲得的試驗結(jié)果進行分析可知，如圖2，前三種透水混凝土配比樣品頂面均可見一定數(shù)量的孔隙，但底部呈現(xiàn)較平整的水泥成型面，缺少孔隙，原因是澆筑過程中存在離析現(xiàn)象所致。同時，三種樣品中的25mm骨料級配的頂面粗糙，行人走動時可能存在不適感，且存在摩擦受傷隱患，而12.5mm骨料級配的頂面較為光滑，滿足通行要求。

圖2 樣品的觀感檢查

4.2 抗壓強度試驗

在本次設(shè)計的14組配比混合物中，編號14由于無法回收被剔除。對于其余的13組樣品，其各自的28d抗壓強度均由相應(yīng)的3個圓柱形試樣檢測并取平均值確定。試驗中將39個試樣通過萬能試驗機進行壓碎，檢測獲得相應(yīng)的抗壓強度數(shù)據(jù)，見表2。

表2 樣品的抗壓強度和滲透率

在實踐中，混凝土強度發(fā)展較慢的原因可能是水泥與粉煤灰摻量的不足，繼而導(dǎo)致試樣失效。為此，可通過延長水化時間的措施加以解決。由表中數(shù)據(jù)可知，試樣組11中的水泥含量較少，導(dǎo)致抗壓強度最小，僅為3.15MPa。而試樣組7～9的抗壓強度最大，平均值達到20MPa左右。盡管它們的標準偏差很高，也獲得了大范圍的抗壓強度，但沒有一種試件能提供與常規(guī)混凝土同等的強度。對試樣進行破壞試驗表明，在設(shè)計持荷條件時，試樣均沒有被壓碎，而是呈現(xiàn)剪切失效。另外，由于配比中均為粗骨料，相應(yīng)水泥等黏合料較少，黏結(jié)強度較弱。經(jīng)分析可知，本次試驗所得的透水混凝土抗壓強度分布在5～25MPa之間，典型數(shù)值約為18MPa，在路面抗壓強度方面有較好的適用性。

4.3 滲透率與骨料尺寸

如圖3所示，骨料尺寸與透水混凝土的滲透率基本保持正相關(guān)關(guān)系，即骨料尺寸增大時，滲透率也隨之增大，且曲線斜率逐漸加大。分析原因認為，骨料尺寸越來越大時，骨料之間的孔隙將增大，孔隙率隨之變大，使水分能更好地滲透至混凝土層中。

圖3 滲透率與骨料尺寸

4.4 滲透率與骨料∶水泥比

如圖4所示，骨料與水泥的比值逐漸增大時，滲透率也呈現(xiàn)上升趨勢，且兩者基本保持線性正相關(guān)關(guān)系[5]。分析原因可知，當骨料與水泥比值較小時，即水泥摻量較大，骨料相對較少，則水泥漿體較多，除去包裹粗骨料的一部分外，多余的水泥漿體將透水混凝土中形成的孔隙堵塞填充，造成孔隙率下降，滲透率降低，但混凝土的抗壓強度由此得到了提高。同理，當骨料與水泥的比值較大時，水泥漿體不足，孔隙率變大，滲透性提高，抗壓強度降低。

圖4 滲透率與骨料∶水泥比

5 結(jié)語

本文設(shè)計了不同配合比參數(shù)條件下的透水混凝土性能試驗，對比了骨料大小、水泥與骨料比、含水率以及粉煤灰摻量等對于透水混凝土滲透性與抗壓強度的影響，分析了相關(guān)影響因素及其機理。試驗結(jié)果表明，透水混凝土強度低于傳統(tǒng)混凝土，但在低沖擊環(huán)境下應(yīng)用時，作為良好的替代物；骨料尺寸、骨料與水泥比等均與透水混凝土的滲透率呈正相關(guān)關(guān)系。在實際應(yīng)用中，透水混凝土能一定程度上緩解城市道路積水，提升蓄水能力，適用于海綿城市的規(guī)劃建設(shè)。