考慮砂率和骨膠比的透水混凝土配合比設(shè)計及其性能研究

衛(wèi)亞洲，冀榮慶

（河南省濮衛(wèi)高速公路有限公司，河南濮陽 457000）

0 引言

透水混凝土作為生態(tài)環(huán)保型建筑材料越來越廣泛地應(yīng)用在城市建設(shè)中。透水混凝土具有良好的水文特性［1］，可減少洪水徑流并形成天然的排水系統(tǒng)，在緩解城市積水和改善地下水水質(zhì)的同時，還可使空氣中的熱量與水有效交換，緩解“熱島效應(yīng)”［2］。透水混凝土以其內(nèi)部孔隙實現(xiàn)透水性，但同時降低了結(jié)構(gòu)強度，其強度普遍低于普通混凝土且耐久性差［3］，這嚴重限制了透水混凝土的推廣應(yīng)用。

關(guān)于透水混凝土的配合比設(shè)計方法及性能研究，國內(nèi)外已開展了一定的研究工作［4-6］。透水混凝土的力學(xué)性能與原材料性能、空隙率以及骨料與膠凝材料或漿體間的黏結(jié)強度有關(guān)［7-8］，而透水性主要取決于混凝土的空隙率。研究表明：適當(dāng)?shù)纳奥士梢栽龃蠊橇祥g的黏結(jié)面面積［9］，進而提升透水混凝土的力學(xué)性能。調(diào)整骨料間堆積狀態(tài)，改變其堆積密實度對混凝土的力學(xué)性能和透水性也有重要影響［10］。然而目前透水混凝土主要基于體積法進行配合比設(shè)計［11］，這是一種不考慮砂且主要根據(jù)粗骨料堆積密度確定骨料用量的配合比設(shè)計方法，無法充分發(fā)揮砂以及粗骨料間的堆積效應(yīng)。此外，體積法的主要設(shè)計參數(shù)為目標(biāo)空隙率和水膠比［12］，無法靈活調(diào)整骨料與膠凝材料的比例（骨膠比），因此無法充分考慮其對水泥混凝土性能的作用，如骨料與漿體的界面黏結(jié)強度［13］。

基于此，本文在配合比設(shè)計時考慮砂率、骨膠比的影響，對傳統(tǒng)配合比設(shè)計方法——體積法進行了改進。并基于改進的配合比設(shè)計方法，研究了砂率、骨膠比、養(yǎng)護方式對透水混凝土力學(xué)性能和透水系數(shù)的影響，建立了力學(xué)性能和透水系數(shù)的關(guān)系，同時測定了混凝土的有效空隙率，解釋了其力學(xué)性能和透水性變化的原因。

1 試驗概況

1.1 原材料

水泥采用P·O42.5 硅酸鹽水泥；礦物摻合料為硅灰；粗骨料為石子和陶粒體積比2∶1 的混合骨料，其中石子為玄武巖碎石，陶粒為頁巖陶粒（1 h 吸水率為5%）；細骨料為陶砂，骨料物理性能見表1；外加劑為聚羧酸系高效減水劑，減水率為25%～35%。

表1 骨料物理性能

1.2 配合比設(shè)計

研究砂率、骨膠比、養(yǎng)護方式3 個因素對透水混凝土性能的影響，每個因素均設(shè)定6 個水平，具體見表2，其中對照組的砂率為10%、骨膠比為2.7，養(yǎng)護條件為標(biāo)準養(yǎng)護。各組透水混凝土的目標(biāo)空隙率均為10%，水膠比均為0.17。透水混凝土配合比如表3所示。

表2 試驗影響因素及水平

表3 透水混凝土配合比

1.3 試驗方法

1.3.1 成型工藝

透水混凝土的攪拌工藝采用“水泥裹石法”：①在2 min 內(nèi)將經(jīng)過預(yù)濕處理的粗細骨料攪拌均勻，之后與含有水泥、硅灰的混合粉體繼續(xù)攪拌3 min；②在拌和物中加入1/3 的水?dāng)嚢? min，并另取1/3 的水與減水劑充分混合后倒入拌和物中繼續(xù)攪拌；③將剩余水倒入，人工攪拌5 min 左右，使粗骨料表面完全被水泥漿均勻包裹。

試驗成型方式為“人工插搗+一次機械振動（時間為3 s）”。養(yǎng)護方式分別采用20～60 ℃的水養(yǎng)護和標(biāo)準養(yǎng)護，以研究養(yǎng)護方式對透水混凝土性能的影響。

1.3.2 抗壓強度

根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準》（GB/T 50081—2002）［14］測試透水混凝土3 d、7 d、28 d 的抗壓強度（圖1）。

圖1 透水混凝土抗壓強度測試

1.3.3 透水系數(shù)

采用圖2 自制透水系數(shù)測定儀測定混凝土的透水系數(shù)。透水混凝土試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。

圖2 透水混凝土透水系數(shù)測定裝置示意圖（單位：mm）

透水系數(shù)測定步驟：①對透水混凝土側(cè)面進行滾蠟和保鮮膜密封包裹處理；②將透水方筒套在試塊頂部，用橡皮泥密封試塊與方筒的接口，并將其放置在底部支架上；③向溢流槽中注水，使水位至溢流槽出水口位置；④向透水方筒中注水，水位始終維持在溢流口位置，測定試塊的透水系數(shù)。

測得平均水頭70 mm 下透水混凝土試塊的滲流速度，用以表征其透水性。透水系數(shù)的計算公式為：

式中：K為透水系數(shù)（mm/s）；Q為t時間內(nèi)的滲出水量（mL）；L為試塊厚度（cm）；A為試塊的上表面積（cm2）；H為水位差（cm），取7 cm；t為滲流時間（s）。

2 結(jié)果與討論

2.1 考慮砂率和骨膠比的配合比設(shè)計

透水混凝土多采用體積法進行配合比設(shè)計［11］。體積法根據(jù)骨料堆積密度確定骨料用量，通過預(yù)設(shè)空隙率保證混凝土透水性并確定1 m3體積下水泥漿體的體積，進而根據(jù)水灰比確定水泥和水的體積。由于骨料用量僅取決于其堆積密度，使得體積法無法充分發(fā)揮粗細骨料間堆積效應(yīng)以及骨膠比（或骨漿比）等參數(shù)對透水混凝土性能的影響。

基于此，本文在配合比設(shè)計時以體積法為基礎(chǔ)引入砂率和骨膠比，以目標(biāo)空隙率、水膠比、砂率、骨膠比為設(shè)計參數(shù)，通過預(yù)設(shè)目標(biāo)空隙率保證混凝土的透水性，并調(diào)整各個參數(shù)以滿足透水混凝土的力學(xué)性能要求。改進的1 m3透水混凝土配合比設(shè)計方法如下：

設(shè)定1 m3透水混凝土的目標(biāo)空隙率為P，則原材料體積與P的關(guān)系可用下式表示：

式中：mG、mT、mS分別為1 m3透水混凝土中石子、陶粒、陶砂的質(zhì)量（kg）；ρG、ρT、ρS分別為對應(yīng)骨料的表觀密度（kg/m3）；Vj為水泥-硅灰復(fù)合漿體體積（m3）；P為目標(biāo)空隙率（%）；Vb、Vw分別為膠凝材料和水的體積（m3）。

骨料與膠凝材料總量的比例用骨膠比β表示：

砂子與骨料的比例用砂率S表示：

設(shè)混合骨料中碎石體積（VG）與陶粒體積（VT）之比為a∶b（本文為2∶1），在目標(biāo)空隙率、骨膠比、水膠比、砂率4 個參數(shù)確定后，聯(lián)立式（3）、（4）與式（2）即可得到各材料用量，從而確定試驗配合比。改進的配合比設(shè)計方法考慮了砂子和骨膠比對透水混凝土性能的影響，且計算方法簡便準確?；诟倪M的配合比設(shè)計方法，下文研究砂率、骨膠比、養(yǎng)護方式對透水混凝土性能的影響。

2.2 砂率對透水混凝土抗壓強度、透水系數(shù)影響

圖3 為透水混凝土抗壓強度、透水系數(shù)隨砂率的變化。

圖3 砂率對透水混凝土抗壓強度、透水系數(shù)的影響

由圖3（a）可知：不同齡期的透水混凝土抗壓強度均隨砂率的增加先增大后減小，且均在15%砂率時達到峰值。這是因為初始摻入一定量砂子填充了粗骨料之間的空隙，增加了骨料間的接觸面積，提升了骨料間的堆積密實度和相互作用［15］，進而提升了混凝土的抗壓強度。但當(dāng)砂率高于15%，砂含量較高時，繼續(xù)增加砂率降低了透水混凝土的抗壓強度，這可能是因為砂率為15%時混凝土已達到了較好的顆粒堆積狀態(tài)，繼續(xù)增加砂子反而不利于骨料間的堆積填充［16］；同時由于砂子的比表面積大于石子的比表面積，提高砂率增大了骨料的總比表面積，減小了包裹骨料的水泥漿厚度［17］，從而減弱了其對骨料的膠結(jié)作用，導(dǎo)致其抗壓強度逐漸下降。

隨齡期的增加，不同砂率的透水混凝土其抗壓強度均逐漸增加。因為水泥顆粒的水化程度隨時間的延長不斷增大，生成的C—S—H 凝膠含量也逐漸增加。研究表明：C—S—H 凝膠是水泥混凝土形成強度的主要部分［18］，因此隨著齡期的增加，混凝土的抗壓強度逐漸提高。

由圖3（b）可以看出：隨砂率的增加，透水系數(shù)先減小后增大，砂率為15%時，混凝土的透水系數(shù)最小。砂率小于15%時，混凝土的透水系數(shù)變化較小，而砂率大于15%時，隨砂率增加，透水系數(shù)顯著增加。透水混凝土的透水系數(shù)與其空隙率密切相關(guān)，而空隙率又與顆粒間的堆積密實度相關(guān)。研究表明：當(dāng)小顆粒的量少于大顆粒時，增加小顆粒有助于顆粒堆積，可提高顆粒群整體密實度，此時小顆粒發(fā)揮“填充效應(yīng)”；若繼續(xù)增加小顆粒，則此時小顆粒發(fā)揮“楔入效應(yīng)”，將降低顆粒群整體密實度［16］。同時由于砂的密度小于石子，增加砂率提高了骨料整體的體積，而骨料與漿體的總體積是一定的，因此增加砂率不僅增大了骨料的體積同時減小了漿體的體積，進而減少了骨料間填充的漿體體積，增加了混凝土的空隙率。這解釋了砂率較大時，透水混凝土透水系數(shù)增大的現(xiàn)象。

結(jié)合圖3（a）、（b）可知：砂率為15%時，相比于未摻砂子及砂率為10%的透水混凝土，其透水系數(shù)僅有輕微的減小而抗壓強度則明顯提高，抗壓強度超過30 MPa，透水系數(shù)保持為6 mm/s 左右。因此15%的砂率可在輕微影響透水混凝土透水性的同時顯著提高其抗壓強度，可推薦在配合比設(shè)計中使用15%的砂率。

2.3 骨膠比對透水混凝土抗壓強度、透水系數(shù)影響

圖4 為透水混凝土抗壓強度、透水系數(shù)隨骨膠比的變化。

圖4 骨膠比對透水混凝土抗壓強度、透水系數(shù)的影響

由圖4（a）可知：不同齡期的透水混凝土抗壓強度均隨骨膠比的增加而降低。透水混凝土的抗壓強度除了與原材料本身的強度有關(guān)，還與骨料和膠凝材料之間的黏結(jié)強度有很大的關(guān)系，一定范圍內(nèi)增加骨膠比，骨料之間黏結(jié)面的厚度相對變薄，黏結(jié)強度降低［13］，透水混凝土的抗壓強度隨之下降。此外，骨膠比從2.7 增加到3.5，3 d、7 d、28 d 齡期的抗壓強度分別降低了67.2%、67.1%、65.9%，沒有明顯的差別。

由圖4（b）可知：透水混凝土的透水系數(shù)隨骨膠比的增加而增大。這與骨膠比增加，混凝土抗壓強度降低的原因相似。水膠比相同時，骨膠比的增加使得混凝土中漿體體積及其后期水化產(chǎn)物的量均減少，從而無法充分填充骨料之間的空隙，降低了混凝土的密實度，增大了混凝土的空隙率和透水系數(shù)。結(jié)合圖4（a）、（b）可知：骨膠比為3.0～3.1 時，透水混凝土的透水系數(shù)可明顯提升至6.31～8.25 mm/s，且28 d 抗 壓 強 度 在20 MPa 左 右，能 滿 足 工程 應(yīng) 用 要 求［11，19］，且 兼 顧 混 凝 土 的 抗 壓 強 度 和 透水性。

2.4 養(yǎng)護方式對透水混凝土抗壓強度、透水系數(shù)影響

不同養(yǎng)護方式改變了混凝土所處的溫濕環(huán)境，從而對水泥水化有重要影響，進一步影響了混凝土的性能。相比普通混凝土，透水混凝土因內(nèi)部具有孔隙，增加了與空氣、水的接觸面積，從而對養(yǎng)護條件更為敏感［20］。圖5 為養(yǎng)護方式對透水混凝土性能的影響。

圖5 養(yǎng)護方式對透水混凝土抗壓強度、透水系數(shù)的影響

由圖5 可知：各養(yǎng)護條件下，隨齡期的增加透水混凝土的抗壓強度均逐漸增加，正如前文所述，隨著齡期的增加，混凝土中生成的C—S—H 凝膠數(shù)量和強度均不斷增長［21］，從而增加了透水混凝土的抗壓強度。隨著水養(yǎng)護溫度的增加，混凝土的抗壓強度先增加后減小，20 ℃、30 ℃、40 ℃水養(yǎng)護的混凝土3 d、7 d、28 d 抗壓強度均高于標(biāo)準養(yǎng)護，而50 ℃、60 ℃水養(yǎng)護的混凝土3 d、7 d、28 d 抗壓強度均低于標(biāo)準養(yǎng)護。這是因為混凝土的抗壓強度與水泥的水化密切相關(guān)，一定范圍內(nèi)提高水養(yǎng)護溫度可以促進混凝土中水泥顆粒等膠凝材料的水化，從而在較短的時間內(nèi)生成更多的C—S—H 凝膠［22］，進而提高混凝土的抗壓強度。但當(dāng)水養(yǎng)護溫度過高時，水泥水化的速率過快導(dǎo)致水化產(chǎn)物來不及擴散，透水混凝土內(nèi)部孔隙得不到足夠的填充，內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，從而降低了透水混凝土的抗壓強度［23］。

由圖5 可知：隨著水養(yǎng)護溫度的提高，混凝土的透水系數(shù)先降低后增加，40 ℃時水養(yǎng)護的混凝土透水系數(shù)最小。20 ℃、30 ℃、40 ℃水養(yǎng)護的混凝土透水系數(shù)低于標(biāo)準養(yǎng)護，50 ℃、60 ℃水養(yǎng)護的混凝土透水系數(shù)高于標(biāo)準養(yǎng)護。結(jié)合圖5（a）、（b）可知：40 ℃水養(yǎng)護的透水混凝土顯著提高了28 d 抗壓強度，但也明顯降低了混凝土的透水系數(shù)。而50 ℃水養(yǎng)護的透水混凝土可在輕微損失28 d 抗壓強度的條件下保證混凝土的透水系數(shù)?？偟膩碚f，相比于標(biāo)準養(yǎng)護，高溫水養(yǎng)護并不是改善透水混凝土綜合性能（抗壓強度和透水性）的有效手段。

結(jié)合圖3～5 可知：采用改進的配合比設(shè)計方法，可制備抗壓強度超過30 MPa、透水系數(shù)6 mm/s 左右或抗壓強度20 MPa 左右、透水系數(shù)接近8 mm/s 的性能優(yōu)良的透水混凝土，證明了改進的配合比設(shè)計方法的有效性。

2.5 透水混凝土透水系數(shù)、28 d 抗壓強度與有效空隙率關(guān)系

由前文分析可知：不同影響因素下（砂率、骨膠比、養(yǎng)護方式）透水混凝土的抗壓強度基本與透水系數(shù)的變化相反。圖6 建立了透水混凝土透水系數(shù)與28 d 抗壓強度的關(guān)系，可以看到：透水系數(shù)與28 d 抗壓強度成反比例關(guān)系，可用K=1/（0.047 8+0.004 02S）表示，其中K為透水混凝土的透水系數(shù)（mm/s）；S為透水混凝土28 d 抗壓強度（MPa）。

圖6 透水混凝土透水系數(shù)與28 d 抗壓強度關(guān)系

由于透水混凝土的空隙率可直接表征其透水性與強度的變化，本文基于重量法測定了透水混凝土的空隙率［24］。試件的有效空隙率可通過下式計算：

得到各組透水混凝土的有效空隙率如表4 所示。

表4 透水混凝土有效空隙率

由表4 可知：透水混凝土的有效空隙率隨砂率、骨膠比和養(yǎng)護方式的變化規(guī)律與透水系數(shù)一致。圖7 建立了透水系數(shù)、28 d 抗壓強度與有效空隙率的關(guān)系?？梢钥吹剑和杆禂?shù)與有效空隙率呈正指數(shù)相關(guān)；28 d 抗壓強度與有效空隙率呈負線性相關(guān)，這與期望的結(jié)果一致。對比圖7（a）、（b）可知：有效空隙率與透水系數(shù)的相關(guān)性高于其與抗壓強度的相關(guān)性，說明透水混凝土的有效空隙率更直接決定了其透水性，但也對抗壓強度有顯著的影響。總的來說，有效空隙率解釋了混凝土抗壓強度和透水性隨砂率、骨膠比和養(yǎng)護方式變化的原因。

圖7 透水系數(shù)、28 d 抗壓強度與有效空隙率的關(guān)系

3 結(jié)論

（1）在傳統(tǒng)配合比設(shè)計方法——體積法的基礎(chǔ)上引入了砂率、骨膠比兩個參數(shù)進行透水混凝土配合比設(shè)計，改進的設(shè)計方法計算簡便準確。

（2）砂率為15%時可在保證透水混凝土透水性的條件下顯著提高其抗壓強度；隨骨膠比增大，透水混凝土抗壓強度逐漸降低，透水系數(shù)逐漸增加，骨膠比為3.0～3.1 時可兼顧混凝土的抗壓強度和透水系數(shù)；相比于標(biāo)準養(yǎng)護，高溫水養(yǎng)護不是改善透水混凝土綜合性能（抗壓強度和透水性）的有效手段。

（3）采用改進的配合比設(shè)計方法，可制備抗壓強度超過30 MPa、透水系數(shù)6 mm/s 左右或抗壓強度20 MPa 左右、透水系數(shù)接近8 mm/s 的性能優(yōu)良的透水混凝土，證明了改進的配合比設(shè)計方法的有效性。

（4）透水系數(shù)與28 d 抗壓強度明顯相關(guān)且成反比 例 關(guān) 系，可 用K=1/（0.047 8+0.004 02S）表 示。相比于抗壓強度，透水混凝土的有效孔隙率更直接決定了其透水性。有效空隙率解釋了混凝土抗壓強度和透水性隨砂率、骨膠比和養(yǎng)護方式變化的原因。