深圳市宝安区工程质量监督检验站
摘要: 透水混凝土能够有效缓解城市生态隔绝效应的一种新型建筑材料，作为一种环保材料有着广阔的应用前景。做好透水混凝土的各项性能的实验分析并对影响其性能的各种影响因素进行分析从而为做好透水混凝土打下了良好的基础。
关键词：透水混凝土；减水剂；孔隙率；透水系数；抗压强度
透水混凝土自身所具有的多孔构造、极强的渗透能力大大提高了路面的排水能力，使得路面排水方向更为发散，对径流量起到了一定的限制作用，并且可以把对路面的冲刷破坏降到最低。与此同时，下渗的雨水使得城市地下水资源得以补充，对土壤的原始结构起到了一定的保护作用，频繁的地面沉降现象也就变得越来越少。此外，多孔构造结构的透水混凝土使得土壤与外界环境直接接触，土壤的生态环境在一定程度上得到了改善。不仅局限于对环境的保护层面，改进的透水混凝土也具有提高路面行车安全性、舒适性的功能。同时，其表面的孔隙可以有效吸收车辆在行驶过程中产生的噪音，改变声波的传播方式，由垂直反射变成在孔隙结构内衰减的漫反射。
普通混凝土路面已经不能够再满足城市生态可持续发展的需求，因此国家从 2014 年 10 月开始大力推行海绵城市建设，这样就对城市土壤质量、环境保护提出了更高的要求，使得能够有效缓解城市生态隔绝效应的一种新型建筑材料，即透水混凝土应运而生。
1 原材料与试验方法
1. 1 原材料
水泥为北京金隅 P?O42. 5 普通硅酸盐水泥，物理性能见表 1;集料为粒径为 2. 36 ～ 4. 75mm、4. 75 ～9. 5mm、9. 5 ～13. 2mm 的石灰岩碎石;外加剂为聚羧酸系高性能减水剂，固含量 20%，减水率约为 30%。
表 1 水泥物理性能
1. 2 试验方法
1. 2. 1 投料及搅拌工艺
透水混凝土的搅拌工艺采用 2 种方法:①一次加料法，②集料表面包裹法。对于普通混凝土的制备常采用第一种搅拌工艺，即一次加料法，如图 1 所示。但是对于透水混凝土，由于浆骨比很小、混合料含水量比较低，需要采用拌和效果更加均匀的搅拌工艺，因此试验采用第二种搅拌工艺，即集料表面包裹法，如图 2所示。
图 2 集料表面包裹法
第一种搅拌工艺流程相对比较简单，将所有混合料通过搅拌机拌和 180s 后入模，集料表面包裹法是先把 50% 的水和集料一起搅拌 30s，使得集料颗粒表面被水分充分湿润。按比例加入水泥和掺和料搅拌30s，然后与减水剂和剩下的水一起加入搅拌机中拌和120s。后者能最大程度地保证水分在拌合料中分散均匀，充分水化其水泥胶结料，集料相互联结成一个整体骨架结构，产生足够的强度。需要说明的是，搅拌持续时间对试件质量也至关重要。透水混凝土应该比普通混凝土搅拌时间再多30 ～60s。因而，本试验搅拌时间改为 180s。
1. 2. 2 成型工艺
成型工艺，振动成型的具体成型过程为:把透水混凝土拌合料入模，用直径为 20mm 的铁棒连续插捣 20次，装至略高于试模顶面，将已经装填好混合料的试模放在振动台上振动 20s，同时用抹刀压实并抹平试件表面。对于透水混凝土来说，如果在试件成型过程中没有采取合理有效的振捣处理过程，其孔隙率、表面密度、强度等性能指标会出现很大的偏差。机械振动台的功率较大，振动时间若较长，会导致其拌合料的孔隙率急剧变大，漏浆现象就难以避免，胶结料都集中在局部，致使试件的强度分布不合理。相对来讲，手工插捣法对胶结料分布情况的扰动较轻，不致产生漏浆现象，但是手工插捣法受人为因素影响，难以保证振捣的密实。因此本试验采取机械振动与人为捣实相结合的方式进行振动成型。成型后覆盖试件表面，防止其水分的蒸发，48h 龄期后脱模置于标准养护室中进行养护。
1. 2. 3 透水混凝土透水系数
透水混凝土是具有良好透气性和透水性的一种新型混凝土，被誉为环境友好型新材料，其最重要的指标之一就是评估透水系数。常用的测定透水系数方法主要有 2 种:①定水头法，②落水头法。目前，国内要求对透水混凝土的透水系数采用定水头法进行测定，定水头法又称常水头法，即确保固定的水压。透水系数是通过在一个时间段内透过试块的水量计算得到的。根据《透水水泥混凝土路面技术规程》(CJJ/T 135 －2009)中有关规定进行试验，透水性试验装置示意图如图 3 所示。
式中:P 为孔隙率(%);m0为试件在水中的湿质量(g);m1为试件的烘干质量(g);V 为试件体积(cm3)。
1. 2. 5 透水混凝土表观密度
透水混凝土表观密度采用体积法测定。为了确保各个试件的含水率基本一致，从标准养护室取出试件以后，需要在干燥的空气中放置5h，以便试件能够达到表面干燥状态，最后测量各个试件的质量和尺寸。测量质量精确到1g，测量尺寸精确到1mm。然后根据各个试件的质量和体积计算出它们的表观密度，每组测量 3 块试件，其平均值为该组透水混凝土的表观密度。根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30 －2005)计算表观密度，如公式 3 所示。
式中: 为混凝土表观密度(kg/m3);m1为试样筒质量(kg);m2为捣实或振实后混凝土和试样筒总质量(kg);V 为试样筒容积(L)。
1. 2. 6 透水混凝土抗压强度、抗折强度及劈裂强度
透水混凝土抗压强度、抗折强度及劈裂强度按《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30 －2005)规定的方法进行实验，抗压强度采用尺寸为150mm ×150mm × 150mm 的立方体试件，每组3块试件。抗折强度采用尺寸为 150mm × 150mm × 515mm棱柱体，每组 3 块试件。劈裂强度采用尺寸为 150mm×150mm ×150mm 的立方体试件，每组 3 块试件。
2、结果与讨论
2. 1 骨料粒径对透水混凝土强度的影响
透水混凝土骨架结构最重要的部分就是骨料，其粒径大小是决定透水混凝土性能的主要因素之一。骨料的粗糙程度、粒径的大小以及骨料类型都对透水混凝土的强度有很大的影响。在确保透水混凝土透水系数的前提下，骨料采用连续级配可以极大提高透水混凝土的强度。表面粗糙的骨料可以加大骨料和胶结料之间的接触面积，也在一定程度上起到了提高强度的作用。
在试验中，只是挑出来每种粒径所对应的各个强度的最大值，可以明显看出透水混凝土的强度随着骨料粒径的变化关系。从图 4 可以看出，透水混凝土的劈裂抗拉强度在粒径最小时有最大值，最大可达到3. 9MPa;抗压强度随着粒径的增大逐渐缓慢提高，最大粒径为 9.5 ～13.2mm 的抗压强度比最小粒径 2.36 ～4. 75mm 的抗压强度提高了约 15%;4. 75 ～9. 5mm 粒径的透水混凝土的抗折强度最大可达到 3. 3MPa。
由上表 2 试验数据可以看出:随着水灰比的增大，透水混凝土的抗压强度和普通混凝土相比，其力学性能变化不明显，而且基本不会呈现出来线性关系。当透水混凝土掺和料的水灰比为 0. 26 时，孔隙率达到最大值，其抗压强度达到最高值。此时浆体的粘度适中，在进行试拌时骨料表面粘浆效果比较好，浆体发亮，可知水灰比较合适，混凝土浆体分散均匀性较好，因此混凝土强度能够达到最大值;当透水混凝土掺和料水灰比从 0. 26 增大到 0. 34 和0. 42 时，抗压强度有缓慢的下降趋势。通过试验分析原因:透水混凝土本身是一种比较干硬的混凝土，如果其水灰比较低，容易导致骨料与浆体间的粘结力下降，弱化对浆体的增强作用。虽然在试验中掺和料的水灰比增大，但是浆体分散性比较好，对骨料的包裹也比较均匀，所以混凝土的强度下降不明显。对于渗透系数而言，混凝土水灰比越大，其透水性反而越差。
2. 3 浆骨比对透水混凝土性能的影响
影响透水混凝土工作性和抗压强度的主要因素之一就是浆骨比，在此次试验中采用的集料粒径仍为4.75 ～9.5mm 的石灰岩，浆骨比选用 0.48，0. 52，0.563个比例进行试验，试验结果如表3 所示。
表 3 不同浆骨比对透水混凝土性能的影响
从表 2 得出的试验数据可知:透水混凝土随着浆骨比的逐渐变大，其孔隙率逐渐降低，抗压强度逐渐增大。当透水混凝土的浆骨比为 0. 48 时，其孔隙率最大，而其强度则相对比较低，分析原因:当混凝土的浆体量较少时，浆体不能够均匀地包裹住骨料，导致混凝土中粗骨料间的粘结界面的厚度变小，而且容易导致界面呈现不均匀状态，从而引起它的强度下降;当透水混凝土的浆骨比为 0. 52 时，其浆体量比较适中，基本可以均匀地包裹住粗骨料表面，在保证合理孔隙率的同时，其强度能够大幅的增大;当透水混凝土的浆骨比为 0. 56 时，其强度虽较高，但它的孔隙率偏低，分析原因:当透水混凝土的浆骨比较大时，浆体富余量就会比较多，从而富余的浆体可以进一步填充骨料之间的空隙，增大骨料间粘结界面的厚度，使混凝土原来连通的孔隙减小甚至变得不连通，整个骨架透水的通道变小而导致混凝土透水性降低。
2. 4 搅拌工艺对透水混凝土性能的影响
表4给出了一次加料法、集料表面包裹法这 2 种搅拌工艺对透水混凝土性能的影响。
表4 不同搅拌工艺对透水混凝土性能的影响
从表 3 试验数据可知，当采取集料表面包裹法时，透水混凝土的孔隙率与一次加料法相比下降了2.2%，透水系数下降程度比较小，而混凝土的抗压强度则极大提高。由此可知，集料表面包裹法能在保持透水混凝土合理透水系数的前提下，大幅度提高其抗压强度，因此，它是值得推荐的搅拌工艺。
此外，透水混凝土的性能还受成型工艺、养护条件等因素的影响。振动成型工艺的关键在于控制好振动的时间，若振动时间过短，试件就不能很好密实;振动时间过长，水泥浆体又容易从骨料上脱落并积聚到底部。同时由于透水混凝土的抗压强度偏低，其孔隙率又比较大且均是连通孔或半连通，水分就非常容易蒸发。因此，早期的湿润养护对透水混凝土抗压强度的提高也是至关重要的。
3、结论
(1)以骨料粒径、水灰比、浆骨比、搅拌工艺等为设计参数的透水混凝土配合比设计方法可有效的指导透水混凝土的配合比设计，并配制出满足设计要求的透水混凝土。
(2)骨料粒径是影响透水混凝土孔隙率、透水系数以及抗压强度的关键因素之一。最佳骨料粒径应该是根据试验设计的透水系数及抗压强度试验来确定。
(3)水灰比对透水混凝土的性能影响较小，在合理的透水混凝土拌合料掺量下，聚羧酸系高性能减水剂有利于改善混凝土拌合料的和易性，并提高其抗压强度;随着浆骨比的增大，透水混凝土的抗压强度大幅度提高，而孔隙率则大幅度下降。
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论文作者:李红宇
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第14期
论文发表时间:2017/10/9
标签：透水论文; 混凝土论文; 骨料论文; 抗压强度论文; 孔隙论文; 粒径论文; 强度论文; 《建筑学研究前沿》2017年第14期论文;