高透水性混凝土配合比设计及性能试验研究

程聪武， 蒋 慧， 李香强， 郭业荣， 邓 聪

(桂林电子科技大学建筑与交通工程学院， 广西桂林 541004)



高透水性混凝土配合比设计及性能试验研究

程聪武， 蒋 慧， 李香强， 郭业荣， 邓 聪

(桂林电子科技大学建筑与交通工程学院， 广西桂林 541004)

文章根据目前国内外对透水性混凝土的研究现状，运用正交试验原理对高透水性混凝土的配合比进行试验研究，研究了骨灰比、水灰比和骨料级配等因素对其透水性能和力学性能的影响规律，选出了最佳混凝土配合比，为透水性混凝土的配合比设计提供了依据。

透水性混凝土； 透水系数； 抗压强度； 配合比

现代城市的大部分面积都被混凝土所覆盖，导致地下水系统的平衡破坏、地面塌陷等问题。高透水性生态混凝土具有比较大的孔隙率，因此存在透水、补充地下水资源、过滤、调节城市地表的温度和湿度等诸多生态方面的优点[1]。目前国内对透水混凝土的研究处于深化研究阶段，在矿物掺合料和外加剂的作用效果[2]、透水混凝土的强度相关性实验与测试方法[3]、透水混凝土的最佳配制条件[4]等方面进行了大量深入的研究，为改善透水混凝土的力学性能发挥了重要作用。本文运用正交试验原理对高透水性混凝土的配合比进行试验研究，得出了单位体积水泥用量、水灰比和骨料级配等因素对其透水性能和力学性能的影响规律。

1 试验概要

1.1 原材料

本实验所用原材料为32.5级普通硅酸盐水泥；普通自来水；粒径分别为9.5～16(大粒径)、4.75～9.5(小粒径)、4.75～16(混合粒径)的石灰岩碎石。

1.2 配合比

为考察不同水灰比和骨灰比对透水性混凝土强度的影响，水灰比W/C分别采用0.30、0.32、0.34，骨灰比分别采用3.6、4.0、4.4。同时，为探讨骨料粒径与透水性混凝土强度的关系，分别采用了3种不同的骨料配合比方式，分别为大粒径、小粒径、混合粒径。

1.3 试件制作与养护

试件尺寸规格为：100 mm×100 mm×100 mm正方体(用于抗压强度和透水系数测试)。实践制作采用插捣工艺成型，分三层插捣，第一层为试件模具的1/3处，插捣15次；第二层为试件高度的2/3处，插捣20次；第三层为满高度，插捣25次。试件成型后，经过24 h后编号拆模。然后在温度为(20±2)℃，相对湿度90 %以上的标准养护室中养护28 d。

2 试验内容与装置

2.1 抗压强度

参照GB/T 50081—2002 《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试。采用液压式万能压力机加压，加载速度每1 s为0.5～0.8 MPa，选取每组试块(100 mm×100 mm×100 mm)样本进行立方体轴心受压承载力试验。抗压强度取三个试件结果的算术平均值。

2.2 透水系数

从高为20 cm的方形套筒上端边缘注水，水流通过横截面为z的试块渗透流入下端盛水容器，注水时谨慎控制流量，始终保持10 cm的水头(以上端距边缘5 cm处设置的水头为参照)，为防止水由于侧漏等因素影响，采用石蜡涂抹密封，保证水流只从试块渗流而过。在单位时间T内接取V体积的水量，则取得透水系数K。

2.3 透水性试验装置

图1所示为研制的透水性实验装置。具有试块加装快速方便、测试高效准确、环境适应性强等优点，相比其他对测试有特殊要求的设备更实用，也更易开展试验；同时，在测试的过程中不需要太多的维护，有较强的抗干扰能力，只需两人配合即可完成试验；装置本身采用不锈钢整体成型，分为可拆卸式的上下两部分，上部预留盛放试块的部位与试块尺寸相吻合，在接缝处浇灌熔融蜡条，可保证密封可靠。

图1 混凝土透水性实验装置

3 试验结果与分析

3.1 水灰比对透水性混凝土性能的影响

对骨灰比为3.60、水灰比为0.30～0.34的透水性混凝土进行强度、透水性实验，实验结果如表1所示，水灰比和强度及透水性的关系见图2。从图中可看出随着水灰比的增大，透水性混凝土的强度增大，而透水系数也有略微增大。这是由于当水灰比过小时，就不能有效地包裹骨料颗粒表面而降低颗粒之间的粘结力，从而导致强度降低。当水灰比增大时，水泥浆流动性增加，填充包裹骨料均匀，骨料表面的浆体丰富，有利于骨料之间的粘结，因此强度提高。但过大的流动性会使浆体流淌到试件底面，减少有效联通孔隙，破坏了混凝土的透水能力，同时影响了骨料之间的粘结力，导致强度降低。

表1 水灰比对透水性混凝土性能的影响

图2 水灰比对透水性混凝土性能的影响规律

3.2 骨灰比对透水性混凝土性能的影响

表2为水灰比0.30时试验所得实验数据。当水灰比不变时，随着骨灰比的增加，抗压强度先略有增加再有一定的减小，其透水系数却有较大的增加。抗压强度主要受骨料与水泥浆体间的粘结强度影响，而水泥浆体的抗压强度和界面厚度则影响了界面粘结抗压强度。水泥浆体的抗压强度主要由水灰比决定，水灰比一定时，水泥用量的增加使得包裹骨料的水泥浆厚度增大，粘结面积以及粘结点的数量增加使抗压强度提高。但另一方面水泥用量的增大会使水泥浆体填充骨料的孔隙，造成孔隙率的减小，降低混凝土的透水系数。

表2 骨灰比对透水性混凝土性能的影响

3.3 骨料级配对透水性混凝土性能的影响

表3为水灰比为0.34时实验所得数据。当水灰比和骨灰比不变时，透水性混凝土抗压强度随着骨料粒径的增大而减小；当骨料粒径为混合粒径时，混凝土抗压强度则比单一骨料粒径的混凝土抗压强度更高。而透水系数也随着骨料粒径的增大而增大；混合粒径的透水系数则比单一骨料粒径的透水系数要小。这是由于骨料粒径越小，单位体积内骨料颗粒之间的接触点数量就越多，所形成的结点骨架越密，胶结面积就越大，从而提高透水性混凝土的整体强度，而透水系数也随着骨料的密集而减小。混合骨料粒径的混凝土形成的结点骨架比小粒径骨料的更密，故抗压强度更大，透水系数也更小。

表3 骨料级配对透水性混凝土性能的影响

4 试验结论

为研究水灰比、骨灰比和骨料级配对抗压强度和透水性的显著性和交互影响，对该三因素进行了正交试验设计，正交实验结果极差分析结果如表4。

表4 正交实验结果极差分析

根据表1到到表4的实验结果和极差分析可以得出以下结论：

(1)单位体积水泥用量是影响透水性混凝土性能(透水系数)和力学性能(抗压强度)的主要因素，水灰比、骨料颗粒级配依次次之。

(2)透水性混凝土的透水性能随着单位体积水泥用量和水灰比的增加而降低；力学性能随着单位体积水泥用量和水灰比的增加而增加；但是，颗粒级配及透水性能和力学性能没有直观的线性关系。

(3)各性能指标的最佳配合比：透水系数是4A，抗压强度是7C。比较两个最佳配合比，为保证透水性混凝土具有良好的透水性能和力学性能，建议采用配合比为水灰比0.32，骨灰比3.6，粒径9.5～16。

[1] 朱平华, 张鑫鑫. 路用透水性再生混凝土研究现状与发展趋势[J]. 混凝土， 2015(10).

[2] 孟云芳, 眭克仁, 买文智. 复合矿物掺和料对混凝土的增强效应[J]. 建筑材料学报， 2008, 10(6).

[3] 王宾, 周立超, 潘杰, 等. 透水性混凝土材料试验研究[J]. 科学技术与工程， 2010, 10(16).

[4] 钱波, 程鹏, 李淮旭, 等. 基于相似正交试验的透水性混凝土配合比研究[J]. 混凝土， 2009(5).

广西大学生创新创业训练计划(项目编号:201410595111)，广西高校科学技术研究项目(项目编号:LX 2014140)

程聪武(1994～)，男，本科在读，土木工程专业。

蒋慧(1978～)，女，硕士，讲师，从事土木工程施工技术与管理、结构分析与优化研究。

TU528.59

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[定稿日期]2016-05-09