透水混凝土路面透水性能的影响因素研究

姜 成,赵金辉,吴梦珂，孙 瑶

(南京工业大学城市建设学院,江苏 南京 211816)

透水混凝土路面透水性能的影响因素研究

姜 成,赵金辉,吴梦珂，孙 瑶

(南京工业大学城市建设学院,江苏 南京 211816)

研究了骨料粒径及级配、孔隙率、堵塞物质类别及粒径对透水混凝土(Permeable concrete,PC)透水性能的影响。结果表明：PC的透水性能随骨料粒径与级配的改变而改变,4.75～9.50 mm单级配骨料的PC综合性能最好,连续级配的PC力学性能和透水性能变化相反。透水系数随着孔隙率的增大而增大,两者呈幂函数关系。0.3～0.6 mm刚性砂砾对PC透水性能影响最大,0～2.36 mm范围全粒径级配的砂砾会在PC表面形成密实的堵塞层,使透水性能急剧下降；处于多粉尘和油污环境中的透水混凝土路面(Permeable concrete pavement,PCP)透水性能衰减较快,需及时清理才能保持合适的透水性能。

透水混凝土；透水性能；骨料级配；孔隙率；堵塞物质

透水混凝土(Permeable concrete,PC)是由单一级配的粗骨料、水泥、水和添加剂等经特殊工艺拌制而成的含有众多贯通孔隙的混凝土[1]。近年来,随着城市内涝灾害的频繁发生,PC这种生态环保型的路面铺装材料越来越受到重视。与普通混凝土路面相比,透水混凝土路面(Permeable concrete pavement,PCP)具有良好的透水、透气性能[2],因此它不仅能缓解城市洪涝灾害,还具有补充地下水资源、调节城市温湿度、增加行人舒适度等优点[3-4]。

目前国内对PC的制备工艺、配合比设计、力学性能等方面进行了比较全面的研究[5],但对于不同因素对PCP透水性能的影响方面的研究还不够。本文研究骨料粒径及级配、孔隙率、堵塞物质类别及粒径等因素对PCP透水性能的影响。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥：太仓海螺水泥有限责任公司生产的P·O42.5级普通硅酸盐水泥。

骨料：南京汇森石料厂生产的花岗岩碎石,不同粒径的骨料技术性能见表1。

表1 骨料技术性能

减水剂：上海臣启化工科技公司生产的聚羧酸缓凝高性能减水剂,掺量为0.3%时减水率为22%。

水：自来水。

1.2 成型工艺及养护方法

搅拌采用集料表面包裹法[6],即先将全部骨料和70%的水加入强制式搅拌机中预先搅拌60 s,然后加入50%的水泥和所有减水剂,继续搅拌60 s,最后将剩余的50%水泥和30%的水加入搅拌机搅拌120 s。试件采用压制法成型,将拌合物装入定制的静压成型模具中,用压力机施加压力,成型压力为1.5 MPa,恒压时间为 10 s。测试试件为直径110 mm、高100 mm的圆柱体,试块与成型模具采用一体化设计,即在后续试验中试块不用从模具中取出。试件成型后带模标准养护24 h后拆模,然后继续在标准养护室中养护28 d至测试龄期。

1.3 研究内容

1.3.1 影响因素

本试验考虑三种不同的影响因素,分别为：

1)骨料粒径及级配 试验中固定水灰比为0.3,集灰比为3.7,分别用不同粒径的骨料单独拌制透水混凝土,以及应用混料设计方法通过改变不同粒径骨料的百分比来进行粒径的级配试验。

2)孔隙率 本试验采用体积法对PC试块进行配合比设计,骨料粒径4.75～9.5 mm,试验设计孔隙率为10%～30%，共5组,通过调整集灰比和水灰比来制作出不同孔隙率的试块；每组配比制作2个试块,集灰比相同，水灰比分别为0.25和0.30。不同配合比的试块实测孔隙率及透水系数见表2。

表2 孔隙率对透水混凝土透水性能影响试验配合比及结果

3)堵塞物质类别及粒径 试验中以目标孔隙率为20%的PC试块为试验对象,其初始透水系数为16.12 mm/s。选取不同粒径的砂砾、黏土以及沾染油污的泥沙来测试PC在被不同物质堵塞后透水性能的变化,其中干燥黏土与水以及干燥泥沙与废弃机油以4∶1的比例混合并拌合均匀,每次将堵塞物质各取1 g均匀涂抹在试块表面,并用橡胶锤轻轻拍实后在自然环境中放置3 d,连续10次,以模拟PCP在实际使用中的堵塞过程。养护结束后先测定各试块的透水系数,再将试块放在水槽中用3 MPa高压水枪冲洗堵塞面并称量统计各类堵塞物质的穿透率。

1.3.2 孔隙率测定

PC中的孔隙主要有封闭孔隙、不连续孔隙和贯通孔隙三种,其中只有贯通孔隙是水的渗透通道,这也称为PC的有效孔隙率。本试验所测定的孔隙率为贯通孔隙,其方法是先将试块在水中浸泡1 d,并称量试块浸水饱和状态下的质量为m1,然后将试件烘干至恒重后测定其质量为m2,根据式(1)计算PC试块的孔隙率P。

(1)

式(1)中：V为试块的体积；ρ水为水的密度。

1.3.3 透水系数测定

图1 自制透水仪

图2 定制模具

利用自制的透水仪(图1)采用“定水头法”测定PC试块的透水系数[7]。在制作试块前,在模具内侧面用玻璃胶每隔30mm划出一道圆圈(图2),以保证测试过程中水流不会从试块与模具接触面的缝隙中流出而引起短流,提高测定结果的精确性。测试前先将试块浸水饱和,测试过程中透水仪中水位取50mm,记录一定时间内烧杯中收集的水量,根据式(2)计算透水系数K(mm/s),每个试块测定3次取平均值。

(2)

式(2)中：Q为渗流量，mm3；L为试块的高度，mm；A为试块横切面面积，mm2；h为水头高度差，mm；t为试验持续时间，s。

1.3.4 抗压强度测定

PC试块的抗压强度按照《普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T 50081—2002)》进行,测定试块28 d的抗压强度。

2 试验结果分析

2.1 骨料粒径及级配对PC透水性能的影响

由表3可见,PC的各项技术指标与骨料粒径关系密切。大粒径配比的PC 28 d抗压强度下降的原因主要是骨料粒径增大,骨料颗粒间的咬合点减少,由此产生的咬合摩擦力及其与水泥浆体的粘结力减小所致[8]；而此时PC的透水性能会显著增强,这是因为骨料的粒径会直接影响到PC的孔隙率和孔径；随着粗骨料粒径的增大,成型后的PC逐渐从密实结构转变为疏松的骨架结构,孔隙率和孔径也随之增大,水流通过的摩擦阻力和能量损失减小。从试验结果中可看出透水系数和抗压强度是一对矛盾的性能指标,综合这两个指标可得出,4.75～9.50 mm的单级配PC性能最佳。

表3 骨料粒径对透水混凝土透水性能的影响

如表4所示,随着2.36～4.75 mm粒径骨料的减少和4.75～9.50 mm粒径骨料的增多,PC的有效孔隙率和透水系数逐渐升高,抗压强度逐渐降低。结合表3可知，在2.36～4.75 mm粒径骨料占80%、4.75～9.50 mm粒径骨料占20%时,有效孔隙率最小,抗压强度最高。这是因为在此骨料比例下,小粒径骨料大部分密实地填充到了大粒径骨料的孔隙中,PC达到了堆积最紧密的状态。当加入9.50～16.00 mm的粗骨料后,PC抗压强度显著降低,而透水性能则明显增强,主要原因是大粒径骨料会形成较大的孔径,进一步减少了骨料间的咬合点和水流与孔壁的接触面积。

2.2 孔隙率对PC透水性能的影响

图3为实测孔隙率与透水系数之间的关系,从图中可发现,两者呈现明显的幂函数关系,拟合后PC的透水系数与孔隙率的关系式如下：

图3 孔隙率对透水性能影响

PC的透水系数随着有效孔隙率的增大而增大,这是因为水流在通过PC内部贯通孔隙时,会与孔隙内壁及水流内部产生摩擦而消耗掉一部分能量,使水流速度逐渐降低[9]。孔隙率越小,贯通孔隙的内径越小且迂回曲折,水流通过的路径就越长,消耗的能量也会越多。随着有效孔隙率的增加,贯通孔隙的数量及内径都会增大,水流的实际过水断面面积增加,大孔径孔隙的相对粗糙度小于小孔径孔隙的相对粗糙度,因此水流在渗透过程中受到的摩擦阻力就越小,从而导致水流速度加快。

表4 骨料级配对透水混凝土透水性能的影响

2.3 堵塞物质类别及粒径对PC透水性能的影响

PCP建成后,地面交通、植被落叶和地表径流所携带的泥沙会逐渐堵塞孔隙,致使PCP的透水系数降低甚至丧失透水能力[10]。对PCP堵塞物质进行取样筛选,发现刚性颗粒状的堵塞物质粒径绝大部分在2.36mm以下,更大粒径的堵塞物质在日常路面清洁维护时会被清理掉,小粒径的颗粒因镶嵌在路面的孔隙中难以被清除而残留下来,且粒径越小渗入PC的深度越深[11]。堵塞物质粒径及类别对PC透水性能的影响试验结果见表5。

从图4中可以看出,当堵塞物质为刚性的砂砾时,随着砂砾粒径的增大,PC透水系数先减小后增大。砂砾粒径小于0.075mm时,因粒径太小且相互之间没有粘结力,砂砾难以堵塞在贯通孔隙中,在试块表面有一定水压的情况下,86.65%砂砾会随水流穿过孔隙。随着粒径的增大,砂砾会因孔径不规则而堵塞堆积在孔隙中,使孔隙过水断面面积减小,透水系数也迅速降低,由图4可知0.3～0.6mm粒径砂砾对20%目标孔隙率的PC透水性能影响最大。当砂砾粒径大于0.6mm后,水流不能再将砂砾带到贯通孔隙的深处,大部分砂砾聚集在透水混凝土表面,因大粒径砂砾与砂砾、砂砾与PC之间所产生的孔隙也较大,水流在通过PC表层后迅速下渗,因此对透水性能影响较小。随着水流的流动，0～2.36mm范围全粒径级配砂砾中大粒径砂砾会堵塞在PC表面孔隙中,使孔隙的孔径减小,之后更小粒径的砂砾又会堵塞在新形成的小孔隙中,这样孔隙的横截面进一步减小,粒径较小的砂砾不能再随水流进入贯通孔隙深处,这样就会在PCP表面形成一定厚度的密实堵塞层,使透水系数急剧下降。

表5 堵塞物质类别及粒径对透水混凝土透水性能的影响

图4 不同粒径及类别的堵塞物质对透水性能的影响

黏土是含砂砾很少而有黏性的土壤,由于其具有很强的可塑性,黏土在PC表面被行人踩踏和车辆碾压后会嵌入孔隙中,并且干燥后会阻碍水分通过,当PCP表面有积水时,水流只能透过黏土缓慢下渗。修车铺和餐饮区等特殊场所附近的泥沙往往带有油污,这种泥沙进入孔隙中后会与孔隙壁紧密粘贴在一起并形成油膜,水流极难透过,使透水性能进一步降低。《透水水泥混凝土路面技术规程(CJJ/T135—2009)》规定,PCP的透水系数应大于等于0.5mm/s[12]。可见，长期被黏土和带油污的泥沙堵塞的PCP透水性能会受到很大影响,必须及时清理才能保持合适的透水性能。

3 结 语

1)PC的透水性能和力学性能随骨料粒径与级配的改变而改变。含80%的2.36～4.75mm骨料和20%的4.75～9.50mm骨料连续级配的PC力学性能最好但透水性能不佳；4.75～9.50mm单粒径的PC综合性能最好。

2)孔隙率与透水性能关系密切。透水系数随着孔隙率的增大而增大,两者呈现明显的幂函数关系。

3)不同粒径及类别的堵塞物质对PC透水性能影响不同。0.3～0.6mm粒径的刚性砂砾对PCP透水性能影响最大,0～2.36mm范围全粒径级配的砂砾会在PC形成密实的堵塞层,使透水系数急剧下降；处于多粉尘和油污环境中的PCP透水性能会衰减得很快,需及时清理才能保持合适的透水性能。

[1] 徐仁崇, 桂苗苗, 龚明子,等. 不同成型方法对透水混凝土性能的影响研究[J]. 混凝土, 2011(11): 129-131．

[2] 杨杨, 程娟, 郭向阳. 关于透水混凝土的孔隙率与透水系数关系的探讨[J]. 混凝土与水泥制品, 2007(4):1-3．

[3]DrakeJ,BradfordA,SetersTV.Hydrologicperformanceofthreepartial-infiltrationpermeablepavementsinacoldclimateoverlowpermeabilitysoil[J].JournalofHydrologicEngineering, 2014, 19(9):159-169．

[4] 蒋正武,孙振平,王培铭. 若干因素对多孔透水混凝土性能的影响[J]. 建筑材料学报, 2005, 8(5): 513-519．

[5] 张朝辉,王沁芳,杨娟. 透水混凝土强度和透水性影响因素研究[J]. 混凝土, 2008 (3): 7-9．

[6] Henderson V, Tighe S L. Evaluation of pervious concrete pavement permeability renewal maintenance methods at field sites in Canada[J]. Canadian Journal of Civil Engineering, 2011, 38(12): 1404-1413．

[7] 倪彤元, 胡康虎, 何锋. 降雨条件下透水混凝土渗透性能研究[J]. 城市道桥与防洪, 2011(11):137-138．

[8] 张贤超.高性能透水混凝土配合比设计及其生命周期环境评价体系研究[D].长沙：中南大学,2012．

[9] Boving T B, Stolt M H, Augenstern J, et al. Potential for localized groundwater contamination in a porous pavement parking lot setting in Rhode Island[J]. Environmental Geology, 2008, 55(3): 571-582．

[10] Bean E Z, Hunt W F, Bidelspach D A. Evaluation of four permeable pavement sites in eastern north carolina for runoff reduction and water quality Impacts[J]. Journal of Irrigation & Drainage Engineering, 2014, 133(6):583-592．

[11] Fassman E A, Blackbourn S. Permeable pavement performance over 3 years of monitoring[C]∥Low Impact Development 2010: Redefining Water in the City. ASCE San Fransisco, 2010: 152-165．

[12] 江苏省建工集团有限公司，河南省第一建筑工程集团有限责任公司.CJJ/T 135—2009透水水泥混凝土路面技术规程[S]．北京：中国建筑工业出版社，2009.

Study on the Influence Factors of Permeability Performance for the Permeable Concrete Pavement

JIANGCheng,ZHAOJinhui,WUMengke,SUNYao

2016-09-23

姜 成(1991—),男,湖北黄冈人,硕士,研究方向为城市给水排水。

TU528.01

A

1008-3707(2017)01-0061-05