透水混凝土抗堵塞性能影响因素研究

曾凡贵，张意，曾路，王瑶，莫坚方

（1重庆建工住宅建设有限公司，重庆 400015；2重庆大学 材料学院，重庆 400045）

引言

研究表明[1]，透水混凝土能合理利用降雨，使雨水渗透到地下，补充地下水位，既改善了因地下水位低而产生的地面塌陷，又能改善土壤条件，缓解城市热岛效应，有利于绿色植物和土壤微生物的生长。欧美和日本等发达国家基本上从二十世纪七八十年代就开始研究并应用透水混凝土。1995年，南伊利诺伊大学的Nader Ghafoori[2]讨论了透水混凝土作为道路材料的使用技巧，并对其物理力学性能进行了试验研究与分析。美国Iowa State University[3-4]对透水混凝土进行了比较全面的研究，包括透水混凝土的配合比设计、养护方法、工作性能及其影响因素、施工和质量控制等。

而随着透水混凝土应用的推广，透水混凝土的问题也暴露出来，随着使用时间的推移，会出现透水混凝土透水性能下降。早期的研究发现透水混凝土路面使用五年后，其渗透性降低的90%[5-6]。地表径流携带的细砂，碎石，粘土会随着水流流入透水混凝土的孔隙之中，造成透水混凝土孔隙的堵塞，严重影响了路面排水、透气降噪的性能。由于孔隙堵塞引起的透水混凝土的渗透性降低，使其演变成非透水路面[7]，透水混凝土路面的功能难以发挥，造成城市洪涝和冻融灾害的发生[8]。

国内外对这一现象进行了一定程度的研究。Reiser等[9]根据堵塞发展过程不同，将透水混凝土路面的堵塞分为2种类型：一类堵塞是少量沉积物持续或循环沉积的缓慢过程；另一类是快速堵塞过程。Jimenez等[10]分析研究了透水路面的渗透性随时间的演化规律。Kayhanian等[11]采用美国国家沥青技术中心的试验装置，通过变水头试验方法对停车场的透水混凝土路面的堵塞进行了评估。

但是，目前国内外对透水混凝土堵塞这方面的研究较少，还没有一个统一可靠的对透水混凝土抗堵塞性能好坏评判标准。本文旨在通过一定的影响因素，来研究其对透水混凝土抗堵塞性能的研究，为下一步的研究提供基础。

1 实验部分

1.1 原料

1.1.1 水泥

实验用水泥采用重庆富皇水泥有限公司生产的42.5R级普通水泥。

1.1.2 骨料

实验用的骨料为天然中砂，产自岳阳，表观密度为2690 kg/m3，细度模数为3.2。本实验选取中沙粒径为0.6～1.18mm，1.18～2.36mm，2.36～4.75mm三种级配的砂子作为实验用的集料。将三种骨料分别命名为G1，G2，G3。

1.1.3 减水剂

本实验的减水剂采用瑞士西卡高性能聚羧酸减水剂540P，呈白色粉末状。实验中减水剂的掺量通过水泥跳桌实验确定。

1.1.4 堵塞剂

本实验中的堵塞剂采用岳阳产的特细砂与重钢生产矿渣，具体性能分别见表1与表2。将粒径为小于0.08mm的部分用矿渣粉代替，记做D1，粒径0.08～0.15mm的特细砂堵塞剂记为D 2，粒径0.15～0.3mm的特细砂堵塞剂记为D3，0.30～0.60mm的特细砂堵塞剂记为D4。将75%的全级配特细砂与25%矿渣粉混合的堵塞剂记为D5。

1.2 实验方法

表1 特细砂的性能

表2 矿渣粉的性能

1.2.1 强度

本实验采用的搅拌方法为两次加料法，按表3的配比进行加料。全部的试件的混凝土由JJ-5行星式水泥胶砂搅拌机搅拌而成，采用插捣和振动成型，带膜养护24h，拆模后把试件放到实验室的养护室中养护。参照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》中的要求进行抗压强度测试，试件规格：40mmx40 mmx160mm。

表3 实验方案

1.2.2 透水测试

透水实验试样尺寸为100mmx100mmx20mm，透水仪见图1。该设备为两端开口的有机玻璃方框，尺寸为100mmx100mcmx350mm，上面刻有上下两条刻度线。将试件侧面轻轻浸入蜡液中，四面都均匀的裹上一层蜡，晾干后再重复一遍以上的操作。完成后的效果如图2。用橡皮泥对试件和透水仪进行密封，向透水仪中加水至超过上刻度。待水面下降至上刻度时开始计时，下降至下刻度时计时一次。透水系数按下式计算：

V=H/Δt

式中 H为水位下降高度，20mm；Δt为水从上刻度高度降至下刻度的时间。

1.2.3 模拟堵塞实验

将10g堵塞剂均匀洒在透水混凝土试件表面，测透水系数。重复加入等量堵塞剂，直至透水时间大于2500s（透水系数小于0.1mm/s），停止实验。记录下加入堵塞剂的次数以及重量。测完后将滞留在试件表面的堵塞剂刮下来，放进鼓风干燥箱中以60℃的温度烘24h，称量并记录收集到的堵塞剂的重量，用来计算堵塞剂滞留在试件表面的百分比。

完成上述步骤的试件放在通风处放置24h，第二天用猪毛刷对该试件进行清洁，然后在水龙头下冲洗15s，模拟透水混凝土路面的清洁方式对其进行清洁。如图3为同一组清洗前后的试件。

清洁完成后，再次进行透水系数测试。获得清洗后的透水时间，与堵塞前的透水时间进行对比，获得透水恢复系数。

图1 透水测试仪

图2 蜡封效果图

图3 试件清洗前后对比

2 试验结果及分析

2.1 堵塞剂粒径对透水混凝土抗堵塞性能的影响

图4是三种不同粒径集料的透水混凝土，用四种堵塞剂，进行四次堵塞循环的实验。图5为集料为G2，堵塞剂为D2和D5的实验小组对比，比较单一级配的堵塞与连续级配的堵塞剂对透水混凝土堵塞的影响可以看出。

从图4中可以看出，随着堵塞剂的加入，透水混凝土试件的透水系数明显下降。堵塞剂为D4，不同集料粒径透水系数的下降速率都是最慢的，四次循环后试件的透水系数维持在较高的水平，约为未堵塞之前的50%。其他三组试件四次堵塞循环后透水系数都下降到原来的20%以下。所以D4粒径及其以上的堵塞剂不是孔隙率为15%透水混凝土的主要堵塞物质。

图4 堵塞剂对透水系数的影响

而从图5可以看出连续级配的堵塞剂更容易形成堵塞。

图5 单一与连续级配堵塞效果对比

表4为堵塞循环后对试件进行清洗过后的透水系数恢复情况。被D4堵塞的试件，清洗过后透水系数能恢复到未被堵塞时的90%以上，其他三种粒径却恢复程度较低，因此可以认为堵塞剂D4大部分沉积在试件表面，对透水混凝土内部的连通孔隙并未造成严重堵塞。这也与Deo[10]的结论相似，Deo认为粒径过大的颗粒并未进入透水混凝土内部，而是因为在表面覆盖了透水混凝土表面的孔隙。

表4 透水系数恢复百分比

2.2 孔隙率对透水混凝土堵塞性能的影响

本实验设置了实验组4、5和6，设计孔隙率分别为10%，15%，20%。每组试验中包括三种不同粒径的集料成型的试件。图6为不同孔隙率试件的7d抗压强度。由图可知，设计孔隙率越大，透水混凝土的抗压强度越低。这一现象也已被很多研究证明。

图6 不同孔隙率和集料粒径试件7天抗压强度

表5为集料G1的不同设计空隙率透水混凝土试件的抗堵塞性能的影响。随着设计孔隙率的增加，堵塞循环次数增加，透水系数恢复百分比增加。原因是设计空隙率越小，浆体含量越多，集料之间的孔隙的充填增加，导致孔隙变小，曲折程度增加，堵塞物更容易堵塞。而对于大孔隙率的试件，联通的孔较多，水流较大，堵塞物易被水流冲走，从而恢复透水系数。但是孔隙大的混凝土强度较低。且孔越大，堵塞物易沉在底部，长期以来也会形成堵塞。

表5 孔隙率对透水混凝土堵塞恢复的影响

3.3 水灰比和塌落度对透水混凝土堵塞性能的影响

图7 水灰比对透水混凝土抗堵塞性能的影响

图8 扩展度对透水混凝土堵塞的影响

通过实验组为4、7和8，集料粒径为G2的透水混凝土来探究水灰比对透水混凝土抗堵塞性能的影响，水灰比梯度分别设置为0.24，0.26 和0.28，通过调整减水剂的加入量保持水泥净浆扩展度为160mm。图7为水灰比对透水混凝土抗堵塞性能的影响。由图7可知，水灰比增加，堵塞循环次数降低，但影响不大。

通过实验4、实验9和实验10，集料为G2，扩展度分别为160mm，180mm和205mm。来探究浆体流动度对透水混凝土抗堵塞性能的影响。图8为扩展度对堵塞循环次数的影响。从图8可以看出，浆体扩展度增大，透水系数和抗堵塞性能急剧下降。原因是浆体扩展度增大，会出现沉浆，下表面被浆体堵塞，从而导致抗堵塞能力下降。

表6为浆体扩展度对透水混凝土堵塞性能的影响。表中可以看到，随着扩展度的增加，滞留试件表面的堵塞物百分比增加。可能的原因是，扩展度增大时，试件表面孔隙率减小，堵塞物无法进入透水混凝土内部的孔隙，滞留在表面的堵塞物的质量增加。同时表面孔隙较少，透水混凝土的清洁养护的困难程度也大大提高，清洗后透水性能的恢复程度也较低。

表6 扩展度对透水混凝土堵塞恢复的影响

4 结论

（1）改变堵塞物粒径大小，堵塞剂D4四次循环后试件的透水系数维持在较高的水平，约为未堵塞之前的50%。其他三组试件四次堵塞循环后透水系数都下降到原来的20%以下。粒径较大的堵塞物颗粒无法对透水混凝土试件进行有效的堵塞，连续级配的堵塞剂对透水混凝土的堵塞效果更明显。

（2）设计空隙率越大，在表面的堵塞物越小，在实验条件下透水恢复情况更好，但是实际中仍会形成堵塞。

（3）在成型透水混凝土的过程中，要特别控制浆体的扩展度。扩展度为160mm的透水系数恢复可达到62.4%，而扩展度为180mm仅为51.6%。扩展度过大，流动性过高，会造成透水混凝土底面出现挂浆的情况，造成表面孔隙的堵塞，减少表面连通孔的数量，严重影响透水混凝土的透水性能，使孔隙更容易被堵塞失效。

（4）可在混凝土表面设置一层孔直径小于大多数路面灰尘的砂浆，灰尘不会落到混凝土内部，且在表面易于清洗。从而保持一定的透水系数和耐久性。

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