掺合料和外加剂等对透水混凝土性能的研究★

何俊皓 蒋元海 陈海 唐越波 吴少杰 王璠 白家阳

(嘉兴学院，浙江 嘉兴 314001)

水是地球万物的组成部分，是人类与社会生存和发展的基础。但在社会飞速发展的影响下，水资源的需求量与日俱增，加剧了我国水资源供需矛盾，水资源污染严重，水资源匮乏的现象。此外，建筑业的发展造成地表排水能力下降，增加了水涝的机会，加剧了水涝灾害的危害程度。如何改善我国水资源的现状是我国国情所需。在近几年的实践中发现，建设海绵城市是当前一种有效途径［1］。

海绵城市，国家可持续发展的重要组成部分，可以有效改善水环境污染严重，水涝频发等现状。透水混凝土作为主要建设材料，在海绵城市中起到举足轻重的作用。在国外，透水混凝土技术已十分普遍，在多个实际工程中使用［2］。相比于国外，国内的技术才刚刚起步，透水混凝土强度普遍较低，目前多用于人行道，园林景观和室内地面装饰等。因此，适量提高透水混凝土的强度，可以有效地促进海绵城市的发展，从而提高水资源的重复利用，缓解水资源的短缺，符合国家可持续发展理念。

在前期研究中发现，采用一般方法配置所得的透水混凝土抗压强度普遍较低，难以满足工程需求。为了提高透水混凝土的抗压强度，将增稠剂——羟乙基纤维素、聚酯纤维和硅灰加入透水混凝土的制备，研究三者复合使用对透水混凝土抗压强度的影响。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

水泥:P.O52.5普通水泥，比表面积为 356 m2/kg，密度为3.13 g/cm3，28 d 抗压强度为 54.5 MPa。

粗骨料:级配为4.75 mm～16 mm，表观密度为2 700 kg/m3，紧密堆积密度为1 500 kg/m3。

减水剂:聚羧酸复合减水剂，掺量为0.1% ～0.3%，硫酸钠含量为3%，pH＞7。

硅灰:比表面积为 23.7 m2/g，SiO2含量为 95%，掺量为5% ～10%。

聚酯纤维:直径为0.045 mm，平均长度为10 mm，体积掺量为0.2% ～0.4%。

羟乙基纤维素:掺量0.1% ～0.5%。

砂子:细砂，细度模数为 2.1，级配为 0.25 mm ～0.35 mm，表观密度为2 650 kg/m3，掺量为5%。

1.2 正交试验设计

本次试验将硅灰、羟乙基纤维素、聚酯纤维作为影响因素，采用三因素三水平下对透水混凝土强度和透水性的影响。通过查阅文献资料可知，硅灰适宜掺量范围为5% ～10%［3］，羟乙基纤维素和聚酯纤维适宜掺量为0.2% ～0.5%［4］。根据正交设计原则，各因素水平表如表1所示;通过质量法计算得到各原材料用量，具体数据如表2所示［5］。

表1 正交设计因素水平表

表2 正交试验原材料用量

1.3 试验方法

透水系数试验:按照行业标准CJJ/T 135—2009透水水泥混凝土路面技术规范制作透水系数试验仪器(如图1所示)［5］。将试件侧面用黄油密封后安装在试验装置内，保证水流只往一个方向流动。在量筒内加入一定量的水，记录水下落至某刻度所需的时间，根据式(1)和式(2)计算得出透水系数。

图1 透水系数试验仪器示意图

2 测量器具应符合的要求

量具:分度值为1 mm的钢直尺及类似量具。秒表:精度为1 s。量筒:容量为15 L，最小刻度为1 mL。温度计:最小刻度为0.5℃。

透水系数按式(1)计算:

其中，kT为水温为T℃时试件的透水系数，mm/s;Q为时间t s内的渗出的水量，mm3;L为试件的厚度，mm;A为试件的上表面截面面积，mm2;H为水位差，mm;t为时间，s。

试验结果以3块试件的平均值表示，计算精确至1.0×10－2mm/s。

本试验以15℃水温为标准温度，标准温度下的透水系数应按式(2)计算:

其中，k15为标准温度时试件的透水系数，mm/s;ηT为T℃时水的动力粘滞系数，kPa·s;η15为15℃时水的动力粘滞系数，为水的动力粘滞系数比。

抗压强度:按照GB/T 50081规定的方法进行试验和评定，试件采用透水系数测试后的试块。

3 试验结果与分析

正交试验结果如表3所示，极差分析结果如表4所示，折线图如图2，图3所示。

表3 正交试验结果

表4 正交试验极差分析

图2 抗压强度极差分析

图3 透水系数极差分析

3.1 试验结果分析

通过对实验结果进行分析可知，随着硅灰含量的增加，混凝土强度不断增大，这是因为掺合料的添加能填充水泥颗粒间隙，提高混凝土密实度，从而提高透水混凝土的强度［6］。随着羟乙基纤维素掺量的增加，透水混凝土抗压强度先增大后减小，在掺量为0.2%左右时，透水混凝土强度达到最优。随着聚酯纤维的增加，透水混凝土的抗压强度不断增大，这是因为纤维在混凝土内部起到桥架的作用，在开裂过程中可以承受一定的拉应力，宏观上表现为透水混凝土的抗压强度得到提高［6］。

通过对试验进行极差分析可知，影响透水混凝土强度的最主要因素为聚酯纤维，其次为硅灰，影响最小的为羟乙基纤维素。

3.2 透水性结果分析

通过对透水性试验结果分析可知，伴随着硅灰掺量的增加，透水混凝土的透水性成反比变化，这是因为硅灰的增加使混凝土密实度提升，减小了内部孔隙率，造成透水性下降。随着羟乙基纤维素含量的增加，透水混凝土的透水性有略微下降，掺量为0.2%时，透水性能较好。这是因为羟乙基纤维素为一种增稠剂，它可以增加混凝土的稠度，流变性，水泥浆体对骨料的包裹更加充分，导致骨料间的空隙减小，降低了透水性［8］。随着聚酯纤维掺量的增加，透水混凝土透水性无明显变化，但考虑到纤维在添加过程中易出现成团现象，将最优掺量定为0.2%。

通过极差分析结果可知，对透水混凝土透水性影响最大的是硅灰，最小的是聚酯纤维。

3.3 综合结果分析

综合考虑硅灰，羟乙基纤维素，聚酯纤维三个因素的复合使用影响，在保证抗压强度和透水性能都达到最优的前提下，本次实验得到的最佳掺量为:硅灰10%，羟乙基纤维素0.2%，聚酯纤维0.4%，最佳掺量组合下的透水混凝土配合比如表5所示。

表5 透水混凝土配合比 kg/m3

用此配合比实验得到的透水混凝土抗压强度为24.2 MPa，透水系数为6.6 mm/s，满足行业标准CJJ/T 135—2009透水水泥混凝土路面技术规范的要求。

4 结语

1)透水混凝土的抗压强度与硅灰和聚酯纤维的掺量成正比关系［9］;透水混凝土的强度随羟乙基纤维素掺量的增加先增大后减小。聚酯纤维对透水混凝土抗压强度影响最大，羟乙基纤维素对透水混凝土抗压强度影响最小。

2)透水混凝土的透水系数与硅灰掺量成反比关系;羟乙基纤维素对透水混凝土透水性影响较低，只有略微下降;而聚酯纤维对透水混凝土的透水性无明显影响。其中硅灰对透水混凝土透水性的影响最大，聚酯纤维影响最小。

3)本次条件下的最优配合比:硅灰10%，羟乙基纤维素0.2%，聚酯纤维0.4%，最佳掺量组合下的透水混凝土配合比为:m(水泥)∶m(水)∶m(石子)∶m(砂子)∶m(硅灰):m(减水剂)∶m(羟乙基纤维素)∶m(聚酯纤维)=313.2∶104∶1 470∶77∶34.8∶0.696∶0.696∶1.392。用此配合比实验得到的透水混凝土抗压强度为24.2 MPa，透水系数为6.6 mm/s，满足行业标准 CJJ/T 135—2009透水水泥混凝土路面技术规范的要求。