透水混凝土的孔隙结构特点及孔隙率研究

石广顺

(中国民航大学 天津 300300)

透水混凝土是由粗骨料、胶凝材料、水、外加剂和掺合料组成，具有透水透气、易维护性、高散热性、吸声减噪、易于装饰的特点。在微观结构中，粗骨料充当骨架结构，因此透水混凝土的强度也主要取决于粗骨料间的嵌挤力。由于不含有细集料，透水混凝土内部孔隙较大，水泥石之间连接面积较小，削弱了水泥石间的嵌挤作用力，因此透水混凝土的强度比密实混凝土低[1]。正是因为透水混凝土的大孔、多孔的结构特点，水分才可以及时流出，使其具有良好的渗水性能，成为“海绵城市”建设中广泛采用的工程材料。

一、透水混凝土内部孔隙及特征

透水混凝土的孔隙按照存在部位大致可分为两类[2]：一是相邻粗骨料间形成的大孔，这类孔隙对渗水性能起到关键作用，尺寸一般达到毫米级；二是粗骨料表面水泥石包裹层内部形成的小孔隙，小孔隙中包括毛细孔、凝胶孔及施工过程中形成的孔隙等。凝胶孔是散布在水泥胶体中的微小空间，由水泥水化的化学收缩形成，其尺寸很小，多在0.03-0.3μm，且大部分为封闭孔隙结构，属于无害孔。毛细孔是指水泥水化后水分蒸发导致凝胶体逐渐变稠硬化，水泥石内部形成的孔隙，毛细孔一般形状不规则，尺寸在1-50μm，大部分是开放孔隙。

按照对渗水性能的影响可分为三类：连通孔隙、半连通孔隙、封闭孔隙[3]。连通孔隙并不储存水，只起到运输水分的功能。半封闭孔隙是指上部开口，下部密封的孔隙，水分能顺利渗入但不能及时排出，因此对渗透性影响不大。封闭孔隙由于不与外界连通，对渗水性能没有任何影响。对于半连通孔隙，水分进入后会停滞不能及时排出，只起到储水的作用效果，理论上属于无效空隙。但是，有学者认为贮存的水分后期会缓慢挥发到大气中。因此从广义上来说，有效孔隙又包括半连通孔隙。

二、透水混凝土孔隙率测定

由于孔隙较普通混凝土而言数量多而且孔径大，普通密实混凝土的孔隙率试验方法并不适用于透水混凝土。全孔隙率是指全部孔隙体积占混凝土试件总体积比值的百分数。有效孔隙率是指有效孔隙体积占试件总体积的比值百分数。概括来说，透水混凝土孔隙率的测定主要有三种方法：量体积法、胶带密贴蜡封法、图像处理法[4-5]。

量体积法是根据混凝土试件外观尺寸及孔隙体积进行几何测量，通过质量表达出孔隙率的测定方法。根据ASTM C1754/1754M-12试验规程，透水混凝土全孔隙率按公式2-1计算：

(2-1)

其中，P-全孔隙率；

M1-试件在恒温恒湿条件下静置48h后，试件的绝干质量；

M2-将试件浸泡在水中48h后至水达到饱和状态之后，试件在水中的质量；

ρw-水的密度；

V-试件的外观体积，试件外观尺寸为100mm×100mm×400mm

胶带密贴蜡封法是针对试件在制作或脱模过程中发生边角损坏时使用的孔隙率测定方法。边角损坏会造成混凝土试件变得不规则，以至于应用公式2-1时体积V不是简单地尺寸计算，因此用体积量测法会造成较大的误差。操作步骤为：将胶带缠绕混凝土试件表面至完全包裹，称其质量后放入热融化的蜡油中反复滚动使得有胶带包裹的试件完全被蜡油封闭，然后将试件取出冷却，置入水中浸泡至无气泡冒出为止。根据胶带密贴蜡封法求得试件的真实体积V如公式2-2所示。该方法优点在于对试件形状要求低，可以较准确地计算出不规则试件的体积。

(2-2)

式中：ρw、ρ蜡、ρ胶分别为水、蜡、胶的密度，取1g/cm3、0.86g/cm3、0.82g/cm3；

m1—试件在恒温恒湿条件下静置48h后，试件的绝干质量；

m2—试件浸泡在水中48h后至水达到饱和状态之后，试件在水中的质量；

m3—将试件用胶带包裹后，试件与胶带的总质量；

m4—包裹后的试件被蜡油封闭后的质量；

m5—将被蜡油密闭的试件放入水中至无气泡产生后的质量；

图像处理法是一种新型测定多孔混凝土孔隙率的方法，应用了现代图像处理技术。操作步骤为：将养护至龄期的透水混凝土进行切割，用清水冲去表面上的碎粉末，然后涂上黑漆以提高计算精确度，获取截面数码图像后进行灰化处理。利用不同颜色的色素谱，计算平面孔隙率=(∑孔隙面积)/截面面积。利用图像处理法可以较准确地得出孔隙率的数值，而且为孔隙结构的研究提供了基础。通过切割多孔混凝土试件，还可以获取截面孔隙的形状、迂回曲度等参数信息，为多孔混凝土内部孔隙的研究提供了有效的思路。

三、总结

本文主要通过分析透水混凝土的组成材料，分析了其内部的孔隙类型及其特点。按照孔隙存在部位与对渗水性能的影响将透水混凝土内部的孔隙进行了分类。此外，总结了透水混凝土孔隙率的三种测定方法：量体积法、胶带密贴蜡封法、图像处理法，并分析了各自的特点，为透水混凝土的工程应用提供了一定的理论基础。