透水水泥混凝土配合比设计与技术性能研究

杨幼江， 薛维龙， 蒋玉龙， 宋文学， 吴进良

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司， 武汉 430056； 2.包头市公路工程股份有限公司， 内蒙古 包头 014060； 3.重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074)

随着我国城市内涝问题频发，城市建设与治理中引入“海绵城市”[1]理念。国内外学者研究发现，大孔隙透水混凝土路面不仅具有吸热和储热能力，也是一种良好的排水材料[2]，有助于解决城市内涝问题。近年来，通过对大孔隙透水水泥混凝土成型工艺及力学性能等的研究，逐渐形成了相应的技术规范，本文依照规范要求，对重庆地区大孔隙透水水泥混凝土进行研究，希望对今后海绵城市的地区性建设提供参考。

1 原材料选择

1.1 水泥

水泥对混凝土强度有很大影响，其选择应参照技术规范CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》[3]，采用了重庆邻水地区的P·O 42.5水泥，其性能满足GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》[4]中的相关要求。

1.2 骨料

水泥混凝土中，骨料分为粗骨料与细骨料。骨料之间相互嵌挤构成水泥混凝土的骨架，骨架可以单独承受荷载，能够很好地抑制结构收缩，防止混凝土结构因收缩产生裂缝。良好的颗粒级配对混凝土的性能提升比较显著，能够有效降低水和水泥用量，还能够很好地提高混凝土的和易性、保水性等。本文使用重庆市某采石厂提供的5 mm～16 mm石灰岩骨料，其性能满足规范GB/T 14685—2011《建设用碎石卵石》[5]中的相关要求。

1.3 粉煤灰

粉煤灰作为一种活性矿物掺合料，它具有改善拌和物的和易性、流动性、粘聚性与保水性的作用，特别是对细集料含量很少的透水水泥混凝土。本文采用重庆某公司出产的F类Ⅱ级粉煤灰，出厂指标均符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》[6]中的要求，具体参数如表1所示。

表1 粉煤灰厂控指标 %

1.4 减水剂

减水剂可以降低拌和时的用水量。经过大量尝试发现聚羧酸高效减水剂掺量为1%时能显著降低混凝土拌和用水量，减水率可达28%，同时保有较好的流动性与粘聚性。

2 配合比设计

2.1 设计参数

2.1.1 水胶比

水胶比的高低对拌和物的强度、流动性、和易性、耐久性等都有非常显著的影响。Chindaprasirt[7]发现水胶比为0.20～0.25的材料加入1%高效减水剂进行充分混合后，可以制成15%～25%的孔隙率、抗压强度较高的透水性混凝土。CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》[3]中推荐水胶比范围为0.25～0.35，结合张朝辉等[8]的研究，当试件的水胶比为0.23～0.35时，随着水灰比的增加，透水混凝土的透水系数和强度都呈现出先增加后减少的趋势，本文初试水胶比取为0.30。

2.1.2 原材料密度

透水水泥混凝土一般采用体积法进行配合比设计，本文使用材料的密度如表2所示。

表2 所用原材料密度 kg/m3

2.1.3 目标孔隙率

混凝土试件只有在存在孔隙的条件下才能透水。孔隙率越高，该试件的透水能力就越高，但孔隙率的存在会直接影响混凝土强度，结合以往工程经验与研究成果，本文选择16%、20%、24%为目标孔隙率。

2.2 配合比设计与选择

张贤超等[9]优化了透水混凝土的配合比设计；凌天清等[10]采取了正交试验方法，研究了各因素对透水性混凝土的性能影响程度的高低，本文在此基础上进行后续研究。

2.2.1 计算配合比

按照规范要求采用体积法确定透水混凝土的计算配合比，该步骤是在确定原材料参数与配合比设计方法后进行的。透水混凝土计算配合比如表3所示。

表3 透水混凝土的计算配合比

2.2.2 基准配合比

在试拌过程中，观察拌和物的粘聚性、流动性与泌水量是否满足需要，对用水量进行调整，本文在水胶比0.3的基础上增减0.05进行对比研究，得到如表4所示的基准配合比。

表4 基准配合比

2.2.3 最终配合比

根据基准配合比成型试件后，对孔隙率与强度进行测定，选择其中满足要求的配合比进行后续研究，规范要求强度值不应小于20 MPa，同时通过试验可得实际孔隙率，它与设计孔隙率存在一定的差异，试验结果如表5所示。

根据28 d抗压强度分析发现，当水胶比为0.28～0.32时，混凝土的孔隙率与抗压强度效果满足规范要求，故在后面的研究中选取水胶比0.28、0.30、0.32时的混凝土配合比作为最终配合比进行研究，其最终配合比如表6所示。

3 技术性能

透水水泥混凝土不仅要满足孔隙要求，还要满足相关技术性能的要求。蒋正武等[11]发现透水混凝土的孔隙率、强度以及透水系数主要与骨料的粒径、骨料的级配以及骨灰比相关。

表5 抗压强度与孔隙率测试结果

表6 透水混凝土最终配合比

3.1 孔隙率与有效孔隙率

透水水泥混凝土作为一种透水材料，其内部结构为多孔结构。其孔隙结构主要包括连通孔隙(即有效孔隙)、半连通孔隙与非连通孔隙3种。国内对有效孔隙率P1的测定主要采用排水法[12]，而测定总孔隙率则在参考已有研究文献[13]的基础上再结合现行国家标准测沥青混合料试件孔隙率的方法，类比得出一种计算总孔隙率P2的算法。

有效孔隙率P1：

式中：P1为试件有效孔隙率，%；m2为试件烘干24 h后的质量，g；m1为试件完全侵入水中24 h后的质量，g；ρ为水的密度，g/cm3；V为试件实测体积，cm3。

总孔隙率P2：

式中：P2为试件总孔隙率，%；ρs为透水混凝土毛体积密度，g/cm3；ρt为透水混凝土理论密度，g/cm3；Pc为水泥与碎石的重量比，%；Pf为粉煤灰与碎石的重量比，%；ρc为水泥密度，g/cm3；ρf为粉煤灰密度，g/cm3；ρb为碎石合成毛体积密度，g/cm3；M1、M2…Mn为单种碎石占碎石总质量的百分率，%；ρ1、ρ2…ρn为碎石毛体积密度，g/cm3。

透水混凝土实测孔隙率与有效孔隙率如表7所示，二者的关系如图1所示。

由图1可知，有效孔隙率与总孔隙率之间存在良好的线性关系，且随着有效孔隙率的增大，总孔隙率也增大。

3.2 强度测试

在工程应用中，混凝土强度是首要指标。采用TYA-300C压力试验机对透水水泥混凝土试件测定其28 d抗压强度与抗折强度。研究表明加载速率会影响测试强度[14]，本试验在考虑设计强度的情况下按照规范要求速率进行，试验结果如图2和表8所示，试件破坏后的照片如图3所示。

表7 目标孔隙率、总孔隙率与有效孔隙率 %

图1 有效孔隙率与总孔隙率

由图2可知，有效孔隙率与抗压强度、抗折强度均存在良好的线性关系，如图2(a)、(c)所示；总孔隙率与抗压强度、抗折强度也存在良好的线性关系，如图2(b)、(d)所示。混凝土的抗压强度与抗折强度随着孔隙率的增大而减小。

3.3 渗水系数

混凝土的透水性能一般用渗水系数来表征，该参数是用常水头渗水装置测试，如图4所示。

本文按照规范CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》[3]中仪器原理图，自制简易常水头装置进行渗水试验研究。该装置使用常见PVC塑料薄膜及管材，造价低廉，易拆卸组装，但当水流过大时会有溢水情况。测试步骤如下：

(a) 有效孔隙率与抗压强度

(b) 总孔隙率与抗压强度

(c) 有效孔隙率与抗折强度

(d) 总孔隙率与抗折强度

表8 强度测试结果

(a) 抗压破坏

(b) 抗折破坏

(a) 测试原理示意

(b) 现场测试照片

1) 混凝土试件养护至规定龄期，用钻芯机和切割机加工试验试件，试件为直径100 mm，高度50 mm的圆柱体试件。

2) 用塑料薄膜和透明的止水胶带将试件的侧面紧密包裹，直至试件只从上下表面透水而侧面不透水为止，需注意试件的上下表面不能是试件的成型面。

3) 将包裹好的试件放入水中浸泡，直至试件表面无气泡时取出放入透水系数试验装置，将试件与形状为圆形的透水筒连接在一起，在连接时要注意确保两者结合处紧密不漏水。

4) 给试验装置供水并观察在注水过程中装置是否存在漏水情况，当试验装置中的透水圆筒与储水槽的溢流口都有水流出，且水量比较稳定时，用带有刻度的量筒在储水槽的溢流口出接水，并记录5 min时间的出水量。

5) 测量透水圆筒与储水槽之间的水位差并测量此时的水温。

6) 常水头法测透水系数计算公式如下所示：

式中：Tt为t℃时透水混凝土的透水系数，mm/s；Q为5 min时间内透过的水量，mm3；h为透水试件高度，mm；A为试件上表面积，mm2；T为测试时间，一般为300 s；H为透水圆筒与储水槽之间的水位差，mm。常水头法试验结果如表9、图5所示。

表9 常水头法测试结果

图5 有效孔隙率与渗水系数拟合曲线

由图5可知，有效孔隙率越大渗水系数越大，二者之间存在良好的线性关系。这一结论与吴国雄等[15]通过正交试验得出透水混凝土的抗压强度、抗折强度与其孔隙率成负相关，透水系数与其孔隙率成正相关的结论一致。

4 结论

本文主要从原材料、配合比设计、技术性能方面对透水水泥混凝土进行了探究，主要认识如下：

1) 在现有研究的基础上类比国内沥青混合料孔隙率计算方法，得到计算透水水泥混凝土总孔隙率的计算公式与不同配合比下的总孔隙率值，同时参照现有规范中有效孔隙率计算公式计算获得不同配合比下的有效空隙率值，发现二者存在着良好的线性关系。

2) 研究表明有效孔隙率与抗压强度、抗折强度均存在良好的负相关，即孔隙率越大，其抗压强度与抗折强度越小。

3) 采用自制常水头渗水装置进行透水泥混凝土透水性能研究结果表明，透水水泥混凝土的透水系数与它的孔隙率成正相关。

4) 本文透水水泥混凝土选材主要来源于重庆地区，对重庆地区海绵城市的建设有一定的参考作用。