透水混凝土桩的桩体材料试验研究

赵 宇

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司,安徽 合肥 230088)

0 引言

透水混凝土作为一种新型的材料，由于其在具有一定强度的基础上还具有较好的透水性能，在排水路面、生物边坡等领域具有广泛的应用前景，成为近年来高新材料研究领域的热点之一。但对于将透水混凝土应用于地基处理领域的研究鲜有报道。

最近，很多学者尝试在复合地基中引入排水通道，结合复合地基和排水固结两种地基处理方法的优势，期望在提高地基整体力学性能的同时，改善地基排水性能，大大提高地基处理效果。邢皓枫[1]用有限元研究了复合地基的桩体渗透性变化对其固结性状的影响，认为桩体渗透性越好复合地基超静孔隙水压力消散越快，因此增大桩体渗透性可以大大加快超静孔隙水压力的消散速度，而且呈递增趋势，进而有效地加快复合地基固结沉降速率和整体固结过程，而且渗透性越大其效果越明显。

本文基于对目前已有的关于透水混凝土研究资料的总结分析，通过在试验中根据强度要求和渗透性要求，调整不同混凝土的水灰比、骨料粒径及骨灰比等参数，进行室内无侧限抗压强度试验和渗透试验，得出这些参数对透水混凝土透水系数以及抗压强度的影响规律，得到既能满足复合地基强度要求又具有一定渗透性的配合比方案。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

透水混凝土采用强度等级为42.5级的普通硅酸盐水泥；骨料采用双粒级，粗骨料为16 mm～25 mm粒径的碎石，细骨料粒径为2.5 mm～5 mm，按一定比例掺配使用；试验用水采用普通自来水。

1.2 试验方法

1.2.1正交试验设计法

影响透水混凝土力学特性和渗透特性的因素，主要有水灰比、骨灰比和集料级配以及水泥强度等级等。水泥采用42.5R级的普通硅酸盐水泥，此处试验主要考察水灰比、骨灰比及集料级配三个因素，各因素取三个水平。若全面组合试验，需33=27次试验。由于试验次数的限制，不可能也没有必要组合每种方式。而正交试验利用正交表安排试验，可以在不影响全面了解诸多因素对性能指标影响的条件下，大大减少试验次数。所以本文采用正交试验设计法进行试验。

1.2.2影响因素及性能指标的确定

水灰比：透水混凝土的水灰比既影响强度，又影响其透水性，是影响混凝土性能最重要的因素之一，因此，水灰比的选择十分重要。水泥浆过于干稠，混凝土拌合物和易性太差，水泥浆不能充分包裹骨料表面，虽孔隙率较大，但不利于提高混凝土的强度；反之，若水灰比过大，水泥浆可能把透水孔隙部分或全部堵死，既不利于透水，又不利于强度的提高。目前，透水混凝土的最佳水灰比通常介于0.25～0.35之间[2]，故本试验选用的水灰比(W/C)为0.25,0.30和0.35三个水平。

骨料级配：透水混凝土受力时通过骨料之间的胶结点传递力的作用，而其透水性则依靠骨料间的孔隙产生。因此骨料级配是影响透水混凝土强度及透水性的关键因素。骨料级配应使单位体积内骨料颗粒之间的接触点数量较多，胶结面积较大，并以增大有效孔隙率为目标。故本文根据间断级配理论并参考国内外经验，结合本试验实际情况设计出3种级配。

骨灰比：骨灰比的大小影响骨料颗粒表面包裹的水泥浆薄厚程度以及孔隙率的多少，应以水泥浆以刚好能够均匀包裹骨料的表面，形成一种均匀的水泥浆膜为适度，并采用最小水泥用量为原则，因过大的水泥用量不仅会造成透水性的减弱、增加成本，还会造成水泥石收缩量增大，形成裂缝，使混凝土的强度反而降低。本试验采用的骨灰比为5.0,5.5,6.0三个水平[3]。

因选用的影响因素有三个，每个影响因素设三个水平，故选用L9(34)即四因素三水平的正交表，按此表(如表1所示)安排试验方案。

表1 试验方案

性能指标：本试验的性能指标为透水混凝土28 d抗压强度、渗透系数。

1.2.3试件制备及养护

试验采用水泥裹石法进行人工搅拌，以使骨料表面形成均匀稳定的水泥浆层，见图1；之后将拌和好的透水混凝土混合料分层(2层～3层)倒入试模中，边倒入边插捣，将试模填满后，适当击实。拆模后(如图2所示)送入标准养护室进行养护。本试验无侧限抗压强度试件的尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，渗透试验圆柱体试件直径150 mm，高度为300 mm。

1.2.4性能测试方法

透水混凝土抗压强度的测试按照GB/T 50081—2002普通混凝土力学性能试验方法标准，测试龄期分别为7 d，28 d。透水混凝土透水系数的测定：因目前国内尚没有测量透水混凝土渗透系数的标准和装置，而测量普通混凝土渗透性的方法又不适用于透水混凝土，故本试验根据试件尺寸将达西渗透仪按比例扩大。试验时采用定水头的方法，试件采用先水泥护壁，再蜡封的方法防止其侧壁渗漏，最后根据达西定律计算透水混凝土的渗透系数。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

试验结果见表2。

表2 试验方案及试验结果

2.2 水灰比对透水混凝土性能的影响

图3给出了水灰比对透水混凝土抗压强度及渗透性能的影响。从图3中可以看出，水灰比为0.25时，透水混凝土的强度低，但渗透系数较大，这是由于水泥浆太少，对骨料表面的包裹效果较差，骨料之间的胶结层较薄而且不连续，在具体试验中，水灰比为0.25的透水混凝土拌合料的工作性也很差。随着水灰比一直增加到0.35，透水混凝土的抗压强度显著增长，而渗透系数对应下降。但是水灰比的继续增大会导致透水混凝土抗压强度和渗透系数的同时降低，因为水灰比太大时水泥浆开始下渗，形成的试件下部较密实、没有孔隙，而上部则只是粗骨料堆积在一起，缺少胶结。因此，水灰比为0.35时，透水混凝土的强度较高，渗透性能也很理想，符合透水混凝土桩的要求。

2.3 骨灰比对透水混凝土性能的影响

图4给出了骨灰比对透水混凝土抗压强度及渗透性能的影响。由图4可知，透水混凝土的抗压强度和渗透系数在骨灰比为5.5时达到峰值，相对于水灰比和骨料级配，骨灰比对其影响并不显著。因此，骨灰比为5.5时的透水混凝土符合透水桩的要求。

2.4 骨料级配

图5给出了骨料级配对透水混凝土抗压强度及渗透性能的影响。由图5可知，骨料级配对透水混凝土抗压强度及渗透系数的影响显著，这是由于骨料级配决定了透水混凝土胶结点的多少以及空隙率的大小。试验表明，当采用双粒级级配，粗骨料(16 mm～25 mm)占总骨料质量的75%，细骨料(2.5 mm～5 mm)占25%时，透水混凝土抗压强度最大，渗透系数虽较小但也很理想。因此采用此种骨料级配的透水混凝土能满足透水桩的要求。

3 结语

1)骨料级配和水灰比是影响透水混凝土抗压强度及渗透系数的关键因素，最佳骨料级配和水灰比应根据设计的透水系数和抗压强度来确定。

2)采用水灰比0.35，骨灰比5.5，本文中骨料级配2的情况，可以配制出抗压强度大于20 MPa，渗透系数大于1.9 mm/s的透水混凝土，既可以在强度上满足复合地基桩体材料10 MPa～20 MPa的要求，同时能在渗透性能上达到砂井的效果，满足要求。