不同砂率对混凝土透水砖性能的试验研究

李盛嘉 张 辉 冯 龙 唐科伟 林煜桂

中国建筑第八工程局有限公司南方公司深圳分公司 广东 深圳 518048

混凝土透水砖因其制备时选用较低的水胶比，且采用级配较为均匀的骨料，使得其具有多孔的结构和优异的透水、透气性能，能够起到减少城市内涝的作用，被广泛应用于市政工程，特别是人行道或消防通道等道路的路面。同时，混凝土透水砖在具有高透水性的同时，也兼备一定的强度。

混凝土透水砖的主体是透水混凝土，传统的透水混凝土大多数都是无砂混凝土，以期最大限度地减少细骨料对透水混凝土孔隙率的影响。但是采用水泥作为胶结材料且不掺加砂的配合比方案，会出现骨料间黏结面积小、有效孔隙率低、界面结构缺陷多等缺点。

基于以上原因，本文进行了相关试验研究，并尝试在透水混凝土中加入适量的中砂，进而探究砂率对混凝土透水砖性能的影响[1-6]。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

水泥采用华新牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥；骨料采用深圳当地生产的粒径为5～10 mm连续级配瓜米石，测得其表观密度达2 800 kg/m3；砂子采用深圳当地包装的黄砂；减水剂采用聚羧酸高性能减水剂（陕西秦奋建材公司生产），具有25%的减水率；水采用广东省深圳市自来水，符合混凝土透水砖对拌和水的要求。

1.2 试验方法

1.2.1 混凝土透水砖制备工艺

混凝土透水砖采用以下的制备工艺：先将骨料和50%用量的水预搅拌1 min；再加入水泥与剩余的水拌和1 min；最后将所量取的减水剂加入，再搅拌30 s后进行装模；采用人工振捣方式成形，将新拌好的骨料分3次装入模具中，每次用振捣棒振捣20下，将模具装满后，再施加4 MPa左右的压力使其成形。混凝土透水砖成形后，立即用塑料薄膜进行包裹以防止水分蒸发。24 h后进行脱模，并放置在养护池中继续养护至28 d。养护结束后，将试件取出并立即开始进行透水性能的测试，之后再进行强度的试验。混凝土透水砖的原材料相关参数如表1所示。

表1 混凝土透水试验相关参数

1.2.2 透水系数测试方法

本试验采用CJJ/T 135－2009《透水水泥混凝土路面技术规程》附录A推荐的常水头法测试。常水头法即进水口和排水口具有恒定的水头差，常水头法测定透水系数的试验装置如图1所示。

图1 透水系数试验装置示意

根据规范要求，本试验透水系数测试方法的具体步骤如下：

1）取3个长100 mm、宽100 mm、高100 mm的透水砖试件，表面擦拭干净后用钢尺测出其长、宽和厚L，分别测2次，取平均值后计算出其横截面面积A。

2）将试件的四周用石蜡密封好，使水仅从试件的上下表面进行渗透。

3）待密封材料固化后，将试件放入水中浸泡，待无气泡冒出后将其取出并放入透水系数测定试验装置。然后将其放入水槽，打开供水阀，将容器中充满水直至水槽中有水开始溢出时，调整进水量，使得透水圆筒内保持一定的水头（大约150 mm）。待水槽的溢流口和圆筒的溢流口稳定后，用量筒从水槽的溢流口接水，记录5 min内的出水量Q，测量3次，取平均值。

4）用直尺测出透水圆筒以及溢流水槽之间的水头差H，精确至1 mm。

5）用温度计测量试验中溢流水槽中水的温度T，精确至0.5 ℃。

根据规范，用常水头法测得的透水系数计算公式具体如下：

式中：KT——水温为T ℃时试件恒定水头的透水系数；

Q——时间t秒内流出的水量；

L——试件的厚度；

A——试件的上表面积；

H ——水位差；

t ——测试的时间；

ηT——T ℃时水的动力黏滞系数；

η15——15 ℃时水的动力黏滞系数。

1.2.3 抗压强度试验

抗压强度采用TSY-2000电液式压力试验机进行试验。根据规范JG/T 376－2012《砂基透水砖》附录A要求，以0.4～0.6 MPa/s的速度均匀连续地施加荷载。选用尺寸为200 mm×100 mm×60 mm的混凝土透水砖进行抗压强度试验，因此换成力的形式施加荷载，即8～12 kN。开启试验机加载，计算机系统自动记录试验中的垂直力和垂直变形直至试验结束。

抗压强度按照式（2）进行计算：

式中：P ——试件的抗压强度；

F ——试件破坏前承受的最大荷载；

A——试件上垫压板面积或试件受压面积。

2 试验结果与分析

2.1 混凝土透水砖的强度及其影响因素

混凝土透水砖的抗压强度一直是衡量混凝土透水砖质量的一项重要指标。因此，在保证一定透水系数的同时，应尽可能提高混凝土透水砖的抗压强度。本试验在设计过程中考虑了水胶比和砂率对混凝土透水砖抗压强度的影响。最终各组试件的试验结果如表2所示。部分抗压试验结果如图2所示。

2.1.1 砂率对抗压强度的影响

根据表2，可以得出在同一水胶比下，不同砂率的混凝土透水砖抗压强度（图3）。

从其抗压强度曲线可以发现：

1）当混凝土透水砖的水胶比为0.26时，混凝土透水砖的抗压强度随着砂率的增大，先增大后减小，20%砂率的抗压强度达到最大，为18.2 MPa。砂率由0增加到20%，抗压强度增长率为10.30%；砂率由20%增加到30%，抗压强度增长率为－24.18%。

表2 各组混凝土透水砖抗压强度

图2 部分抗压试验结果

图3 不同砂率的混凝土透水砖抗压强度曲线

2）当混凝土透水砖的水胶比为0.28和0.30时，混凝土透水砖的抗压强度随着砂率的增大，先增大后减小，10%砂率的抗压强度达到峰值。

试验结果说明，随着砂率的增大，相同水胶比的混凝土透水砖的抗压强度都是先增大后减小的，存在最优的砂率。分析其中原因，与传统的无砂透水混凝土相比，随着砂率的增大，混凝土透水砖内的黏结材料由强度更高的水泥砂浆取代了单纯的水泥浆体，骨料表面被高强度的水泥砂浆均匀地包裹，形成有效的胶结面。水泥砂浆填充在骨料之间咬合处的孔隙当中，增大了骨料之间咬合处的受力面积，使骨料与骨料之间的应力分散，降低了透水混凝土在骨料之间接触点处破坏的可能性，提高了透水混凝土的强度。但是，当砂率超过一定量时，透水混凝土中水泥含量不变，骨料间的表面积增大，水泥浆不足以完全包裹所有砂子的外表面，不能形成工作性能良好的水泥砂浆，从而导致混凝土透水砖内部的胶结性能降低，同时在这种水泥浆体不足的情况下，砂子也难以与骨料胶结牢固，共同发挥强度。因此当水泥含量一定时，砂率超过一定量，混凝土透水砖的强度开始下降。

2.1.2 水胶比对抗压强度的影响

根据表2，可以得出不同水胶比的混凝土透水砖在同一砂率情况下的抗压强度（图4）。

图4 不同水胶比的混凝土透水砖抗压强度曲线

从其抗压强度曲线可以发现：

1）无砂混凝土透水砖与含砂混凝土透水砖相比，其抗压强度随着水胶比的增大而逐渐减小，存在最优水胶比为0.26。

2）当砂率不为0时，混凝土透水砖的抗压强度随着水胶比的增大，先增大后减小，存在最优水胶比为0.28。砂率由10%增大到30%，其最优水胶比的抗压强度峰值分别为21.8、18.6、16.2 MPa。

3）当水胶比为0.26时，20%砂率的混凝土透水砖的抗压强度为最优，达18.2 MPa。

4）当水胶比为0.28和0.30时，10%砂率的混凝土透水砖的抗压强度为最优，分别为21.8 MPa和16.7 MPa。

试验结果说明，无砂混凝土透水砖随着水胶比的增大，其抗压强度会随着减小。原因是随着水胶比的降低，水泥含量会增多，在减水剂的帮助下，水泥浆体有良好的流动性和黏聚性，骨料表面能够被水泥浆体充分包裹，拥有足够的接触点和黏结能力。水泥硬化的强度足够高，能够承受较大的压力，不易在受力时产生裂纹，使得混凝土透水砖的抗压强度较大。

试验结果还说明，同一砂率的混凝土透水砖，随着水胶比的增大，其抗压强度先增大后减小。原因是随着水胶比的增大，水泥含量会减少，水的含量会增多，水泥浆体和易性出色，水泥砂浆能够充分包裹骨料，骨料与骨料之间拥有足够多的接触点和良好的黏结能力，水泥硬化后强度较高，能够承受较大的压力，不易在受力时产生裂纹，使得混凝土透水砖的抗压强度较大。随着水胶比越来越大，水泥的含量越来越少，而水的含量越来越多，水泥过少导致水泥砂浆即使在高效减水剂的拌和下仍不能很好地完全包裹所有砂子的外表面，导致混凝土透水砖中的胶结性能降低。在这种水泥砂浆和易性与砂率不匹配的情况下，砂子也难以与骨料胶结牢固，共同发挥强度。因此当水胶比大到水泥砂浆和易性峰值后，混凝土透水砖的抗压强度会开始下降。

2.2 混凝土透水砖的透水性能及其影响因素

混凝土透水砖的透水性是决定其性能优劣的重要指标。评价混凝土透水砖透水性能的一个重要指标就是其透水系数。结合具体情况以及本试验的特征，混凝土透水砖的透水系数测试选用常水头法来进行。最终各组试件的透水系数试验结果如表3所示。

表3 各组混凝土透水砖的透水系数

2.2.1 砂率对透水性能的影响

根据表3，可以得出在同一水胶比下不同砂率混凝土透水砖的透水系数（图5）。

从其透水系数曲线可以发现：

1）随着砂率的增长，混凝土透水砖的透水性呈现明显的下降趋势。

2）同一砂率的情况下，0.26水胶比的混凝土透水砖的透水性要优于0.28和0.30水胶比的混凝土透水砖。

3）0.26水胶比的无砂混凝土透水砖在所有混凝土透水砖组次中，透水性最优。

根据试验结果，分析其中原因是传统无砂混凝土透水砖骨料的堆积孔隙较大。在混凝土透水砖中掺入中砂后，中砂能够有效地填充到骨料之间，进而形成更稳定的镶嵌结构，减少内部有效孔隙，导致混凝土透水砖中更多连通孔隙被堵塞，连通孔隙变少，孔隙率急剧下降，透水系数也随之降低。

2.2.2 水胶比对透水性能的影响

根据表3，可以得出不同水胶比的混凝土透水砖在同一砂率时的透水系数（图6）。

从其透水系数曲线可以发现：随着水胶比的增大，混凝土透水砖的透水系数没有明显的升高或降低趋势，曲线趋于平缓。

图5 不同砂率的混凝土透水砖透水系数曲线

图6 不同水胶比的混凝土透水砖透水系数曲线

试验结果说明，随着水胶比增大，同一砂率的混凝土透水砖的透水系数没有明显的差异，说明砂率对透水系数的影响要大于水胶比。当砂率为30%时，随着水胶比的提高，水泥含量会随之减少，中砂表面不能够被水泥浆体充分包裹，导致中砂填充在骨料之间，混凝土透水砖中的连通孔隙被堵塞，透水系数会随之减小。

综上可知，同砂率、孔隙率相比，水胶比对透水性的影响可以说是很小的。

3 结语

为研究混凝土透水砖的性能，以砂率和水胶比为试验变量设计不同试验组，进行了抗压强度试验和透水系数试验。根据试验结果得到以下结论：

1）高砂率导致低的孔隙率，使得混凝土透水砖的透水性能降低，提高了其抗压强度。最优的砂率为10%，此时混凝土强度较高。

2）低水胶比的混凝土透水砖中水泥含量增加。砂率为10%时，混凝土透水砖中的水泥砂浆增多，骨料表面能够充分被水泥浆体包裹，其抗压强度显著提高。砂率为10%时，建议水胶比为0.28。

3）砂率对混凝土透水砖透水性能的影响远大于水胶比，水胶比对透水性能的影响可忽略不计。