体积砂率对透水混凝土性能的影响研究

张传芹

摘要：本文基于新型透水混凝土的重要应用前景，对透水混凝土性能的机理展开研究，重点考察了体积砂率的影响，得到了透水混凝土抗压强度、有效孔隙率及透水系数的。主要研究表明：透水混凝土抗压强度随着体积砂率增加表现出先增加后减小的趋势;不同级配下有效孔隙率随体积砂率均表现出增长的规律;透水系数随体积砂率的增加而增加，整体上来看采用高级配的碎石会提高透水混凝土的有透水系数，但仅限在较小的数值区间内变化。

Abstract： Based on the important application prospects of the new material permeable concrete， this paper has launched a research on its performance. We focused on the influence of volumetric sand rate， and obtained the compressive strength， effective porosity and water permeability coefficient of pervious concrete. The main research shows that the compressive strength of permeable concrete first increases and then decreases with the increase of the volume sand ratio. The effective porosity increases with the volume sand ratio under different gradations. The permeability coefficient increases with the increase of the volumetric sand rate. On the whole， high-grade gravel will increase the permeability coefficient of permeable concrete， but it can only change within a small numerical range.

關键词：透水混凝土;体积砂率;抗压强度;有效孔隙率;透水系数

Key words： permeable concrete;volume sand rate;compressive strength;effective porosity;permeability coefficien

中图分类号：TU528.01                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）31-0146-04

0  引言

透水混凝土是由粗骨料及其表面均匀包裹的水泥基胶结料相互粘结，并经水化硬化后形成的具有连续空隙结构的混凝土[1]。作为新型生态环保型产品，透水混凝土不但具有良好的吸声降噪及抗滑性能，而且还具有吸热、净化水质等诸多优点[2-4]，透水混凝土中大量的有效孔隙能使雨水快速渗入地下，对促进地下水循环，改善城市的生态环境具有重要的意义。目前广泛应用在人行道、步行街、居住小区道路、非机动车道和一定荷载的停车场等路面工程。

国内外学者针对无砂透水混凝土的配合比设计及力学、透水、耐久性等性能进行了大量的研究，取得了丰硕的成果[5-7]。无砂透水混凝土的强度与透水系数是呈反向关系，即强度越高，其透水性能就越低，通过研究发现若在配料中掺入少量细砂不仅可以保证其透水性能还可以提高其强度。然而，关于透水混凝土配合比设计参数与性能之间的关系方面目前尚缺乏系统性的理论支撑。因此开展体积砂率对透水混凝土性能的影响以及相关性研究，对推动透水混凝土的发展和应用具有重要的指导意义。

本文通过试验系统研究了体积砂率（0%、5%、10%、15%、20%）对透水混凝土的抗压强度、有效孔隙率及透水系数的影响，更好地推动了透水性混凝土这种新型材料的发展，亦为实际工程的应用提供重要参考依据。

1  试验

1.1 试验原材料

本次试验采用P·O 42.5 普通硅酸盐水泥，其主要性能指标见表1所示。粗集料为单一粒径为4.75～9.5mm、9.5～13.2mm的普通碎石，细集料采用特细砂，集料的主要性能指标见表2所示。减水剂（SP）为聚羧酸高效减水剂，其减水率20.1%，固体含量25.4%，比重为1.04。拌合用水为自来水。

1.2 搅拌及成型方式

本实验中采用二次投料法，即先将骨料加入搅拌机，加入约30%的水，搅拌60s以保证骨料表面润湿适当，然后将称量好的水泥加入搅拌机再搅拌60s，最后将剩余的水与外加剂混匀加入搅拌机再搅拌60s。此投料方法的优点在于骨料提前润湿后，再加入水泥，水泥在机械搅拌的作用下能够更均匀的包裹在骨料表面，形成水泥包裹层，最后再将剩余的水和外加剂混合加入，用来形成流动度适宜的混凝土拌合料，被水泥浆均匀包裹的骨料颗粒之间以点或面相互接触的方式粘结在一起，有利于提高透水混凝土孔隙率和强度。（图1）

试验混凝土成型采用150mm×150mm×150mm的塑料试模，将拌合物分三层装入涂油的试模内，每层插捣25下，第二层装完插捣后在塑料试模上套上边长为150mm的钢模，在第三层插捣完毕之后进行人工锤击夯实。由于透水混凝土水泥浆较少，成型时若采用机械振捣会使水泥浆沉积在试件底部，会造成混凝土底部封闭，进而影响透水能力。这里采用的是锤击密实的方法，每个试件用橡胶锤击60下。在锤击密实后，将超过试模的部分用抹刀抹平。

1.3 配合比设计

透水混凝土的配合比设计首先要考虑的是孔隙率。透水混凝土目标孔隙率设定可以直接影响其实际孔隙率的大小。孔隙率越高透水性也就越好。但孔隙率越高，透水混凝土的内部缺陷会影响其强度。因此在对混凝土强度有要求的情况下，要合理设定目标孔隙率[8-10]。由于透水混凝土的透水性和强度两者是冲突的，所以在配合比设计中要选取适当的目标孔隙率。配合比计算步骤：

①确定1m3混凝土中粗骨料的用量mg。

每立方米混凝土粗骨料的用量为其紧密堆积状态下的质量乘以折减系数，见式（1）。

mg=？琢P0（1）

式中，P0—粗骨料的紧密堆积密度（kg·m-3）;？琢—折减系数，取0.98。

②确定粗骨料的空隙率V，见式（2）。

V=1-（2）

式中，？籽0—粗骨料的表观密度（kg·m-3）。

③确定1m3水泥的用量mc，见式（3）。

式中，mc—水泥的质量（kg）;？籽c—水泥的密度（kg·m-3）; mw—水的质量（kg）;？籽c—水泥的密度（kg·m-3）;mg—粗骨料的质量（kg）;？籽g—粗骨料的密度（kg·m-3）;mj—外加剂的质量（kg）;？籽j—外加剂的密度（kg·m-3）;P—目标孔隙率（%）。

由上式可得水泥的质量mc，见式（4）：

（4）

式中， w/c—水灰比;j/c—外加剂的掺量。

④确定其他材料的用量。

⑤根据不同的要求计算透水混凝土实验的配合比。

1.4 试验参数测定

1.4.1 抗压强度测定方法

混凝土试件抗压强度实验参考GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行试验[11]。实验采用试件规格为150mm×150mm×150mm，在标准养护条件养护28天后取出进行实验。混凝土试件的抗压强度计算按式（5）计算：fce=■（5）

式中，fce—混凝土立方体试件抗压强度（MPa）; F—破坏荷载（N）; A—承压面积（mm2）。

1.4.2 有效孔隙率测定方法

透水混凝土结构内部的孔隙由三部分组成，即封闭孔隙、半连通孔隙、连通孔隙三种。其中连通孔隙和半连通孔隙称为有效孔隙，是保证混凝土透水性能的关键。本文试验中主要测定透水混凝土的有效孔隙率。目前，测定有效孔隙率的方法有体积法和重量法两种[12-13]。这两种方法各有优缺点，体积法的优点是测定结果精确，缺点是操作复杂而且需要比较专业的仪器;重量法的优点是操作简便，可快速测定透水混凝土的孔隙率，缺点是的测定精度没有体积法高。本文试验中采用重量法测定透水混凝土试件的有效孔隙率，用到的主要仪器是电子秤与游标卡尺，其具体过程如下：

①将透水混凝土试件养护好后放在105±5℃的干燥箱中烘干至恒重，取出后将其冷却至室温并计算其体积v。

②将试件全部浸泡在水中，直到无气泡出现时再读取试件在水中的重量m1。

③取出试件，放在60℃烘箱中烘24h后称量试件的重量m2。

④按式（6）计算透水混凝土试件的有效孔隙率Pe：

⑤按以上步骤测试每组试件的孔隙率，取每組三个试件的算术平均值作为该组试件的测试结果。

1.4.3 透水系数的测定方法

透水混凝土作为具有透水功能的特殊混凝土，透水系数是评价其透水能力的大小的重要指标，当水的物理性质一定时，透水系数主要决定于透水混凝土本身的结构特性，是表现水在其中流动难易程度的指标。

本文参考《透水水泥混凝土路面技术规程》[14]标准进行测定混凝土的透水系数。测定过程：将原150mm×150mm×150mm的标准立方体试件先钻芯成？准100×150mm的试件。再将试件进行切割制成？准100×50mm的透水试件。然后将试件用清水冲洗干净，避免切割过程中石屑或粉末堵塞孔隙，影响透水性。清理完毕后，将？准100×50mm试件装入透水装置的圆柱桶内，先用橡皮泥裹在试件的四周再缠绕塑料胶带使其侧面密封不漏水，使水仅从试样的上下表面进行渗透。打开水龙头，使水进入圆柱桶中，等圆柱桶内的出水口有水流出时，调整进水量使透水装置保持一定水位高度，等到圆柱桶和透水装置的出水口的出水量均稳定后，用量筒从透水装置的出水口记录60s流出的水量并测量两者的水位高度差。因钻心切割过程会存在误差，还需具体测量所用试件的直径和高度并记录。最后根据式（7）计算透水系数。每小组实验结果以三个试件的平均值表示。

Kt=（7）

式中，Kt—透水系数（mm·s-1）;Q—时间t内的渗出水量（mm3）;L—试件的厚度（mm）;A—试样的上表面面积（mm2）; H—水位差（mm）;t—时间（s）。

2  试验结果及分析

体积砂率指砂子等体积取代水泥的比率。在透水混凝土中使用砂子取代部分水泥，可以在不过于影响透水混凝土强度和透水性能的情况下，起到节约生产成本、减少资源损耗等作用。本文选用的两种级配分别为4.75～9.5mm和9.5～13.2mm单粒级碎石，体积砂率0%、5%、10%、15%、20%，目标孔隙率20%、水灰比0.3。

2.1 体积砂率对抗压强度的影响

透水混凝土在保持相同孔隙率的情况下，一般随着体积砂率增大混凝土的强度呈降低趋势，而当透水混凝土中胶结材用量比较大时，适当增加体积砂率而透水混凝土的强度却有所提高。这主要是因为当胶结材用量较多时，用砂等体积取代部分水泥用量，此时砂和水泥形成的砂浆混合料能充分包裹骨料表面，促使颗粒之间形成较强的胶结层。同时砂用量的增加还提高了混凝土整体的刚度，因此其强度会得以提高[15-17]。当体积砂率增加到一定程度时，由于胶结材不足，胶结材与砂子间形成松散的砂浆混合料，砂浆混合料的粘结强度较低不能很好的包裹骨料，所以致使混凝土强度下降。通过以上分析，我们得出在通常情况下，用砂取代部分胶结材量透水混凝土的强度降低，但当混凝土胶结材用量较多时，用砂取代部分胶结材量，混凝土的强度却有所提高。

由图2可以看出，用砂子等体积取代水泥对透水混凝土强度产生较大影响。透水混凝土强度随着体积砂率增加呈现先增加后减小的趋势，分析其原因是砂和水泥形成的砂浆混合料充分包裹骨料表面，促使颗粒之间形成较强的胶结层，因此导致强度有部分的提高。当粗骨料全部使用4.75～9.5mm粒径的碎石时，在体积砂率为5%时强度达到最大;当粗骨料全部使用9.50～13.20mm粒径的碎石时，在体积砂率为5%时强度达到最大，并且在体积砂率从15～20%时强度出现近线性的下滑，这是由于砂浆混合料的粘结强度较低不能很好的包裹骨料，引起混凝土强度下降。

2.2 体积砂率对有效孔隙率的影响

图3给出了有效孔隙率随体积砂率的变化情况。可以看出，不同级配下有效孔隙率随体积砂率均表现出增长的趋势，但当使用4.75～9.5mm粒径的碎石拌和透水混凝土时的增长幅度小于9.50～13.20mm粒径的碎石。整体上来看，采用高级配的碎石会提高透水混凝土的有效孔隙率。

为进一步分析有效孔隙率随体积砂率的影响，通过最小二乘法拟合，我们得到体积砂率对有效孔隙率的变化的表达式为：

低级配拟合方程：

高级配拟合方程：

此外，通过拟合公式我们可以估算得到在任意体积砂率下透水混凝土的有效孔隙率，为工程设计提供参考。

2.3 体积砂率对透水系数的影响

透水混凝土透水系数的变化趋势与其有效孔隙率的变化趋势基本一致。总体上透水系数随体积砂率的增加而增加，影响混凝土透水性能的关键因素是内部连通孔隙的数量与分布情况，孔隙率增大，连通孔隙将相对增多，透水过水面积增大，孔壁对水的阻力相应减小，进而导致透水系数增大。整体上来看，采用高级配的碎石会提高透水混凝土的透水系数。由图4可以看出，透水系数在较小的数值区间内增长，即体积砂率对其透水性能影响作用较小。

3  结论

本文通过试验系统研究了体积砂率（0%、5%、10%、15%、20%）对透水混凝土的抗压强度、有效孔隙率及透水系数的影响，得出以下重要结论：①由于砂和水泥形成的砂浆混合料充分包裹骨料表面，促使颗粒之间形成较强的胶结层，透水混凝土强度随着体积砂率增加表现出先增加后减小的趋势，且抗压强度随级配的增加呈现出降低的变化规律。②不同级配下有效孔隙率随体积砂率均表现出增长的趋势，且较高级配的碎石会提高透水混凝土的有效孔隙率，体积砂率对有效孔隙率的变化呈现出线性变化规律。③透水系数随体积砂率的增加而增加，整体上来看采用高级配的碎石会提高透水混凝土的有透水系数，但仅限在较小的数值区间内变化。

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