影响透水混凝土有效空隙率的因素分析

贺图升，谢梦倩，刘洋，田长安，黎载波

(韶关学院化学与土木工程学院，韶关 512005)

透水混凝土作为一种路面铺装材料，因其透水性、吸声降噪以及降低城市“热岛效应”等作用而受到广泛关注[1]。透水混凝土是由集料表面包裹水泥基浆体而形成的统一整体，属于骨架空隙结构，其内部呈蜂窝状结构，具有高空隙率、高透水性以及低抗压强度等特点[2]。对于透水混凝土而言，只有保证一定的有效空隙率，才能确保透水混凝土具有排水、渗水、净水等各方面的功能，同时，有效空隙率还直接影响到透水混凝土的力学性能、透水性能以及耐久性。因此，有效空隙率是透水混凝土配合比设计的一个重要指标[3]。空隙率过大或过小均会对透水混凝土产生不利影响。空隙率过大，透水混凝土强度偏低，易造成集料剥落、松散等问题；空隙率过小，透水混凝土易造成堵塞，影响透水性能。

已有研究表明[4,5]，空隙率的大小与集灰比、水灰比、集料级配、集料空隙率、透水混凝土表观密度以及理论空隙率等因素密切相关，然而各因素对空隙率的影响程度如何有待进一步探讨。针对几组不同配合比及集料级配的透水混凝土试验结果，引入灰色系统理论对其进行分析，确定各因素对透水混凝土有效空隙率的影响程度，为透水混凝土配合比设计与工程施工提供参考。

1 试 验

1.1 试验材料

水泥采用PO42.5R普通硅酸盐水泥，密度3.05 g/cm3，勃氏比表面积为385 m2/kg，3 d和28 d抗压强度分别为29.1 MPa和49.1 MPa；集料：粒径为4.75～9.5 mm与9.5～16 mm两种单粒级石灰岩碎石，表观密度2.733 g/cm3；外加剂：西卡聚羧酸盐高效减水剂(ES-600WH，固含量20%)。

1.2 方法

1.2.1 搅拌与成型工艺

搅拌成型工艺：先将水泥与水在搅拌机中搅拌1 min，然后将称量好的集料浸湿并加入到水泥浆中搅拌2 min后出料，再装入100 mm×100 mm×200 mm的试模；成型时将新拌混凝土分2层(每层50 mm)装入模具，第一层用振动台震动5～10 s，第二层在振动台振动10～15 s同时施加一定压力(0.06 MPa)；试件成型后立即带模具进行标准条件养护(温度(20±2)℃，相对湿度95%以上)，24 h后拆模，继续标准条件养护至规定龄期。

1.2.2 集料空隙率测定

按照JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》测定粗集料的空隙率。

1.2.3 混凝土表观密度与抗压强度测定

按照DL/T 5150—2017《水工混凝土试验规程》测定透水混凝土的表观密度和抗压强度。

1.2.4 混凝土有效空隙率测定

将试件完全浸泡在清水中24 h后，测试水中试件的质量(m1)，然后把试件取出，在空气中干燥24 h后测量其质量(m2)，有效空隙率P(这里指开口总空隙率)可通过下列公式计算

式中，V为试件的体积，cm3；ρw为水的密度，g/cm3；试件的质量用美国双杰电子秤JJ2000Y(量程2 000 g)，精确到0.1 g；试件的尺寸采用游标卡尺测量，精确到1 mm。

1.2.5 透水混凝土透水系数测定

依据《透水路面砖和透水路面板》(GB/T 25993—2010)标准来测定透水混凝土的透水系数。

2 结果与分析

2.1 灰色关联分析

灰色关联分析是基于行为因子序列微观或宏观的几何接近，以分析和确定因子间的影响程度或因子对主行为的贡献程度而进行的一种分析方法。其目的在于寻求系统中各因素之间的主要关系，找出影响目标值的重要因素，从而掌握事物的主要特征[6]。

首先确定系统行为特征X0={x0(k)}为参考序列(又称母序列)，k=1,2,…，n；Xi={xi(k)}为比较序列(又称子序列)，k=1,2,…，n，i=1,2,…，m。

灰色关联度的计算步骤：

1)对各数据序列进行初值化

2)计算被评价对象子序列与母序列对应元素的绝对差值Δ0i(k)，即

Δ0i(k)=|x′0(k)-x′i(k)|k=1,2,…，n，i=1,2,…，m

4)计算关联系数：分别计算每个比较序列与参考序列对应元素的关联系数

式中，ξ为分辨系数，通常ξ取0.5。

5)计算关联度

2.1.1 灰色关联度

以透水混凝土有效空隙率为母序列，以相应各影响因素为子序列(见表1)，并计算各影响因素与透水混凝土有效空隙率之间的关联度，见表2。

表1 母序列与子序列

表2 灰色关联度

表2的计算结果显示，各因素对透水混凝土有效空隙率的影响程度由大到小依次为：理论空隙率、集料空隙率、混凝土表观密度、集灰比、水灰比、4.75～9.5 mm质量百分比。

由上述排序结果表明：理论空隙率是影响透水混凝土有效空隙率的最主要因素；集料在透水混凝土中起支架作用，其空隙率反映了集料的堆积密实度以及集料之间的啮合度，对透水混凝土有效空隙率具有重要影响；表观密度反映了试件的密实程度，是与混凝土空隙率密切相关的因素；集灰比对透水混凝土有效空隙率有一定影响：随着集灰比的降低，水泥用量相对增加将使集料之间的空隙被填充，导致集料之间原来连通的空隙会逐渐减小甚至变得不连通，而使透水混凝土的有效空隙率下降。

2.1.2 透水混凝土有效空隙率与理论空隙率之间的关系

由图1可以看出，透水混凝土有效空隙率随着理论空隙率的增加而增加；其有效空隙率与理论空隙率之间存在良好的线性相关性，相关系数达0.91。其原因主要是透水混凝土属于骨架空隙结构，随着理论空隙率增加，在集料用量一定的情况下，水泥浆体用量相对减少，集料表面裹浆厚度减小，透水混凝土内部有效空隙率相对增加。同时，由于透水混凝土有效空隙率与理论空隙率之间存在良好的线性相关性，据此，根据透水混凝土理论空隙率预测其有效空隙率；同时可采用绝对体积法，通过改变透水混凝土理论空隙率来调整其水泥浆体用量，进而改变透水混凝土的透水系数和抗压强度，指导透水混凝土配合比设计。

2.2 透水混凝土有效空隙率与抗压强度以及透水系数之间的关系

根据对不同配合比透水混凝土的有效空隙率与透水系数的测定，可以得出有效空隙率与透水系数呈线性正相关(见图2)，相关系数达0.952。由此可以得出，不同配合比透水混凝土的透水系数都随着有效空隙率的增大而增大，其原因主要是随着空隙率的增大，混凝土内部的连通孔增多，实际透水面积增大，透水受到的阻力相应减少，导致单位时间内通过的水量增加，因而透水系数增加。

由前面分析可知，透水混凝土有效空隙率与理论空隙率之间存在良好的线性相关，而有效空隙率与透水系数呈线性正相关，即理论空隙率与透水系数之间亦存在良好的线性相关。据此，可以根据理论空隙率预测透水混凝土的透水系数；因此，可采用绝对体积法，通过改变透水混凝土理论空隙率来调整其水泥浆体用量，进而改变透水混凝土的透水系数，以指导透水混凝土配合比设计。

根据对不同配合比透水混凝土的有效空隙率与28 d 抗压强度的测定，可以得出有效空隙率与抗压强度基本接近线性负相关(见图2)，相关系数达0.892。其原因主要是：与普通混凝土中水灰比决定混凝土的抗压强度不同，透水混凝土属于干硬性混凝土，空隙率是影响透水混凝土抗压强度的最主要因素，而水泥浆体对集料的均匀性包裹与否也是决定透水混凝土抗压强度的重要因素，但低水灰比易造成集料与水泥浆体间粘结力下降，削弱了水灰比下降对水泥浆体的增强作用；同时透水混凝土高空隙率也大大削弱了水灰比的下降对透水混凝土的增强作用。因此，水灰比降低时，透水混凝土的整体抗压强度提高并不明显。

由于还有其他因素比如空隙形状、大小与分布各不相同、骨料形状、粒径以及级配不同，水灰比不同、集灰比不同等，这些因素也都能对透水混凝土的强度起到直接的影响，因此，由图2可以看出，有效空隙率与抗压强度关系式的线性相关系数比有效空隙率与透水系数相关性系数差。

3 结 论

a.由灰色关联分析方法获得各因素对透水混凝土有效空隙率的影响程度由大到小依次为：理论空隙率、集料空隙率、混凝土表观密度、集灰比、水灰比、4.75～9.5 mm集料质量百分比。

b.理论空隙率是影响透水混凝土有效空隙率最主要因素；集料空隙率反映了集料的堆积密实度，是影响透水混凝土有效空隙率的重要因素；表观密度反映了试件的密实程度，是与混凝土有效空隙率密切相关的因素；集灰比越小，水泥用量相对越高，其填充作用使集料间的空隙率减小，也是影响透水混凝土有效空隙率的重要因素。

c.透水混凝土有效空隙率与其理论空隙率、抗压强度以及透水系数存在良好的线性关系，相关系数达0.89以上。