透水混凝土透水系数和抗压强度的影响因素分析

贺图升 谢梦倩 刘洋 黎载波

（韶关学院 化学与土木工程学院）

透水混凝土作为一种功能性路面铺装材料，与其他传统不透水路面铺装材料相比，透水混凝土可缓解城市抗洪排水和管道疏浚的压力，及时消除路面积水并补充地下水资源[1]，减小地基下沉；另外，通过混凝土内孔中水分的蒸发，可减少城市地面热能吸收和缓解城市的“热岛效应”，有效降低城市的噪音污染[2]。因此，混凝土透水混凝土具有显著的生态环境效益，符合中国目前正在推行的“海绵城市”建设理念[3]。

透水混凝土属于骨架空隙结构，是由集料表面包裹水泥基浆体而形成的统一整体，其内部呈蜂窝状结构，具有高孔隙率、高透水性以及低抗压强度等特点[4]。抗压强度和透水系数是透水混凝土配合比设计的两个重要指标，其值相互关联，相互制约，其值的大小直接影响到透水混凝土的使用性能[5-6]。研究表明[7-10]，透水混凝土抗压强度和透水系数与水灰比、集灰比、集料级配、集料空隙率、混凝土表观密度以及空隙率等因素密切相关。各因素对其性能的影响存在相互关联、相互制约的关系，但各因素对其性能的影响程度有待进一步探讨。灰色关联分析是通过灰色关联度来分析计算各因素对系统主行为的影响程度的一种方法[11]，本文通过对多组不同配合比透水混凝土的试验，并运用灰色关联分析方法对试验结果进行分析，确定了各因素对透水混凝土抗压强度与透水系数的影响程度，为实际工程设计与应用提供参考。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

水泥采用PO42.5R普通硅酸盐水泥，表观密度3.05g/cm3，比表面积为385m2/㎏，3d和28d抗压强度29.1MPa和49.1MPa；集料采用4.75～9.5mm与9.5～16mm单粒级石灰石碎石，密度2.733g/cm3。

1.2 试验方法

1.2.1 搅拌与成型工艺

搅拌成型工艺：集料与适量水混合搅拌，再加入胶凝材料搅拌，然后加入大部分水和全部减水剂搅拌，最后用剩余水调整拌合物状态。将新拌透水混凝土拌合物装入100mm×100mm×200mm的试模，成型时将拌合物分2层装入模具，每层50mm，每层均采用振动加压成型工艺，成型压力为0.08～0.09MPa，成型后24h拆模，将试件湿养护至规定龄期，测试透水混凝土的28d抗压强度和透水系数。

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》进行集料空隙率的测定。

1.2.3 透水混凝土表观密度和抗压强度测定按照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 透水混凝土有效孔隙率测定

将试件完全浸泡在清水中24h后，测试水中试件的质量（m1），然后把试件取出，在空气中干燥24h后测量其质量（m2），透水混凝土有效孔隙率可通过式⑴计算：

式中，

V——试件的体积，cm3；

ρw——水的密度，g/cm3。

试件的质量用美国双杰电子秤JJ2000Y，精确到0.1g；试件的尺寸采用游标卡尺测量，精确到1mm。

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。

透水系数测试方法：透水混凝土试件采用尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体，将试件装入透水系数试验装置（图1），试件与透水圆筒的连接用塑料薄膜密封好。放入溢流水槽，打开供水阀门，使水进入容器中，等溢流水槽的溢流口有水流出时，调整进水量，使透水圆筒保持一定的水位H（约150mm），待溢流水槽的溢流口和透水圆筒的溢流口流出水量稳定后，用量筒从出水口接水，记录一分钟流出的水量（Q）。再根据透水系数计算公式（式⑵）计算出透水系数：

式中，

kT——水温为T℃时试样的透水系数，cm/s；

Q——时间t秒内的渗出水量，ml；

L——试样的厚度，cm；

A——试样的上表面面积，cm2；

H——水位差，cm；

t——时间，s。

2 结果与分析

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[11]。

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。

对灰色关联度的计算按以下步骤：

⑴对各数据序列进行初值化：

⑵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：

⑷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。

以28d抗压强度和透水系数为母序列，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28d抗压强度和透水系数之间的关联度，分别见表2和表3。

表1 母序列与子序列

表2的计算结果显示，各因素对透水混凝土28d抗压强度的影响程度由大到小依次为：混凝土有效空隙率、混凝土表观密度、集料空隙率、集灰比、水灰比、4.75～9.5mm质量百分比。

表2 各因素对透水混凝土28d抗压强度的灰色关联分析

表3的计算结果显示，各因素对透水混凝土透水系数的影响程度由大到小依次为：混凝土有效空隙率、集料空隙率、混凝土表观密度、4.75～9.5mm质量百分比、集灰比、水灰比。

表3 各因素对透水混凝土透水系数的灰色关联分析

上述排序结果表明：

⑴有效空隙率是影响透水混凝土抗压强度和透水系数的最主要的因素；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。

⑵表观密度反映了试件的密实程度，是与透水混凝土孔隙率密切相关的因素，是影响其抗压强度和透水系数的重要因素。

⑶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，对透水混凝土抗压强度和透水系数具有较大影响。

⑷水灰比对透水混凝土抗压强度和透水系数影响较小，主要原因是：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。在此研究范围内，水灰比的改变对透水混凝土透水系数的影响最小。

⑸集灰比对透水混凝土抗压强度和透水系数有一定影响。

在集料级配和用量一定的情况下，随着集灰比的下降，水泥用量逐渐增加，集料表面包裹的水泥浆体越厚，集料之间的粘结面积以及粘结点的数量增加，透水混凝土的抗压强度随着集灰比的下降而增大。

随着水泥用量的增大，粗集料之间原来连通的孔隙会逐渐减小，变得不连通，整个骨架透水通道的减少，使其透水系数降低。水泥用量的增大将使其更趋于采用填充集料之间空隙的方式来构成结构，因此使得透水混凝土的空隙率及透水系数显著下降[12]。因此，集灰比对透水混凝土透水系数有一定影响。

3 结论

⑴由灰色关联分析方法获得各因素对透水混凝土抗压强度的影响程度由大到小依次为：混凝土有效空隙率、混凝土表观密度、集料空隙率、集灰比、水灰比、4.75～9.5mm质量百分比；各因素对透水混凝土透水系数的影响程度由大到小依次为：混凝土空隙率、集料空隙率、混凝土密度、4.75～9.5mm颗粒质量百分比、集灰比、水灰比。

⑵有效空隙率是影响透水混凝土抗压强度和透水系数最主要因素；表观密度反映了试件的密实程度，是与透水混凝土孔隙率密切相关的因素；空隙率反映了集料的堆积密实度以及集料之间的啮合度，也是影响透水混凝土抗压强度和透水系数的重要因素。