透水混凝土路面渗透试验尺寸效应研究

李 昊 孙 华

(1.湖北宜华工程咨询服务有限公司，湖北 襄阳 441000； 2.泛华建设集团有限公司，北京 100071)

0 引言

随着我国城市化进程越来越快，建筑面积和道路越来越多，不透水面积不断增加，城市小雨积水、大雨内溃、水体黑臭、热岛等环境问题愈发严重。为此，自2014年10月开始国家大力推行具有吸水、蓄水、净水和释水功能的海绵城市建设。透水混凝土路面多孔隙结构使得路面具有良好的渗透性能，进而使得透水混凝土路面在海绵城市建设中得到广泛的应用，其渗透性能是热切关注和研究的内容[1，2]。

实际工程中，透水混凝土路面一般由水泥、粗骨料、外加剂、水配制而成，但配合比不尽相同，粗骨料的级配也较宽泛，加之养护环境的差异，其渗透性能呈现明显差异。渗透系数是表征透水混凝土路面渗透性能的宏观参数。关于透水混凝土路面渗透系数的测试方法，目前没有相关规程规范可循，主要以基于达西定律的室内试验为主，分为常水头和变水头。由于透水混凝土路面粗骨料粒径较大和选用范围较宽泛，这两种方法均存在值得关注的尺寸效应和渗透装置直径如何选择的问题。

前人对透水混凝土路面渗透试验尺寸效应问题研究较少，而对粗粒土渗透试验尺寸效应有一定研究。对于粗粒土渗透试验，规程[3]规定仪器内径应大于试样粒径d85的5倍。朱国胜等[4]通过粗粒土渗透试验研究得出：渗透系数随着渗透仪直径与试样粒径d85比值的增大而增大，但增大的速率越来越缓，当渗透仪直径为试验材料d85的6倍时，渗透系数尺寸影响已不明显。由于透水混凝土路面不同于一般的粗粒土堆积体，由多个材料配制而成，特别是胶凝材料将粗骨料胶结在一起，使得透水混凝土路面骨架的最大粒径更大，加之透水混凝土路面粗骨料级配一般较单一，故透水混凝土路面渗透试验的尺寸效应和如何选择渗透装置的直径不同于粗粒土。

设置3种粗骨料粒径的透水混凝土路面，每种透水混凝土路面设置5种内径的渗透仪器，定义圆筒渗透仪器内径与透水混凝土路面粗骨料最大粒径的比值为径径比t，建立透水混凝土路面渗透系数与径径比t之间的关系，旨在探讨透水混凝土路面渗透试验尺寸效应及选择渗透装置内径的方法，为室内准确测定透水混凝土路面渗透系数提供依据。

1 透水混凝土路面试样制备与试验方法

1.1 原材料和配合比

水泥采用强度等级为42.5级的普通硅酸盐水泥；粗骨料采用质地坚硬、洁净碎石；外加剂采用具有保水、增强、增稠功能的增强剂；拌合及养护用水为自来水。配合比见表1。

表1 透水混凝土路面配合比

1.2 试样制备流程

1)试样搅拌：采用集料表面包裹法[5，6]。先将全部粗骨料和70%的拌合水预先搅拌1 min，然后加入50%的水泥和全部外加剂，继续搅拌1 min，最后将剩余的50%水泥和30%的拌合水加入搅拌机，搅拌2 min，整个过程共搅拌4 min。

2)试样成型：采用静压成型的方式[7，8]，以规范推荐的松浦系数1.1进行压实。将新拌混凝土装入13.2 cm高的PVC试模管里，然后施加0.6 MPa～0.8 MPa的压力至试样高度为12 cm，PVC试模管内壁涂有凡士林以减小边壁效应的影响。

3)试样养护：试件成型后立即带模具进行标准条件养护，养护28 d后测渗透系数。

1.3 试验方法

定义圆筒渗透仪器内径与透水混凝土路面粗骨料最大粒径的比值为径径比t。采用3种常见粒径范围分别为2 mm～5 mm,5 mm～10 mm,10 mm～15 mm的粗骨料配制透水混凝土路面，针对每1种透水混凝土路面，采用5种不同直径的PVC管模具进行制样，进而产生5种不同的径径比t。

渗透系数采用变水头法。变水头装置中，变水头管与试模管通过套筒连接，方便拆卸和安装，套筒内壁、变水头管与试模管外壁涂凡士林以防止漏水，溢水孔底部距试样表面350 mm左右，由下面公式测定试样的渗透系数K：

其中,K为试样的渗透系数，mm/s；a为变水头管的内截面面积，mm2；A为试样的横截面积，mm2；L为试样的高度，mm；h1为变水头管中水的初始高度，mm；h2为变水头管中水的最终高度，mm；t0为测渗透系数时变水管中的水位从h1处降到h2处所历时间，s。

2 试验结果及分析

图1为3种透水混凝土路面渗透系数与仪器内径的关系图。从图1中可以看出，试样的渗透系数随着渗透仪器内径的增大而增大，但增大的速率越来越缓。由于骨料自身几乎没有渗透性，当仪器内径较小时，单个骨料的截面面积在试样断面中占有较大比例，从而导致渗透系数偏低。随着仪器内径增大，骨料在试样断面中占有的面积相对减小，颗粒的分布对渗透系数的影响也越来越小，其渗透系数也越来越接近材料的实际值。

将内径最大的渗透仪器测得的渗透系数视为该透水混凝土路面的实际值，以此评价其他内径仪器的测量值。表2～表4分别给出了3种透水混凝土路面5组试验渗透系数与实际值的比值S。不妨称S为尺寸效应率，S值越大，尺寸效应越明显。

图2为3种透水混凝土路面尺寸效应率S值与径径比n值之间的关系。从图2可看出，S值随着n值的增长而减小，当n值在4.52～5.44之间时，尺寸效应非常明显，S值在7.37～8.37之间，表明实际值为此时测量值的7.37倍～8.37倍；当n值在7.83～9.04之间时，S值在2.29～2.43之间，实际值为此时测量值的2.29倍～2.43倍；当n值在11.74～13.92之间时，S值在1.26～1.38之间，实际值为测量值的1.26倍～1.38倍；当n值在15.08～16.60之间时，S值在1.06～1.08之间，此时测量值与实际值之间的差距可以忽略。可见，透水混凝土路面渗透试验仪器内径要取粗骨料最大粒径的15倍以上。

表2 2 mm～5 mm粗骨料试样尺寸效应

表3 5 mm～10 mm粗骨料试样尺寸效应

表4 10 mm～15 mm粗骨料试样尺寸效应

3 结论

设置3种粗骨料粒径的透水混凝土路面，每种透水混凝土路面设置5种内径的渗透仪器，进行透水混凝土路面渗透试验尺寸效应研究，主要结论如下：

1)透水混凝土路面的渗透系数随着渗透仪器内径的增大而增大，但增大的速率越来越缓。

2)当透水混凝土路面渗透仪器内径为粗骨料最大粒径的15倍以上时，尺寸效应的影响基本可消除。

3)探讨了如何选取透水混凝土路面渗透试验仪器内径，为室内准确测定透水混凝土路面渗透系数提供依据。