透水混凝土强度及透水性能影响因素研究

周玉玲，明廷臻，万美南

(1. 黄冈师范学院，湖北 黄冈 438000; 2. 武汉理工大学，湖北 武汉 430070)

0 引 言

随着我国城市化进程的推进，越来越多的土地被开发建设，混凝土路面的占比也随之增高。在传统的建筑行业中，较多采用混凝土作为路面铺装材料，传统混凝土材料耐久性较差，受车辆反复碾压易产生破坏需要定期修补[1-2]。硬化混凝土路面的密实度较高，渗透性能差，阻断了自然降水与地下水资源的循环作用和土地与空气之间的物质能量交换[3-6]。在多雨季节，传统混凝土路面易发生积水现象，影响交通，严重时可发生城市内涝；在炎热的夏季，传统混凝土的低渗透性和低导热性阻碍了空气与土壤的热交换，是城市“热岛效应”产生的重要原因之一。对此，采用高效的路面排水系统和应用高渗透性的路面材料是不错的选择[7]。

透水混凝土作为一种高渗透性混凝土材料，其内部拥有联通孔隙结构，透气透水，而且可根据路面要求设计强度和透水性能，施工工艺简单、成本低廉，是应用前景广阔的路面渗透材料。透水混凝土能吸声降噪，不影响土壤与空气的水分和热量交换，雨天无明显积水和路面反光，是环境友好型的绿色建筑材料。在当今社会，人们对环境问题的关注与日俱增，而透水混凝土作为一种新的环境友好材料，必将日益受到青睐，并在环境治理方面做出巨大贡献[8-11]。

目前，随着透水混凝土实验研究的深入，透水混凝土开始在实际工程中应用。北京南北长街道路工程用无砂透水混凝土，28 d抗压强度可达15.3 MPa，透水系数19 mm/s；北京奥林匹克公园人行道用透水混凝土，28 d强度满足C25混凝土强度要求，透水系数高达39 mm/s；上海西站综合交通枢纽南广场临时站前广场用透水混凝土，28 d抗压强度满足C20混凝土强度要求，透水系数高于3 mm/s[12]。透水混凝土多孔高渗透能力，导致强度不高，透水性和强度无法很好平衡，无法满足高强度需求场合，严重阻碍了透水混凝土进一步推广和发展；其次，透水混凝土耐久性不足，容易发生开裂破坏、孔隙堵塞也是目前透水混凝土应用遇到的问题[13]。

为研究透水混凝土强度及透水性能的影响因素，本研究通过调整混凝土配合比，来探究各因素对透水混凝土抗压强度和渗透性能的影响，同时探究了再生橡胶粉对其性能的影响。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

主要原材料有拉法基生产的P·O 42.5R水泥、硅灰、粉煤灰、机制碎石、河沙、再生橡胶粉和聚羧酸高性能减水剂。水泥的物理力学性能如表1所示，水泥、硅灰和粉煤灰的化学组成见表2；机制碎石粒径为4.75～9.5 mm，河沙细度模数为1.8，粒径0.25～0.125 mm；橡胶粉是以低速轮胎为原料生产的硫化胶粉，粒径 40～80目，松散堆积密度310 kg/m3；聚羧酸高性能减水剂减水率≥25%，含固量35%。

表1 水泥的物理力学性能

表2 水泥、硅灰和粉煤灰的化学组成（质量分数）%

1.2 试验方法

1.2.1 制备方法

传统混凝土的振捣方法一般为机械振捣，但是透水混凝土与普通混凝土不同，振动成型容易导致透水混凝土骨料形成紧密堆积状态，较大可能会使浆体沉积在试件底部，产生“封底”现象，影响透水性能。插捣成型的透水混凝土，胶凝材料分布均匀，有足够多的贯穿通道形成，利于透水[14]。因此，本试验采用人工插捣方法，模具为边长100 mm的正方体标准工程钢模。

试验步骤：

1）根据表3混凝土的配合比数据称量原材料；

表3 透水混凝土配合比kg/m3

2）依次把胶凝材料和骨料倒入搅拌机中，干拌60 s；

3）加入一半质量的水和全部减水剂，均匀倒入搅拌机中，拌合60 s后再加入剩余的水并搅拌均匀，搅拌总时间控制在4 min左右；

4）拌合完毕后，将拌合物从搅拌机中取出，并装入模具人工插捣成型，之后盖上保鲜膜；

5）室温静置24 h后进行拆模、编号，然后放入标准养护室内（温度(20±2) ℃，相对湿度≥95%）养护 28 d；

6）到达养护龄期后，测试透水混凝土抗压强度和透水系数。

1.2.2 测试方法

参照GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试混凝土抗压强度。试验采用 100 mm×100 mm×100 mm 的立方体非标准试件，每组试件测试3块，试验过程中加荷速度为0.5 MPa/s，测得的强度值乘以尺寸换算系数0.95。

采用献县天健仪器有限公司生产的TSY-3型混凝土路面砖透水系数测定仪（符合GB/T 25993—2010《透水路面砖和透水路面板》的要求）测试混凝土透水系数。试验采用新制备蒸馏水（水温23 ℃），每组试件测试 3块，试块直径 75 mm，高 100 mm，将试块四周用胶带密封使其不漏水，水仅从上下表面渗透，每个试块按照测定仪的程序测定其透水系数，取三次测量的算数平均值作为最后测量值。

2 结果与讨论

2.1 各因素对透水混凝土性能的影响分析

试验组A1～A5仅改变用水量，各试验组水胶比分别为0.20～0.28，试验结果如图1所示。随着水胶比的增大，透水混凝土的抗压强度总体表现为先增加后降低的趋势，在水胶比为0.22时，抗压强度达到最大值32.1 MPa。分析：较低的水胶比令骨料间的胶凝浆体流动性变差，导致浆体分布不均匀，骨料包裹效果较差，降低了骨料间的粘合作用，从而改变了混凝土整体结构的抗压强度；逐渐增大水胶比时，胶凝浆体的流动能力改善，挂浆效果变好，骨料之间浆体层厚度增加，抗压强度也逐渐增大；当水胶比达到一定值后，再继续增大水胶比，胶凝浆体挂浆效果变差，多出的胶凝浆体会聚集在试块底部，出现离析现象，导致抗压强度降低。

图1 水胶比对强度和透水性能的影响

随着水胶比的增高，透水系数总体呈现出逐渐减小的趋势。分析：在胶凝材料用量固定的情况下，水胶比较小时，胶凝浆体过于干硬，和易性较差，骨料间的胶凝浆体分布不均匀，骨料没有被胶凝浆体完全裹住，骨料之间存在较多的孔隙，利于透水混凝土的透水性能；反之，水胶比越大，胶凝浆体的流动性越好，更易产生离析现象，严重时试块失去透水功能，强度大幅度降低。

试验组B1～B4仅改变砂率，用减水剂调节工作性，各试验组砂率为2%～8%，试验结果如图2所示。随着砂率的增高，透水混凝土抗压强度逐渐增高，透水系数则逐渐降低。分析：随着砂率的增高，透水混凝土孔隙率减小，基体逐渐变得密实，因而强度提高；由于孔隙率的减小，具有透水作用的连通孔隙也逐渐减少，基体透水性能下降，透水系数变小。

图2 砂率对强度和透水性能的影响

试验组C1～C4仅改变矿物掺合料的掺量（掺合料包括粉煤灰和硅灰，二者质量比为2∶1），用减水剂调节工作性，各试验组掺量分别为10%～40%，试验结果如图3所示。若只用水泥作为胶凝材料，透水混凝土的抗压强度相对较低，当掺入掺合料时，透水混凝土的抗压强度逐渐上升，当掺量为20%时，抗压强度达到峰值39.0 MPa，之后掺量继续增加，但抗压强度逐渐下降。分析：活性矿物掺合料的掺入，改善了水泥石的微观结构，掺合料中的活性SiO2和Al2O3同水泥水化产生的Ca(OH)2发生“二次水化”反应，降低了界面过渡区的缺陷。水泥石中的孔隙孔径分布在5～50 µm，在掺入掺合料之后，其直径减小到0.1～0.2 µm，把拥有活性的超细粉末颗粒填充于水泥颗粒间的缝隙，增加了胶凝浆体的密实度，其发挥的“火山灰效应”降低了界面过渡区的厚度，从而提高了透水混凝土的抗压强度。当掺合料掺量较多时，没有足够的水泥提供强度，且富余的掺合料难以参与“二次水化”反应，强度则会降低。

图3 矿物掺合料掺量对强度和透水性能的影响

随着掺合料掺量的增高，混凝土透水性能逐渐降低。分析：活性矿物掺合料中的硅灰颗粒小、比表面积大，随着掺合料掺量的增加，胶凝材料需水量增高，胶凝浆体流动性降低，挂浆效果变差。此时采用聚羧酸减水剂调节浆体流动性，虽然可以顺利挂浆，但浆体粘稠度增加，不易产生连通孔，因而透水性能下降。

2.2 微观性能测试

图4为纯水泥B3与掺20%矿物掺合料C2试验组的物相组成，主要物相为Ca(OH)2和AFt。图中明显可以看到纯水泥B3试验组的物相中，水化产物Ca(OH)2的峰强明显，说明纯水泥试验组的Ca(OH)2含量相对较高。而掺入20%矿物掺合料的C2组，物相中水化产物Ca(OH)2的峰强明显较弱，与矿物掺合料参与“火山灰反应”消耗Ca(OH)2相对应。

图4 纯水泥（B3）与掺20%矿物掺合料（C2）试验组的XRD图谱

图5为纯水泥与掺20%矿物掺合料试验组的微观形貌SEM图片。由图可知，在纯水泥试验组中，水泥石基体孔隙较多，存在大量板状晶体，且尺寸较大，表明纯水泥试验组中有较多的大尺寸Ca(OH)2晶体颗粒，这与XRD分析相对应。掺20%矿物掺合料试验组中，水泥石基体孔隙较少，且未见大量大尺寸板状晶体，说明掺有活性矿物掺合料的胶凝浆体会产生较少的Ca(OH)2晶体，水泥石基体也会更加密实，这与矿物掺合料参与“火山灰反应”消耗Ca(OH)2相对应，也证明“火山灰反应”可减少水泥石基体的孔隙，提高密实度。

图5 纯水泥与掺20%矿物掺合料试验组的SEM图片

2.3 橡胶粉对透水混凝土性能的影响分析

试验组D1～D4仅改变橡胶粉的掺量，用减水剂调节工作性，橡胶粉分别等质量代替河沙25%～100%，试验结果如图6所示。随着橡胶粉掺量的增加，透水混凝土的抗压强度先增高，之后逐渐降低。低密度橡胶粉等质量替代河沙，少量替代时总的细骨料体积增加，减小了透水混凝土的孔隙率，增加了混凝土基体的密实度，所以强度有所上升，继续增加橡胶粉掺量时，由于废橡胶粉通过与水泥浆的粘接同骨料结合，橡胶粉末与水泥浆之间的粘合性差，会削弱混凝土内部结构之间的结合力，从而降低抗压强度。当达到试块所能承受极限载荷时，无橡胶粉掺入的透水混凝土发生脆裂，试块会严重崩坏。而混有橡胶粉末的试块在达到极限载荷后会出现延性损坏，在损坏期间声音会变钝，并且崩坏后形状相对完整，较少碎块掉落。随着橡胶粉掺量的增加，渗透率先下降后上升。低密度橡胶粉等质量替代河沙，少量替代时减小了透水混凝土的孔隙率，使渗透系数减小；随着用量的增大，橡胶粉与水泥石之间的结合效果逐渐变差，造成了许多缝隙缺陷，从而提高了透水性能。

图6 橡胶粉掺量对强度和透水性能的影响

橡胶属于有机材料，具有弹性，在受到压应力时容易产生变形，对粗骨料的支撑力小；其次，橡胶与水泥石的粘结效果差，如图7所示，橡胶与水的接触角为94°，属于疏水材料，水泥浆和橡胶表面难以牢固结合，这两点原因导致了混凝土强度的降低。

图7 橡胶与水的接触角

3 结束语

1）随着水胶比的增大，透水混凝土的抗压强度先增高后降低，透水性能逐渐降低，当水胶比为0.22时，水泥浆挂浆效果较佳，同时形成的连通孔较多，透水混凝土具有良好的抗压强度和透水性能。

2）随着砂率的增高，透水混凝土的抗压强度逐渐增高，透水性能逐渐降低，当砂率为6%时，细骨料在粗骨料孔隙之间的填充效果较好，使得透水混凝土具备较优的抗压强度和透水性能。

3）随着矿物掺合料掺量的增加，其掺量存在一个最优范围，使得透水混凝土透水性能与强度俱佳。当掺合料掺量为20%（粉煤灰与硅灰质量比为2∶1）时，水泥石的微观结构得到改善，透水混凝土的强度最高，同时其透水性能较优。

4）橡胶粉等质量代替河沙掺入透水混凝土时，混凝土抗压强度下降比较明显，但透水性能有一定的提高，当橡胶粉代替量为25%时，混凝土抗压强度略有升高，且透水性能没有明显降低。