基于透水路面的混凝土配合比设计研究

冯潇

（中建路桥集团有限公司，河北 石家庄 050001）

0 引言

在新型城市路面设计中，透水混凝土路面[1]具备透水功能，可有效避免道路积水，同时能一定程度补充地下水，减少水道中的污染物。透水混凝土有助于海绵城市建设，且能缓解道路排水难的问题，但其在配合比设计过程中仍有不少问题，影响其应用性能和推广。它的性能取决于强度和渗透性。本文为进一步探讨透水混凝土路面的使用效果，拟设计不同的配合比方案，并开展性能的比较分析。由于缺乏规范和标准的测试方法，不同的现场条件需要不同的规范，使其设计成为一项艰巨的任务。因此，为确定理想的配合比设计，提高透水混凝土的适用性和可靠性，必须掌握不同配比下的混凝土性能特点。

1 透水混凝土路面材料

配合比组成方面，相较于传统的混凝土，透水混凝土的透水性主要体现在其较大的孔隙率和粗骨料级配，同时其级配颗粒中的连通性更强，利于水渗透。通过消除细骨料含量，降低了强度，但允许地表水通过结构孔隙向下渗透。因此，渗透率和强度取决于含水率、骨料粒度和级配、细粒含量、压实性等参数。

合适的含水率能够最大限度提高强度，而不损害透水混凝土的渗透性能。在透水混凝土中，水泥浆体是有限的，骨料依靠彼此间的接触面来获得强度。骨料含量相对于水泥含量是另一个重要的特征。可压实的水泥浆体越多，抗压强度越高，但过多又会堵塞孔隙，不利于混凝土透水。

压实度和压实方法是影响透水混凝土力学性能的两个最重要因素。压实度过低可能无法提供所需的强度或光滑表面，还可能造成成品路面的开裂；压实度过高会使孔洞闭合，导致渗透率降低。混合物的渗透性在不同的压实水平下变化可高达25%。因此，准确、定量地控制压实度对获得具有相近性能的透水混凝土具有重要意义。

以往研究表明，使用粉煤灰可改善混凝土的性能，使其更强，更持久，更抗化学侵蚀。粉煤灰的使用也为环境创造了巨大的利益。为研究粉煤灰部分替代硅酸盐水泥的透水混凝土的主要性能，进行了各种混凝土试件的性能试验研究。

2 透水混凝土路面典型横截面

如图1所示为透水混凝土路面的典型断面，其最底部为路基，一般为原始加固土体层，在土基之上覆盖一层土工布后，再摊铺砾石路基，砾石层孔隙大，渗水性好，最上面即为透水混凝土层，当路面出现积水时，水流能通过透水混凝土大量下渗至砾石层，经进一步砾石过滤掉杂物后再渗流至土工布位置，实现路面透水功能。其中，透水混凝土层和砾石路基储层的厚度是设计时的关键，需结合水力和力学特性综合考虑。

图1 透水混凝土路面的典型断面

3 混合料配合比设计

在本次试验设计中，拟配置14种透水混凝土试样开展测试，编号B1～B14，其中参数设置包括骨料大小以及水泥与骨料比等，并兼顾含水率与粉煤灰掺量。选择42个标准圆柱形混凝土样品作为对照，编号为A1～A42，其中每三个对照组与一种透水混凝土试样对应。

3.1 骨料尺寸

本次试验参数变化考虑设置不同的骨料大小，分别设置粒径为25、19以及12.5mm降级。获得骨料后，对其进行筛分，得到单一粒径级配。分级良好的混合会导致孔隙尺寸和孔隙率下降。单粒径级配产生最大孔隙比，即为最大渗透率。尽管类似研究中将骨料的尺寸范围设置为9.5～25mm，但本次试验中为获取较大的渗透效果，将最小尺寸9.5mm提升至12.5mm。采用标准筛孔进行分筛，按规定存储所得的区间粒径骨料。

3.2 骨料∶水泥比

骨料与水泥的比例直接影响透水混凝土的抗压强度和透水性能，本次试验设置该比例为4、5、6三种，过高的比值将导致抗压强度不足。透水混凝土试样中为保证透水性，仅有粗骨料，并依靠其与水泥之间的胶结实现渗透。称取时，骨料与水泥安装质量进行配制。

3.3 含水率

透水混凝土的含水率对其强度有一定的影响，本次试验选取28%～36%区间的不同含水量并分析相应混合物的特性。实验过程中将不同含量的水分依次掺入水泥和骨料中，考虑最大含水量与抗压强度的关系，据此确定合理的水泥比，保证透水混凝土具备良好的抗压强度。

3.4 粉煤灰的添加

本次试验的混合物试验编号见表1。其中，在编号12～14样品中掺入粉煤灰，三组混合物试样的水灰比均为0.28，骨料尺寸为19mm降级，骨料与水泥的比值分别为4、5、6。试验时探讨粉煤灰加入后对透水混凝土特性的影响。

表1 混合物和相应的参数

4 预制混凝土样品的测试

4.1 观感检测

对所获得的试验结果进行分析可知，如图2，前三种透水混凝土配比样品顶面均可见一定数量的孔隙，但底部呈现较平整的水泥成型面，缺少孔隙，原因是浇筑过程中存在离析现象所致。同时，三种样品中的25mm骨料级配的顶面粗糙，行人走动时可能存在不适感，且存在摩擦受伤隐患，而12.5mm骨料级配的顶面较为光滑，满足通行要求。

图2 样品的观感检查

4.2 抗压强度试验

在本次设计的14组配比混合物中，编号14由于无法回收被剔除。对于其余的13组样品，其各自的28d抗压强度均由相应的3个圆柱形试样检测并取平均值确定。试验中将39个试样通过万能试验机进行压碎，检测获得相应的抗压强度数据，见表2。

表2 样品的抗压强度和渗透率

在实践中，混凝土强度发展较慢的原因可能是水泥与粉煤灰掺量的不足，继而导致试样失效。为此，可通过延长水化时间的措施加以解决。由表中数据可知，试样组11中的水泥含量较少，导致抗压强度最小，仅为3.15MPa。而试样组7～9的抗压强度最大，平均值达到20MPa左右。尽管它们的标准偏差很高，也获得了大范围的抗压强度，但没有一种试件能提供与常规混凝土同等的强度。对试样进行破坏试验表明，在设计持荷条件时，试样均没有被压碎，而是呈现剪切失效。另外，由于配比中均为粗骨料，相应水泥等黏合料较少，黏结强度较弱。经分析可知，本次试验所得的透水混凝土抗压强度分布在5～25MPa之间，典型数值约为18MPa，在路面抗压强度方面有较好的适用性。

4.3 渗透率与骨料尺寸

如图3所示，骨料尺寸与透水混凝土的渗透率基本保持正相关关系，即骨料尺寸增大时，渗透率也随之增大，且曲线斜率逐渐加大。分析原因认为，骨料尺寸越来越大时，骨料之间的孔隙将增大，孔隙率随之变大，使水分能更好地渗透至混凝土层中。

图3 渗透率与骨料尺寸

4.4 渗透率与骨料∶水泥比

如图4所示，骨料与水泥的比值逐渐增大时，渗透率也呈现上升趋势，且两者基本保持线性正相关关系[5]。分析原因可知，当骨料与水泥比值较小时，即水泥掺量较大，骨料相对较少，则水泥浆体较多，除去包裹粗骨料的一部分外，多余的水泥浆体将透水混凝土中形成的孔隙堵塞填充，造成孔隙率下降，渗透率降低，但混凝土的抗压强度由此得到了提高。同理，当骨料与水泥的比值较大时，水泥浆体不足，孔隙率变大，渗透性提高，抗压强度降低。

图4 渗透率与骨料∶水泥比

5 结语

本文设计了不同配合比参数条件下的透水混凝土性能试验，对比了骨料大小、水泥与骨料比、含水率以及粉煤灰掺量等对于透水混凝土渗透性与抗压强度的影响，分析了相关影响因素及其机理。试验结果表明，透水混凝土强度低于传统混凝土，但在低冲击环境下应用时，作为良好的替代物；骨料尺寸、骨料与水泥比等均与透水混凝土的渗透率呈正相关关系。在实际应用中，透水混凝土能一定程度上缓解城市道路积水，提升蓄水能力，适用于海绵城市的规划建设。