透水性混凝土的制备及性能研究

徐柳 叶海华 （天津开发区建设工程试验中心 天津300456）

透水性混凝土的制备及性能研究

徐柳 叶海华 （天津开发区建设工程试验中心 天津300456）

透水性混凝土是一种新型环保型混凝土，它具有较大的孔隙率，能将雨水迅速渗入地表，同时将水流中的污染微粒沉淀下来，起到净化水质的作用；透水性混凝土能吸声降噪，增加车辆行驶及路人行走的安全性和舒适性。研究了水灰比、骨灰比和粉煤灰掺量对透水性混凝土抗压强度、孔隙率及透水系数的影响。

透水性混凝土 透水系数 粉煤灰 抗压强度

0 引言

透水混凝土是一种经过特殊工艺制成的具有连续空隙的混凝土，它具有一定的强度，又具有透水性，是一种新型环保性混凝土，它能把雨水迅速渗入地表，同时能净化水质；透水混凝土能吸声降噪，增加车辆行驶及路人行走的安全性和舒适性，使环境更干净、清凉、舒适。在欧美、日本等发达国家的研究比较深入，也达到了应用的程度。20世纪90年代以来，国内对透水性混凝土路面材料开始进行研究并取得了一定的成果。[1-6]目前国内研究主要是在保证透水系数的情况下提高强度，以及研究各项的影响因素。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

1.1.1 水泥 唐山京东水泥有限公司生产的“京唐”牌P.O42.5级水泥，其物理力学性能指标见表1。

表1 水泥的物理性能

1.1.2 粗集料 粒径为5～10 mm的单一粒级的碎石，碎石的物理性能见表2。

表2 碎石的物理性能

1.1.3 粉煤灰 为了进一步改善粘附在粗集料上的浆体的流动性，另一方面降低成本，取得更好的经济效益，本实验通过掺入适量的粉煤灰来制备透水性混凝土。

1.1.4 高效减水剂 减水剂能减少水泥浆体中孔隙率，提高水泥浆体的强度，对透水性混凝土的强度及其他性能有较大影响。本实验采用天津飞龙外加剂厂生产的羧酸高效减水剂，减水率为20%，最佳掺量为1.2%。

1.1.5 拌合水 采用一般洁净自来水即可。

1.2 试验方法

1.2.1 配合比设计 配合比设计的原则是将集料颗粒表面用水泥浆包裹，并将集料颗粒互相粘结起来，形成一个整体，具有一定的强度，将集料之间的空隙填充密实。

1.2.2 制备 许多研究表明：在孔隙率相差不多的情况下，采用水泥裹石法时，多孔混凝土的抗压强度较高。[7]所以本实验采用的搅拌方法为两次加料法，振动成型。

1.2.3 养护 由于粉煤灰具有很高的潜在水硬性，所以采用湿热养护就可以完全达到28天标准养护所要求的物理力学性能指标。[7]

图1 简易透水性测定装置

1.2.4 透水系数的测定 测定透水系数采用简易透水性测定装置（见图1），上下两端均为开口的透明方框，断面形状与试件的断面形状相同，正面有刻度。测量前先将试件四周用蜡封好，然后将透水仪方框置于试件上，方框和试件之间接缝用蜡密封好，接着向方框中加水超过200 mm，水通过试件渗漏，当水平面下至刻度为160 mm时起开始计时为t0，水平面下降至140 mm时的时间为tl，方框中的水全部渗漏完毕时的时间为t。

透水系数分为变水位系数和定水位透水系数两种，分别计算如下:

其中Tl为平均在150 mm时的定水位透水系数，T2为水位从160 mm变化到零过程中的平均透水系数。

1.2.5 抗压强度的测定 按《普通混凝土力学性能测试方法》GB/T50081-2002，在微机控制全自动压力试验机上进行测定。

2 实验结果与分析

2.1 水灰比对透水性混凝土性能的影响

透水性混凝土的结构示意图[8]如图2所示。

图2 透水性混凝土的内部空隙结构模型

设：透水混凝土粗集料的孔隙体积为V，水泥浆的体积为VC，VP1为透水混凝土的宏观孔隙率，在量上存在如下关系式：VP1=V-VC；VP2为透水混凝土水泥石中的孔隙率，该孔隙率主要取决于水灰比；模型的边长为单位1，透水混凝土的宏观孔隙的截面积为S1，透水混凝土水泥石中的孔隙截面积为S2。

根据T.C.Hansen的孔隙率理论，[9]混凝土的强度主要取决于孔隙率，即：

其中，f为透水混凝土的强度，f0为孔隙水泥石的强度，用孔隙率带入（1）得：

其中，k1、k2为常数。

本实验1 m3混凝土的水泥用量为320 kg、5～10 mm的碎石1 600 kg，通过调整用水量，研究了水灰比分别为：0.24、0.26、0.28、0.30、0.32、0.34 时，透水性混凝土的性能。为了使水泥浆有较好的流动性，制备时加入适量高效减水剂，减水剂的掺入量为水泥用量的1.2%。实验结果见表3。

表3 水灰比对透水性混凝土性能的影响

从表3和图3可以看出：当透水性混凝土的水灰比小时，混凝土的强度随水灰比的增大而增大。从实验过程和对实验现象的观察发现，当水灰比较小时，水泥浆的流动性较小，水泥浆不能完全均匀地包裹在骨料的表面，致使骨料间形成不连续的胶结层，骨料间的粘结强度也就较低，随着水灰比的增大，有效地降低了此现象。当水灰比增大到0.28时，强度最高，达17.45 MPa，当水灰比继续增大时，透水性混凝土的强度开始降低。当水灰比最佳时，骨料表面包裹了一层完整的胶结层，胶结层的强度较高，因而透水性混凝土的强度也最高；当水灰比大于0.28时，水泥浆的流动度就过大，振动成型时，水泥浆在振动外力及自身重力的作用下会从集料表面滑落到骨料间的孔隙中，占据部分孔隙，骨料间的粘结减弱，一部分浆体流到试块的底部，使试件底部孔隙堵塞更加严重，但增强了试块底部骨料间的粘结，这样就形成底部较密实，上部疏松的不均匀结构，致使透水性混凝土的强度较低。

图3 水灰比对透水性混凝土性能的影响

2.2 骨灰比对透水性混凝土性能的影响

在骨料强度、级配基本相同的情况下，多孔混凝土的抗压强度主要受骨料与水泥浆体间的粘结强度的影响，而水泥浆体的强度和界面厚度则严重影响着界面粘结强度。水泥浆体的抗压强度主要由水灰比决定，在一定水灰比下，水泥用量的增大使得界面厚度增大，粘结面积以及粘结点的数量增加，从而提高界面的粘结，对混凝土强度的提高是有利的，但另一方面会造成孔隙率的降低，对混凝土的透水性不利，因此应选择恰当的水泥用量。[10]本实验在采用基准配合比的基础上，水灰比为0.28。改变骨灰比为 4.71、4.85、5、5.16，即 1 m3混凝土的水泥用量分别为 340 kg、330 kg、320 kg、310 kg，实验结果见表 4。

表4 骨灰比对透水性混凝土性能的影响

从图4a可看出：渗透系数随着骨灰比的减小而减小。这是因为随着水泥用量的增大，骨料颗粒之间的粘结状况发生变化，由原来通过水泥浆体的点接触粘结发展为通过水泥浆体的面接触粘结，粗骨料之间原来连通的孔隙会逐渐减小有些变得不连通，造成孔隙率的降低，因此，透水系数降低。又因水泥浆体的流变性比较大，水泥用量的增大将使其更趋于采用填充骨料之间孔隙的方式来构成结构，因此使得多孔透水混凝土的孔隙率及透水系数显著下降。

图4 骨灰比对透水性混凝土性能的影响

由图4b可见，随着骨灰比的减少，水泥用量的增大，试件的抗压强度有一定幅度的增大。多孔透水混凝土的抗压强度主要由粗骨料之间的咬合摩擦力以及骨料与水泥浆体的粘结强度决定。在骨料级配基本相同的情况下，多孔透水混凝土的抗压强度主要受骨料与水泥浆体间的粘结强度影响，而水泥浆体的抗压强度和界面厚度则影响了界面粘结抗压强度。水泥浆体的抗压强度主要由水灰比决定，在一定水灰比下，水泥用量的增大使得界面厚度增大，粘结面积以及粘结点的数量增加，从而提高了它的抗压强度。

2.3 粉煤灰掺量对透水性混凝土性能的影响

混凝土提高流动性后很容易引起离析和泌水，使新拌混凝土的体积不稳定。掺入矿物细掺料的高性能混凝土则有很好的粘聚性。需水量小的细掺料（如粉煤灰）可以进一步降低混凝土的水胶比而保持良好的工作性能。矿物细掺料还能增进混凝土的后期强度，增强混凝土的耐久性。[11]参考上述理论，在透水性混凝土中掺入粉煤灰以改善透水性混凝土的性能。实验结果见表5。

表5 粉煤灰对透水性混凝土的影响

从图5a可知：透水系数随着粉煤灰掺量的增大而减小，主要由于粉煤灰的密度比水泥小，颗粒较细，充分填充在透水性混凝土的空隙中。当处于密实或毛细孔状态时，没有形成可以透水的孔隙；此时处于第一类小孔状态，虽然形成了孔隙，但是由于孔隙不连通也不能有很好的透水性，导致渗透系数有所下降。

从图5b可知，粉煤灰的掺量从0%增加到20%，透水性混凝土的抗压强度均呈上升趋势，在20%的地方有个峰值，掺量再增加时，强度开始下降，这与普通混凝土不同，透水性混凝土的强度随着粉煤灰的掺量增大而减小。分析其原因，可能是因为掺入粉煤灰的透水性混凝土有很好的粘聚性，在成型过程中水泥浆体不容易流淌到试件底部，由于粉煤灰颗粒较细，起到微填充的作用，加上粉煤灰的二次水化使它后期对混凝土的贡献很大，整体表现为整个龄期强度均较大。当粉煤灰的掺量超过20%，粉煤灰的水化进行较慢，因加入的胶凝材料总量不变，浆体厚度不变；但由于粉煤灰强度低于水泥，水泥浆中又存在大量没有水化的粉煤灰，浆体中水泥的量比较少，从而导致透水性混凝土的抗压强度下降。

4 结论

水灰比对透水性混凝土的孔隙率、渗透系数和强度都有很大的影响。孔隙率、渗透系数随水灰比的增大而减小。当水灰比较小时，透水性混凝土的强度随水灰比的增大而增大；当水灰比增大到0.28时，强度最高，达17.45 MPa；当水灰比继续增大时，强度开始下降。渗透系数随着骨灰比的减少而减小，抗压强度随着骨灰比的减少而增大。透水系数随着粉煤灰掺量的增大而减小，粉煤灰的掺量从0%增加到20%，透水性混凝土的抗压强度均呈上升趋势，当掺量为20%时，强度最高，达22.5 MPa，掺量再增加时，强度开始下降。配制小粒径（5～10 mm）的透水性混凝土的最佳水灰比为0.28，掺入20%粉煤灰可使透水性混凝土的抗压强度提高到22.5 MPa，透水系数大于 1.5 mm·s-1。■

[1]程娟，郭向阳.粉煤灰和矿粉对透水混凝土性能的影响[J].建筑砌块与砌块建筑，2007（5）：27-29.

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2011-05-09