透水混凝土性能影响的研究

朱金春，杨鼎宜，张晓欢,孙飞进，王长江，江 虹，朱广军，仇圣彪

（1.扬州大学 建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127；2.仪征江阳砼制品有限公司，江苏 仪征 211400）

0 引言

近几年来，随着经济的快速发展和人们对于自身生活环境要求的提高，透水混凝土（pervious concrete）作为一种新的环保型、生态型的道路材料，已经受到越来越多人的关注.采用透水混凝土对地面进行铺装，从生态和环境效益来看，具有许多优点[1]：1）维持地下水位平衡；2）保护自然生物链；3）改善道路视听环境；4）缓解“热岛效应”.常用的透水混凝土路面一般分为轻载透水混凝土路面、景观透水混凝土路面和重载透水混凝土路面[2].

国内外对于透水混凝土都有不同程度的研究[3-9].国内和国外相比还存在很大差距，主要表现在以下几个方面[10]：1）对透水混凝土物理力学性能、耐久性以及本构关系的研究缺乏系统性；2）工业化生产以及大型机械规模化施工和国外相比差距较大；3）标准化建设滞后，该领域缺乏权威技术标准.

本研究采用单粒级粗骨料作为混凝土骨料，94%水泥和6%硅灰混合浆体作为混凝土胶结料.本试验采用正交试验方法，控制碎石级配、水灰比和设计孔隙率（设计孔隙率是指在透水混凝土配合比设计时预留用于透水的连通孔隙率）这3个变化因素，研究各因素对透水混凝土性能的影响.通过极差分析，得出最佳碎石级配、最佳设计孔隙率和最佳水灰比.

1 试验概况

1.1 试验原材料

1）42.5级的普通硅酸盐水泥；2）硅灰；3）水；4）粗集料，本试验粗集料采用普通天然碎石，级配分别为9.5～16mm、16～19mm和19～25mm.粗集料基本物理性能如表1所示，根据现行国家标准《建筑用卵石、碎石》（GB/T 14685-2011），基本符合Ⅱ类用石要求.

表1 粗集料基本物理性能Tab.1 Basic physicalpropertiesof coarse aggregate

1.2 配合比设计

配合比设计采用体积法，选择L9(33)类型正交试验表进行设计分析.第1个因素为碎石级配，3个水平分别为9.5～16mm、16～19mm和19～25mm；第2个因素为设计孔隙率，3个水平分别为15%、20%和25%；第3个因素为水灰比，3个水平分别为0.25、0.30和0.35.

1.3 搅拌工艺

首先投入全部粗集料和50%拌合用水搅拌30 s，然后投入水泥和硅灰搅拌60 s，最后投入剩余50%拌合用水搅拌60 s，出料.

1.4 性能测试

1）抗压强度；2）有效孔隙率（有效孔隙率指连通孔隙占透水混凝土体积的比例）；3）透水系数（透水系数指单位时间内通过单位面积透水混凝土的水量）.

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度极差分析

抗压强度极差分析如表2所示.

由抗压强度极差分析表可知，主次因素由强至弱的顺序依次为设计孔隙率、水灰比和碎石级配.其中，设计孔隙率对抗压强度指标的影响最大，且当设计孔隙率越大，抗压强度指标反而越小.由于指标是抗压强度，越大越好，因此从1，2，3中选择较大者.通过直观分析，不难确定试验的最佳组合为：碎石级配9.5～16mm，设计孔隙率15%，水灰比0.35.该组合在试验中并没有出现，对比表中第7组试验，最佳组合的抗压强度可超过14.7MPa.

2.2 有效孔隙率极差分析

有效孔隙率极差分析如表3所示.

由有效孔隙率极差分析表可知，主次因素由强至弱的顺序依次为设计孔隙率、碎石级配和水灰比.其中，设计孔隙率对有效孔隙率指标的影响最大，且当设计孔隙率越大，有效孔隙率指标也越大.由于有效孔隙率并不是越大越好，也不是越小越好，只有在一个合理的区间内，才能保证透水混凝土的强度指标和透水性指标都符合要求.

表2 抗压强度极差分析Tab.2 Compressive strength range analysis

表3 有效孔隙率极差分析Tab.3 Effective porosity range analysis

2.3 透水系数极差分析

透水系数极差分析如表4所示.

由透水系数极差分析表可知，主次因素由强至弱的顺序依次为设计孔隙率、碎石级配和水灰比.其中，设计孔隙率对透水系数指标的影响最大，且当设计孔隙率越大，透水系数指标也越大.由于指标是透水系数，越大越好，因此从1，2，3中选择较大者.通过直观分析，不难确定试验的最佳组合为：碎石级配16-19 mm，设计孔隙率25%，水灰比0.25.该组合在试验中正好出现，即表中第6组试验，最佳组合的透水系数为9.88mm/s.

表4 透水系数极差分析Tab.4 Permeable coefficient range analysis

2.4 综合分析

1）透水混凝土中有效孔隙的存在必然影响其抗压强度指标，对这2个指标进行一元线性和非线性回归分析，可以得到相关拟合曲线及回归方程（图1）.由图1可知，两个指标线性和非线性拟合度都不错，抗压强度指标随着有效孔隙率指标的增大而减小.

2）抗压强度指标和透水系数指标是透水混凝土考察的两个关键指标，对这两个指标进行一元线性回归，可以得到相关拟合曲线及回归方程，如图2所示.由图2可知，这两个指标拟合度不是很高，但有一个明显的趋势，随着透水系数指标的提高，抗压强度指标逐渐下降.

图1 抗压强度指标和有效孔隙率指标的相关拟合曲线及回归方程（x代表有效孔隙率， 代表抗压强度）Fig.1 The fitting curveand regression equation of compressive strength index and effective porosity index( represents theeffective porosity,represents compressive strength)

3）对有效孔隙率指标和透水系数指标进行一元线性和非线性回归，可以得到相关拟合曲线及回归方程，如图3所示.由图3可知，两个指标线性和非线性拟合度都不错，透水系数指标随着有效孔隙率指标的增大而增大.

3 结论

1）影响透水混凝土性能指标的主要因素是设计孔隙率.设计孔隙率越小，骨料和水泥石填充越密实，抗压强度指标越大.设计孔隙率越大，有效孔隙率越大，透水系数指标越大.

2）抗压强度指标和透水系数指标两者之间存在牵制关系，如何统筹兼顾这两个指标，是研究透水混凝土的关键.

3）综合考虑透水混凝土的力学性能和透水性能，得出最佳组合：碎石级配16～19mm，设计孔隙率15%，水灰比0.30.

图2 抗压强度指标和透水系数指标的相关拟合曲线及回归方程（ 代表透水系数， 代表抗压强度）Fig.2 The fitting curveand regression equation of compressive strength index and permeable coefficient index( represents thepermeable coefficient,represents compressive strength)

图3 有效孔隙率指标和透水系数指标的相关拟合曲线及回归方程（ 代表有效孔隙率， 代表透水系数）Fig.3 The fitting curveand regression equation of effectiveporosity index and permeable coefficient index( represents theeffective porosity, represents the permeable coefficient)

[1]宋中南，石云兴.透水混凝土及其应用技术 [M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

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[4]严捍东.再生骨料混凝土配制透水路面砖 [J].华侨大学学报：自然科学版，2006，27（1）：54-57.

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[8]聂品.再生骨料透水混凝土的路用性能研究 [D].郑州：华北水利水电学院，2012.

[9]刘星雨.透水混凝土抗冻性的影响因素研究 [D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.

[10]宋中南，石云兴.透水混凝土及其应用技术 [M].北京：中国建筑工业出版社，2011.