透水混凝土性能试验方法研究

陈晋栋 ，王武祥 ，2，张磊蕾 ，2

（1.中国建筑材料科学研究总院，北京 100024；2.绿色建筑材料国家重点实验室，北京 100024）

0 引言

透水混凝土是一种环境友好型材料[1]，雨水能够通过其快速渗透进入土壤中及时补充地下水，起到缓解暴雨径流、减轻市政排水系统负荷的作用，同时能够滤掉地表径流中的一部分污染物[1-3]，此外还能起到吸声、降噪、防滑、夜里防眩光等作用[4-6]。透水混凝土性能的评价表征对其工程应用有着重要意义，虽然有一些性能试验方法或标准，但是多数源于普通混凝土。而透水混凝土只掺少量或完全不掺细集料[1，7-8]，孔隙率高，致使其工作性、力学性能以及耐久性能与普通混凝土有明显差异，导致许多普通混凝土性能试验方法不再适用于透水混凝土，需在现有普通混凝土标准基础上改进或研究开发新的试验方法。本文对透水混凝土的工作性、强度、孔隙率、透水系数以及抗冻性的试验方法进行了综述，以期为透水混凝土性能试验方法的改进提供参考。

1 透水混凝土拌合物工作性试验方法

混凝土的工作性主要包括拌合物的流动性、粘聚性及保水性[9]。一般而言，拌合物流动性大则粘聚性和保水性不佳，反之亦然。透水混凝土的水灰比（W/C）低、浆体量少，浆体能够起到的润滑作用小，拌合物比较干硬。因此，改善透水混凝土的工作性主要是要解决其流动性不佳的问题。透水混凝土工作性体现在工程应用上主要为：拌合物是否易拌和、是否易从搅拌设备中倾倒出来、是否易摊铺、是否易压实，工作性持续时间能否满足施工需要、水泥浆体能否紧密粘附在集料上而不流浆等[10]。实际应用中通常额外掺加水来改善拌合物的流动性，但这会使透水混凝土的整体性能降低。

对于粗集料粒径不大于40 mm的普通混凝土，其工作性多采用坍落度或维勃稠度进行量化评价[11]。然而研究表明，透水混凝土的坍落度或维勃稠度与工作性的相关性较差[12]，为此，研究人员开发了目测法和一些量化方法来评价透水混凝土的工作性。

1.1 目测法

目测法的评价原则是：水泥浆体紧密均匀地包裹集料，无浆体下淌，拌合物表面有金属光泽。为便于应用目测法，一些文献提供了图片作参考。Tennis等[3]提出的方法如图1所示：拌合物含水量偏低，集料之间粘结很弱，比较松散；拌合物含水量偏高，则水泥浆体流动度大，不能均匀包裹集料，且部分孔隙为水泥浆体填充；拌合物工作性合适时，用手攥拌合物可以成团，且没有水泥浆体下淌。不过美国预拌混凝土协会（National Ready Mixed Concrete Association，NRMCA）不推荐采用图1的方法，因为此法评价为工作性良好的透水混凝土，实际比较干硬，倾倒较困难[10]。NRMCA推荐了图2的手挤压法和图3的倒置坍落度筒法。手挤压法操作步骤为：用手抓起拌合物后挤压，然后将手展开，让拌合物自由落下，倘若仍有集料粘附在手上，则认为此拌合物工作性良好。倒置坍落度筒法操作步骤为：将倒置的坍落度筒用透水混凝土拌合物填满，让拌合物自密实，静置2min，若筒底部有浆体渗出，则认为拌合物含水太多；若没有浆体渗出，轻轻抖动倒置的坍落度筒并将之缓慢提起后，拌合物坍落下来，则认为其工作性良好。

目测法的优点是无需太复杂的设备即可对透水混凝土拌合物工作性作出定性评价，但是易受到主观因素影响，对操作人员的经验要求高。

图1 不同含水量透水混凝土试样的成球能力

图2 透水混凝土工作性评价方法——手挤压法

1.2 量化评价方法

1.2.1 密度法

对于透水混凝土拌合物，越易被压实，代表流动性越大。因此，可通过测量拌合物被压实的难易程度来评价透水混凝土的工作性。

压实功一定时，透水混凝土拌合物的密度越大，说明其越易被压实，流动性越好。因此，可通过测定压实功一定时透水混凝土拌合物的密度来评价其工作性。ASTMC1688/1688M-14a[13]推荐透水混凝土拌合物的密度范围为1750～2000kg/m3，当测得的拌合物密度在此范围内时可认为其工作性良好。

1.2.2 旋转压实仪法

Kevern等[14]通过对沥青混凝土常用的旋转压实仪进行改进来评价透水混凝土的工作性。透水混凝土的工作性指数通过图4给出，图4的曲线以8转为分界点被分为两部分：1～8转曲线下部的阴影面积被定义为工作性能量指数（WEI），用来评价拌合物的本质工作性；8转至达到设计孔隙率的转数或100转的曲线下部的阴影面积被定义为压实密实指数（CDI），用来评价拌合物对额外压实功的抵抗能力。表1给出了评价透水混凝土工作性和压实性的指标。

图4 表观压实度和旋转压实仪转数之间的关系

表1 透水混凝土的工作性指数范围

1.2.3 富余浆量法

透水混凝土的工作性受到水泥浆体量、砂率以及组成材料性质的影响，其中水泥浆体量对工作性的影响程度最为显著[14]。因此，可以通过测试拌合物的水泥浆体量，对透水混凝土的工作性进行评价。

盛燕萍[9]即通过测试富余的水泥浆体含量来评价免振捣透水混凝土的工作性，以富余浆量比δ作为评价指标。所谓富余浆量比是指在拌合物质量和振动时间一定的条件下，通过2.36 mm方孔筛的富余浆量与拌合物总质量的比值。盛燕萍[9]通过多因素正交试验设计，考察了粗集料级配、灰集比、水灰比以及砂率对拌合物工作性的影响程度，回归得到计算富余浆量比的式（1），式（1）的相关系数为0.880。并指出当试验得到的富余浆量比落在回归公式计算结果范围（δ±1%）内时，表明拌合物的工作性能良好。

式中：δ——富余浆量比，%；

VCA——集料骨架间隙率，%；

C——水泥用量，g/m3；

W/C——水灰比；

SP——砂率，%。

密度法简单易行，可在一定程度上评价透水混凝土的工作性；旋转压实仪法具备可以精确模拟现场各种压实状态的优点，但是设备庞大，并不适用于现场试验；富余浆量法所需设备简单易得，但是提出的富余浆量比公式是通过免振捣透水混凝土的相关试验得到，而免振捣透水混凝土的水灰比、浆集比与普通透水混凝土之间的差异非常大，因此在用于普通混凝土的工作性评价时，需重新考察各参数的影响程度，得到适用于普通透水混凝土的富余浆量比回归公式。

2 透水混凝土强度试验方法

目前，国际上对透水混凝土强度的试验普遍采用普通混凝土试验方法，我国按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行试验。抗压强度以边长为150 mm的立方体为标准试件，抗折强度以150 mm×150 mm×600 mm的棱柱体试件作为标准试件。

研究表明[15-16]，透水混凝土的强度除受到原材料性质和配合比影响外，还受到成型方式的影响。GB/T50081—2002规定坍落度不大于70 mm的混凝土宜采用振动振实成型，透水混凝土采用此法成型，振动时间不易把握。振动时间短则拌合物难以实现紧密接触，孔隙率偏高，导致强度偏低；振动时间长则易出现水泥浆体与集料分离现象，浆体下淌沉积在试件下部，导致水泥浆体分布不均匀，下部密实而上部不足，对试件强度不利。透水混凝土常采用的成型方法还有人工插捣或击实成型、静压成型以及平板振动器从试件上部振动成型。人工插捣或击实成型的透水混凝土试件孔隙分布均匀，但是不够密实，强度偏低[15]；静压成型的透水混凝土试件致密，但是施加压力大小不好控制，压力过大可能会造成集料破碎，在透水混凝土内部形成缺陷区，难以反映透水混凝土的真实强度；平板振动器从透水混凝土试件上表面振动成型，对水泥浆体流动度合适的透水混凝土而言，不会造成水泥浆体下淌[17]，且成型的透水混凝土试件较为致密。因此，在进行透水混凝土强度试验时，采用平板振动器从上表面振动成型试件的方式比较合适。

普通混凝土进行强度试验时会受到“尺寸效应”影响，透水混凝土也存在类似现象[5]。Chen等[8]分别测试了边长为100、150、200 mm透水混凝土立方试件的抗压强度，结果表明，边长为100mm的立方试件尺寸换算系数远小于0.95，而边长为200 mm的立方试件尺寸换算系数则远大于1.05，说明试件尺寸对透水混凝土抗压强度的影响比普通混凝土的大；试验还发现，尺寸效应随着孔隙率增大而趋于明显。徐仁崇等[18]采用的成型方式与Chen等[8]的不同，但是也得到了相似的结论。Kunieda等[19]研究了试件尺寸对透水混凝土抗折强度的影响，结果表明，透水混凝土抗折强度随着梁高度的增加而降低，与普通混凝土趋势类似；而梁长度对透水混凝土抗折强度的影响则与普通混凝土不同。因此，应当对透水混凝土的“尺寸效应”进行系统研究，重新标定相应的尺寸系数。

3 透水混凝土孔隙率试验方法

透水混凝土内主要有连通、半连通以及封闭3种类型的孔隙，其中只有连通孔隙能够起到透水作用，半连通孔隙只能起到储水作用，封闭孔隙则对透水完全没有贡献。孔隙率的定义主要有2种[20]：将对透水有贡献的孔隙在透水混凝土体积中的占比称为有效孔隙率，将全部孔隙在透水混凝土体积中的占比称作全孔隙率。虽然透水混凝土的有效孔隙率与透水能力的关系更加密切，但是人们在对透水有贡献的孔隙的理解上存在分歧。有的认为，连通孔隙都能够起到透水作用；有的则认为，孔径特别小的连通孔隙，由于表面张力存在，起不到透水作用。此外，透水混凝土进行配合比设计时，目标孔隙率常采用全孔隙率。因此，一般指的孔隙率就是全孔隙率。目前，常用的透水混凝土孔隙率试验方法包括排水法、灌水法以及图像分析法。

3.1 排水法

排水法依据阿基米德原理测试得到透水混凝土试件的外观体积和固体体积，进而计算得到体孔隙率。此方法对所测试件进行抽真空密封，能够精确测量出试件的外观体积和固体体积，对设备的要求较高，常使用CoreLok真空密度测定仪进行试验[1，5]。由于试件通常为规则体，试件外观体积也可通过测量试件的外观尺寸得到。有些文献省略抽真空步骤，此时透水混凝土孔隙内会残留空气，水不能完全渗透进入孔隙内，致使测得的固体体积偏大，计算得到的体孔隙率偏小。

3.2 灌水法

灌水法的依据是当透水混凝土试件达到水饱和时，孔隙内水的体积与孔隙体积相等，通过测量孔隙内水的体积，即可获得试件的孔隙体积，进而计算得到透水混凝土的体孔隙率。此方法在应用过程中，由于孔隙内残存空气、水位不易控制，测得的孔隙体积可能偏大也可能偏小。

无论是排水法还是灌水法，透水混凝土试件烘干时，温度选择非常重要。烘干温度低，则烘干所需时间长，致使孔隙率试验的周期变长；烘干温度高，烘干时间短，但是有可能使试件原有孔隙结构遭到破坏[21]。在测量透水混凝土的全孔隙率时，温度一般选定为（105±5）℃，但是此时除凝胶水开始蒸发外，还存在部分水泥水化产物如C-S-H凝胶、AFm、AFt中的部分弱结合水的分解[22]，导致所测全孔隙率偏大。

3.3 图像分析法

图像分析法依据体视学原理进行试验。体视学观点认为：对于随机试件，试件的体积孔隙率与试件任意截平面图像中孔隙面积百分比相等[23]。此方法的使用前提是试件满足体视学各向均质同性的要求，但是透水混凝土实际上并非各向均质同性，所以采用此方法测得的孔隙率与体孔隙率相比存在一定偏差，根据图像分析法测得的孔隙率往往大于体孔隙率[23-24]。在进行图像分析时，常通过阈值分离法将灰度图像转换为二值图像，将图像中的孔隙和固体分离开来，阈值的选择非常关键，选择得不合适，会使计入统计的孔隙面积偏大或偏小，导致测得的孔隙率偏大或偏小。此外，像素固定时，图片的尺寸越大，分辨率越小，图像分析起来越困难；但是图片尺寸减小，其代表性会比较差，因此图片尺寸的选择至关重要。

4 透水混凝土透水系数试验方法

透水系数是表征透水混凝土径流处理能力的重要技术参数，也是透水混凝土进行水力设计的基础参数，故确保透水系数试验方法的科学性、先进性和合理性至关重要。根据试验环境不同，透水系数试验方法可分为室内试验法和现场试验法。

4.1 室内试验法

室内测量透水混凝土透水系数的装置根据设计原理不同，可分为基于达西定律的试验方法和基于质量守恒定律的试验方法。基于达西定律的试验装置多从土力学测量土壤透水系数的装置改进而来，主要的测量方法可以分为定水头法和落水头法。

4.1.1 基于达西定律的试验方法

基于达西定律开发的透水混凝土透水系数测量装置多种多样，具有代表性的如图5所示，图5（a）为GB/T25993—2010《透水路面砖和透水路面板》和CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》用来测试透水砖或板和透水混凝土透水系数的定水头装置，通过式（2）计算透水混凝土的透水系数

式中：KT——水温为T℃时试样的透水系数，mm/s；

Q——时间t内的渗出水量，mm3/s；

L——试样厚度，mm；

A——试样的截面积，mm2；

H——水位差，mm；

t——时间，s。

图5（b）为ACI 522R-10推荐的由Neithalath等[25]开发的测试透水混凝土透水系数的落水头装置。先将阀门关闭，刻度筒灌满水后将再阀门打开，记录水从290mm水位降至70mm水位的时间t，这个过程重复3次，通过式（3）计算透水混凝土的透水系数：

式中：K——透水系数，mm/s；

a——上部量筒的截面积，mm2；

A——透水混凝土试样的截面积，mm2；

L——透水混凝土试样长度，mm；

h0——开始计时的水柱高度，mm；

h——t时刻的水柱高度，mm；

t——水柱从h0降到h所用时间，s。

图5 基于达西定律的透水仪

上述试验方法要满足达西定律的使用条件。Bear[26]在前人研究基础上得出，只有当雷诺数Re介于1～10时，即流体流动属于层流时，达西定律才适用，此观点得到大家的广泛认同。雷诺数Re是一个无量纲数，表示流体的惯性力和粘滞力之比，流体在多孔介质中的雷诺数Re定义为：

式中：ρ——流体的密度，kg/m3；

q——比流量，mm/s；

d——多孔介质的特征长度，mm；

μ——流体的动力黏度，Pa·s。

对于透水混凝土，其粗集料粒径一般介于5～20 mm，孔隙尺寸介于 2～8 mm，水的流速一般为 0.2～0.54 cm/s[3]，20℃水的运动黏度为1.007×10-6Pa·s，由此可计算得到20℃水通过透水混凝土的雷诺数Re。以集料粒径作为特征长度，则9.9＜Re＜108；以孔隙尺寸作为特征长度，则 3.99＜Re＜42。可以看出，当通过透水混凝土的水流速较大时，即会出现过渡流，一旦出现过渡流，达西定律将不再适用。因此采用上述试验方法时，要控制水的流速。而水力梯度越大，流速越大，流体越有可能超出层流范围。将流体从层流开始进入过渡流时的水力梯度定义为临界水力梯度，水力梯度小于临界水力梯度即可满足达西定律的使用条件。ASTMD2434-68（2006）[27]认为，低压实度砂土的临界水力梯度I值在0.2～0.3，高压实度砂土的临界水力梯度I值在0.3～0.5。透水混凝土的透水系数比砂土的透水系数高，所以其临界水力梯度值应更小。郑木莲[28]研究表明，透水混凝土的临界水力梯度受到集料级配、水泥用量的影响。目前国内外绝大多数文献在测量透水混凝土或透水砖的透水系数时，都默认或者假设水流的流动属于层流，很少通过试验进行验证。

4.1.2 基于质量守恒定律的试验方法

杨静等[4，6]开发的透水混凝土透水系数测量装置是基于质量守恒定律测量装置的代表，装置示意见图6。通过式（5）计算透水系数K：

式中：K——透水混凝土的透水系数，mm/s；

H——水位从160 mm降至140 mm的水位差，mm；

t——水位从160 mm降至140 mm所用时间，s。

图6 基于质量守恒定律的透水仪

采用此装置测量得到的透水系数是平均流速，与基于达西定律的透水系数物理意义不同。当装置内水流通过透水混凝土试件的运动属于层流时，可以采用式（6）与基于达西定律的透水系数进行转换：

式中：KD——基于达西定律的透水系数，mm/s；

K——基于质量守恒定律的透水系数，mm/s；

I——水力梯度。

此装置设备简单，操作简便易行。霍亮[29]采用类似装置测试了水位间隔20 mm，水位从140 mm降至60 mm过程中透水混凝土的透水系数K，结果表明，随着测试起始水位高度的升高，透水系数增大。因此，为了保证不同透水混凝土的透水系数之间能够进行比较，试验时应选择相同的起始和终止水位高度。

无论是采用基于达西定律还是基于质量守恒定律的试验方法，都应防止侧壁渗漏和试件自身的侧表面渗流，尽量保证水流只从试件的上下表面进出。通常采用钢性壁和柔性壁相结合的方式防止侧壁渗漏，通过在试件侧表面涂抹石蜡、水泥浆或玻璃胶等方法解决侧表面渗流的问题。

4.2 现场试验法

目前，常用的透水混凝土透水系数现场试验法有日本道路协会的透水仪法[30]和美国ASTMC1701/C1701M的单环渗透法[31]。日本道路协会的透水仪如图7所示，透水量计算公式为：透水量（mL/15 s）=400 mL/t×15，其中 t为测量时间，通过测量量筒的内径，可以将透水量转化为渗流速度。ASTM C1701/C1701M的单渗透环如图8所示，可采用PVC、铝等材料制作。试验时，水位高度控制在10～15 mm，根据式（7）计算透水系数：

式中：M——正式测量用水量，kg；

A——单渗透环所围面积，mm2；

D——单渗透环内径，mm；

ρW——水的密度，kg/m3；

t——正式测量所用时间，s。

单环渗透法是一种准定水头试验方法，但是计算得到的并不是基于达西定律的透水系数而是平均流速，应用的关键是选择的测量位置要具有代表性。

透水混凝土通过室内试验和现场试验测得的透水系数之间是存在差异的，室内试验得到的是饱和透水系数，透水混凝土在测量前已经处于水饱和的状态，且水流只从透水混凝土的上下表面流过，减少了横向流产生的机会；而现场试验得到的则属于半饱水透水系数，透水混凝土在试验前并未完全饱水，且无法避免横向流的产生。

图7 日本道路协会的透水仪

图8 单环透水仪

5 透水混凝土抗冻性试验方法

Yang等[32]研究表明，透水混凝土的抗冻性与其水饱和度密切相关，只要透水混凝土的水饱和度不是特别高，其抗冻性就能够满足使用要求。透水混凝土的连通孔隙率高、孔隙尺寸大，水极易进入孔隙内，同时水在正常情况下也极易通过孔隙排走，致使透水混凝土很难达到水饱和[33-34]，从这方面来看，透水混凝土的抗冻性能会很好。但是当透水混凝土的孔隙发生堵塞或其所处区域温度在很长一段时间内处于冰点以下时，孔隙内水分难以排走，透水混凝土极易达到局部或整体水饱和，导致其抗冻性能急剧降低[33]。

目前常采用快冻法和慢冻法来评价透水混凝土的抗冻性。快冻法属于“水冻水融”，以质量损失率达5%或相对动弹性模量下降至60%作为临界指标；慢冻法属于“气冻水融”，要求透水混凝土试件冻融循环25次后，试件抗压强度损失率不超过20%，且质量损失率不超过5%。透水混凝土试件的水饱和度在快冻法试验条件下为1，且在冻融循环过程中，透水混凝土内不断有水补充，加速了透水混凝土的劣化。在慢冻法试验条件下，透水混凝土试件的水饱和度受到试件从水中取出后的排水时间和排水方式的影响，试件排水时间短则残留水分多，水饱和度相对较高，排水时间长则相反；试件从水中取出后，维持原来的放置方式排水，试件内残留水分多，而倾斜试件排水后，剩余的主要是残留在水泥石孔隙内的水分。

诸多研究表明[35-36]，透水混凝土的冻融破坏属于拉伸破坏。因此，采用能够间接反映透水混凝土抗拉性能的抗折强度作为评价指标要优于抗压强度。此外，由于透水混凝土属于表面包裹有硬化水泥浆体的集料之间通过点接触或面接触形成的集合体，在冻融循环过程中，一旦局部出现破坏，则掉落的碎渣要比普通混凝土的多，致使冻融试件的质量损失率增大，同时随着冻融循环的进行，裂纹的扩展数目增多，冻融循环试件的吸水性增大，又会使试件的质量损失率降低，所以应当重新建立质量损失率与强度损失率之间的对照关系。目前对于透水混凝土在实际冻融循环条件下的抗冻性能研究较少，也没有建立起室内试验临界指标与实际冻融破坏之间的对应关系。

6 结语

综述了透水混凝土的工作性、强度、孔隙率、透水系数以及抗冻性的试验方法。工作性试验方法包括目测法和量化评价方法，在实际应用中，两者应互相结合；强度试验方法需考虑“尺寸效应”对试验结果的影响，同时试件应当采用平板振动器从试件上表面振动的方法成型；透水混凝土孔隙率试验方法测得的包括体孔隙率和面孔隙率，其中排水法和灌水法测得的是体孔隙率，图像分析法测得的是面孔隙率，面孔隙率通常大于体孔隙率；透水系数试验方法包括室内试验法和现场试验法，两者之间存在差异，前者测得的是饱和透水系数，后者测得的是半饱和透水系数，其中室内试验法包括基于达西定律和质量守恒定律的试验方法，基于达西定律的试验方法需要满足水的流动属于层流的条件；常采用快冻法和慢冻法评价透水混凝土的抗冻性，但是两种方法都不能很好地模拟透水混凝土的实际冻融循环过程。