海绵城市用透水混凝土的研制与工程应用

吴克雄 ，钱立兵 ，覃吉云 ，李顺凯 ，陈雍雍 ，骆晚玥

（1.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北 武汉 430000；2.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430000；3.中交二航局第一工程有限公司，湖北 武汉 430000）

0 引言

随着城市建设的发展以及水资源的缺乏，海绵城市的概念被提出[1]，2015年10月，国务院办公厅发布了《关于推进海绵城市建设的指导意见》，要求通过海绵城市建设将70%的降雨就地消纳和利用；到2020年，城市建成区20%以上的面积达到目标要求；到2030年，城市建成区80%以上的面积达到目标要求。

作为实现海绵城市的重要手段之一——透水混凝土引起了不少学者的兴趣。徐仁崇等[2]研究了不同成型方法对透水混凝土性能的影响，对比了插捣成型、压力成型和振压成型对透水混凝土强度及透水系数的影响；孟宏睿和陈丽红[3]研究了成型方法、水灰比、骨灰比、骨料粒径及聚合物等对透水混凝土主要性能的影响；蒋正武等[4]研究了骨料级配与粒径、骨灰比、水灰比、外加剂及搅拌工艺等对透水混凝土抗压强度及透水系数的影响，得到了各影响因素对透水混凝土性能的影响规律；戢文占等[5]对北京某公园进行了大面积的彩色透水混凝土路面的施工，介绍了配合比设计方法及施工技术。

本文对骨料粒径、孔隙率、水灰比、增强剂等方面展开研究，分析其对透水混凝土强度及透水系数的影响，并将研究成果在武汉市青山区海绵城市试点区进行应用，为海绵城市相关工程提供参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：华新P·O42.5水泥，主要性能指标见表1；骨料：玄武岩碎石，粒径5～8 mm、8～13 mm、10～20 mm；单级配石英砂，粒径1～2 mm；增强剂：分别采用丙烯酸乳液、水性环氧树脂乳液、某市售增强剂及自制增强剂，2种乳液的性能指标见表2，透水混凝土专用自制增强剂的主要组分有：硅质增强组分、胶类组分、增稠剂等，不仅起到增强作用，还可改善浆液性能，某市售增强剂与自制增强剂的性能对比见表3；减水剂：中交武汉港湾工程设计研究院有限公司生产的聚羧酸减水剂S06，固含量20%，减水率20%。

表1 水泥的主要性能指标

表2 2种乳液的主要性能指标

表3 2种增强剂的主要性能指标

1.2 试验方法

1.2.1 搅拌与成型工艺

（1）将骨料和50%的拌和水搅拌30 s，然后加入胶凝材料搅拌1 min，最后将外加剂、增强剂与剩下50%的拌和水混合后一起加入搅拌锅搅拌2 min。当混凝土表面有较好的金属光泽，且手握成团的状态后停止搅拌。

（2）将搅拌好的混凝土分2层装入150 mm×150 mm×150 mm的模具，每层用捣棒插捣25次，然后用平板振捣器振捣20 s，最后抹平。

（3）将成型试块放入养护室进行标准养护；2 d后拆模，然后继续标准养护至28 d。

1.2.2 性能测试方法

每组配合比制备3个直径100 mm、高50 mm的圆柱形试块，按照CJJT 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》附录A中的方法进行透水系数测试；每组配合比制备12个150 mm×150 mm×150 mm的立方体试块，按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行抗压强度、劈裂抗拉强度测试。

2 试验结果及分析

2.1 骨料粒径对透水混凝土性能的影响

采用体积法设计出目标孔隙率为15%的配合比，计算配合比为：水泥 380 kg/m3、石子 1550 kg/m3、水 114 kg/m3、减水剂2.28 kg/m3，研究3种不同骨料粒径（10～20 mm、8～13 mm、5～8 mm）对透水混凝土性能的影响，结果见表4。

表4 骨料粒径对透水混凝土性能的影响

由表4可知，随着骨料粒径的增大，透水混凝土强度逐渐降低，且变化幅度较明显，而对透水系数的影响不大。这是因为骨料粒径较大时，骨料之间的咬合点变少，虽然骨料的孔隙率相差不大，但是骨料粒径大时，其单个孔隙大，孔隙数量少。因此，不同骨料粒径配制的透水混凝土孔隙率相近，但是强度差别较大。选择合理的骨料粒径可显著改善透水混凝土的性能。

2.2 水灰比对透水混凝土性能的影响

图1为2种不同目标孔隙率（15%、20%）掺加减水剂与未掺减水剂时透水混凝土强度与水灰比的关系，15%目标孔隙率的基准配合比同第2.1节，20%目标孔隙率的基准配合比为：水泥 330 kg/m3、石子 1550 kg/m3、水 99 kg/m3、减水剂1.98 kg/m3。改变水灰比的同时，保持水泥浆的总质量不变，骨料粒径为5～8 mm。

图1 水灰比对透水混凝土强度的影响

由图1（a）可知，未掺减水剂时，不同目标孔隙率配制的透水混凝土的最适宜水灰比也不相同，目标孔隙率为15%时，其最佳水灰比为0.4，此时强度达到最高；而目标孔隙率为20%时，其最佳水灰比为0.45，此时强度达到最高。其原因在于，随着目标孔隙率的增大，即胶材用量减少，要使胶材的包裹性更佳，浆体的流动性要求更高，而随着胶材用量的增大，浆体流动性可适当降低。

由图1（b）可知，掺加减水剂后，透水混凝土的强度随着水灰比的增大而降低，因为浆体总量相等，掺加减水剂时的浆体流动性相近，此时浆体的强度是影响透水混凝土强度的决定性因素。

2.3 增强剂对透水混凝土性能的影响

本课题研制的透水混凝土专用增强剂采用有机-无机复合技术制备，可大幅提高透水混凝土的强度，且造价相比国内常用增强剂（丙烯酸乳液、水性环氧树脂乳液、市售增强剂）有明显优势。混凝土配合比为：水泥330 kg/m3、石子1550 kg/m3、水99 kg/m3、减水剂1.98 kg/m3，骨料粒径为5～8 mm，增强剂掺量按占水泥质量计，增强剂对透水混凝土强度和透水系数的影响见表5。

表5 增强剂对透水混凝土强度与透水系数的影响

由表5可知，不同增强剂的效果有一定的差异，由于市售增强剂中含有减水剂，因此，其掺量不宜过大，否则容易造成浆体较稀。几种增强剂中，市售增强剂虽然掺量较低，但是增强效果与丙烯酸乳液相当，水性环氧树脂乳液增强效果较好，且透水系数降低幅度较小，自制增强剂的增强效果最佳，但是其透水系数降低幅度较大。各种增强剂对透水混凝土的劈裂抗拉强度增加作用明显，因为各类增强剂的主要作用是增加粘结力，因此，劈裂抗拉强度明显提高，增幅均在20%以上。自制增强剂的增强作用明显，且单价最低，具有很大的推广价值，实际工程中应结合工程要求以及各增强剂的特点进行选择。

2.4 砂率对透水混凝土性能的影响

设计目标孔隙率15%，水灰比0.3，试验所用砂为1～2 mm单级配石英砂，试验基准配合比为：水泥330 kg/m3、石子1550 kg/m3、水 99 kg/m3、减水剂 1.98 kg/m3，骨料粒径为 5～8 mm，砂按内掺的方式取代石子，砂率对透水混凝土性能的影响见表6。

表6 砂率对透水混凝土强度的影响

由表6可知，单级配的石英砂对透水混凝土强度有明显的增强效果，随着砂率的增大，透水混凝土的28 d抗压强度明显提高，透水系数则逐渐降低，尤其在6%砂率情况下透水系数显著降低，因此，砂率宜控制在6%以内。吴冬等[6]研究了砂率对透水混凝土性能的影响，采用普通河砂外掺入混凝土中，砂率从0增加到6.9%时，混凝土透水系数明显降低，降幅为87%；而采用单级配石英砂外掺入混凝土中，砂率从0增加到8%时，透水系数降低幅度为72%。因此，与普通河砂相比，采用单级配石英砂配制透水混凝土时，强度变化不大，透水系数变化较大，说明添加单级配砂对改善透水混凝土性能有一定的帮助。

与表5进行对比可知，添加增强剂与添加砂对透水混凝土的抗压强度和透水系数均有较大的影响，强度方面，二者相差不大，但是增强剂对透水系数的影响相对较小。

3 工程应用

3.1 工程概况

财政部、住房城乡建设部、水利部公示2016年中央财政支持海绵城市建设试点城市共30个，武汉市即为其中一个，而青山区是武汉最大的一个示范区，该区主要承建了小区、学校、公园道路以及停车场等海绵改造工程，均采用透水混凝土铺设。路面结构层由下而上依次是：压实路基、300 mm级配碎石、200 mm透水混凝土基层、20 mm砂垫层、55 mm透水砖。由下往上骨料粒径逐渐减小，透水系数也逐渐降低，这种结构设计既能保证路面的美观和透水性，又能保证结构的稳定性。

3.2 现场应用

为验证本文研制增强剂的效果，将施工区域分为2段，一段采用不掺增强剂的配合比，另一段采用掺加增强剂（占胶材质量的8%）的配合比，配合比为：水泥330 kg/m3，瓜米石1500 kg/m3，水 96 kg/m3，外加剂 3.9 kg/m3。施工过程中，将 2 种不同配合比的透水混凝土在室内成型，并按标准养护方式进行养护28 d。透水混凝土基层的现场施工工艺依次为：下料、机械初步摊铺、人工摊铺、平板振捣器来回振捣2次。28 d后现场取芯，将2组不同配合比的取芯样进行测试。2组不同配合比混凝土的性能如表7所示，现场施工如图2所示。

表7 2组不同配合比混凝土的性能

图2 透水混凝土基层施工

从表7可以看出，掺入自制增强剂后，实验室制作的试块其28 d抗压强度从23 MPa提高到32 MPa，提高了39%；透水系数从3.72 mm/s降低到2.69 mm/s，降低了27.7%，虽然一定程度上降低了透水系数，但是其抗压强度得到了较大提高。现场取芯样的测试结果与实验室成型测试结果有较大差异，主要原因是成型与养护工艺的区别，实验室的成型方法是先振捣20 s再插捣25次，而现场的成型方式是2次振捣，每次振捣时间约3 s，振捣时间短导致混凝土的密实度较低，同时造成骨料之间的连接较弱。因此，现场取芯样的强度明显较实验室成型的低，同时其透水系数较实验室成型的高。按室内成型方式制作的试块，掺加自制增强剂后，其强度等级由C20提高到了C30，将现场成型后取样的试块进行强度试验，发现掺加自制增强剂后，其强度等级由C15提高到了C25，增强效果明显。

4 结论

（1）骨料粒径对改善透水混凝土性能有显著效果，随着骨料粒径的减小，透水混凝土强度提高；未掺减水剂时，透水混凝土强度随着水灰比的增大先提高后降低，掺加减水剂后，随着水灰比的增大，强度逐渐降低；与其他种类增强剂相比，掺自制的透水混凝土增强剂，其抗压强度、劈裂抗拉提高幅度大，透水系数有一定的降低，且经济性明显；采用单级配石英砂外掺混凝土，可有效提高混凝土的强度，并控制透水系数的降幅。

（2）研究成果应用于武汉青山海绵城市建设工程，掺加自制增强剂后，透水混凝土强度等级由C15提高到了C25，增强效果明显。