成型方法对透水混凝土性能的影响研究

王 磊

(西南交通大学土木工程学院， 四川成都 610031)

随着“海绵城市”的提出和推动建设，倡导低开发、低影响的城市建设理念，缓解由于城市硬化路面增加带来的洪峰流量增加、径流系数增大、面源污染负荷加重等城市问题，回归自然的水文循环，实现城市自然积存、自然渗透、自然净化的生态发展方式。透水混凝土作为一种生态环保型混凝土，由特定级配的水泥、水、骨料、外加剂、掺合料和无机颜料等按特定配合比制备而成的具有连续空隙的生态混凝土，具有良好的透水性、透气性、保水性，在调节城市微气候、保持生态平衡、排泄洪涝雨水、维持地下水位、较小交通噪音、缓解“热岛效应”等方面具有重要作用。

相比普通混凝土，透水混凝土既要满足强度的力学性能，又要满足透水性的功能要求，其性能受到集料粒径和级配、胶结材料、水灰比、骨灰比、外加剂及搅拌工艺等多种因素的影响。目前国内学者对透水混凝土性能的众多控制因素展开了研究，但对于成型方法对透水混凝土性能的影响却鲜有报道。本文基于室内试验，研究手工插捣、机械振捣、机械振捣+手工插捣、机械振捣+静压等4种成型方法对透水混凝土强度、透水性、孔隙率的影响，为透水混凝土的实际应用提供参考。

1 原材料及试验仪器

1.1 试验原材料

水泥：四川绵特普通硅酸盐水泥(P·O 42.5级)，28 d抗压强度 52 MPa；集料：石灰岩碎石，粒径5～10 mm，表观密度为2 930 kg/m3，紧密堆积密度为1 700 kg/m3,孔隙率42 %，减水剂：聚羧酸高效减水剂；水：实验室自来水。

1.2 试验仪器

1.2.1 混凝土透水系数测定仪

试验采用固定水量法，设计了透水混凝土系数测定仪。由上部边长为105 mm，高度为350 mm的有机玻璃和下部支架组成，支架的设计消除了试件透水面与仪器设备接触所带来的试验误差(图1)。

1.2.2 透水混凝土试件捣固仪

为有效发挥透水混凝土强度和透水性的特性，设计了透水混凝土试件捣固仪，主要由立杆、握柄、挡板、压力弹簧机构和捣固头组成(图2)。仪器特点：

图2 捣固仪结构

(1)通过调节挡盘5的位置，以实现控制试件捣固过程中捣棒的扰动深度，避免上部混凝土捣固适合而下部过于密实的情况发生，保证了透水混凝土整体的透水性。

(2)根据胡克定律，通过控制弹簧7的压缩量可以定量的控制捣固力的大小，避免捣固力过大或过小。

(3)方形捣固头2与螺杆通过螺纹4连接，便于对透水混凝土立方体试件的边角位置进行捣固。

2 透水混凝土成型与测试

2.1 成型方法

2.1.1 手工插捣

将拌和物装入100 mm×100 mm×100 mm的试模中，第一层1/3处，第二层2/3处，第三层满高度。采用自制的透水混凝土试件捣固仪捣固，每一层四角处插捣6次，侧面插捣10次，平面内部插捣8次，第一层捣棒应插到底部，插捣第二层和第三层时，应贯穿并插入下层10～15 mm，插捣完毕后用抹刀将成型面抹平。

2.1.2 机械振捣

将拌和物装入100 mm×100 mm×100 mm的试模中，依照规定的时间将试模放在振动台上振动，振捣完毕后用抹刀将成型面抹平。

2.1.3 机械振捣+手工插捣

将拌和物装入100 mm×100 mm×100 mm的试模并在振动台上振动3～4 s，然后用自制的透水混凝土试件捣固仪插捣至试验所需值，完毕后用抹刀将成型面抹平。

2.1.4 机械振捣+静压

将拌和物装入100 mm×100 mm×100 mm的试模并在振动台上振动3～4 s，然后用静压装置施加垂向压力至试验所需值并维持4 s后卸荷，完毕后用抹刀将成型面抹平。

2.2 测试

2.2.1 孔隙率的测定

将制备好的试件放入水溶液中浸泡，待其充分饱和后，在水中测其质量为m1，然后将试件取出风干后测得其质量为m2，按下式计算试件的孔隙率P。

(1)

式中：v为试件的体积；Pw为水密度。

2.2.2 抗压强度的测定

将养护14 d的混凝土试件进行无侧限单轴抗压强度试验，测得14 d龄期的混凝土强度，将14 d龄期测得的混凝土强度转化为28 d的强度，取平均值作为混凝土的最终强度。

2.2.3 透水系数的测定

采用固定水量法测试透水混凝土的透水系数。测量前,首先将透水仪套在试件的上面,然后用橡皮泥将透水仪与混凝土之间接缝密封。测量时,将水快速注满有机玻璃筒,待塑料筒中液面高度降为200 mm时开始计时(t1),直至液面下降到试件上面0 mm刻度处时计时(t2),经过时间为t2-t1,可以折算出透水系数,即V(mm/s)=200/(t2-t1)。每个试件测2次,取平均值。

3 试验结果分析

对透水混凝土结构，透水系数和强度是其主要的性能指标。本文试验中采用相同透水混凝土配合比，按上述不同的成型方法制作透水混凝土试块。透水混凝土试块的配合比如表1所示。

表1 透水混凝土试块配合比 g

将成型好的透水混凝土置于标准养护室养护2 d后脱模，养护14 d后进行透水性和强度测试。之后，强度折算为28 d龄期时的强度。通过不同成型方法制作的混凝土试块透水性和强度的比较，最终得到适合于透水混凝土试块的制作方法，进而为实际的工程提供参考。

3.1 不同成型方式对透水混凝土性能的影响

在相同配合比下采用上述四种不同的成型方式制作透水混凝土试块,最终得到的透水系数、强度和孔隙率情况如表2所示。

表2 试验数据汇总

通过对试验的结果分析可知，手工插捣成型法获得的透水混凝土抗压强度较低，但混凝土的透水系数较大，主要原因是手工插捣成型法不能使透水混凝土拌合物充分密实，混凝土内部骨料间孔隙较多，这些孔隙成为透水的通道却降低了混凝土的抗压强度。

与手工插捣成型的透水混凝土相比，在机械振捣作用下，其抗压强度有所增加，而且增加幅度较大，但透水系数则降低。这是因为，机械振捣成型是通过振动减少骨料间的摩擦力进而使骨料靠自身重力达到密实，骨料在振动下逐渐密实且骨料间形成良好的机械啮合，因而强度提高。但是随着振动时间的增加，包裹在骨料周围的水泥浆体会因重力作用下落并填充在混凝土中的孔隙中，堵塞了连通的孔隙，降低了混凝土的透水性能。

相比之下，机械振捣+手工插捣成型法的成型效果最优，使用这种方法获得的透水混凝土抗压强度和透水系数较机械振捣成型法有所提高。分层多次插捣与振动一起，使得骨料比较整齐致密的排列，骨料之间形成良好的咬合，水泥浆包裹在骨料周围比较均匀，没有出现浆体下沉等现象，由于是人工插捣，骨料破损少，因而其强度和透水系数均较高。

而在机械振捣+静压成型法中，振动使透水混凝土拌合物中的骨料发生位移并填充到有效的位置，此时水泥浆体均匀包裹骨料且不会发生滴浆；之后的压力成型使骨料颗粒的间距进一步减小，骨料颗粒之间接触点增多。但骨料不会发生压碎，最终使透水混凝土内部的骨料颗粒紧密啮合，形成密实的结构。机械振捣+静压成型法在提高混凝土强度的同时，极大地降低了透水混凝土内部孔隙良好连通，因此降低了其透水性能。

3.2 透水水泥混凝土透水系数与有效孔隙率的相关性分析

有效孔隙率指透水水泥混凝土内部上下连通的孔隙，是水自上而下流出的通道，即有效孔隙率的存在是透水水泥混凝土能够透水的基础。在相同配合比下，四种不同的成型方式对透水水泥混凝土的孔隙率影响不同。通过实验数据分析可知，透水系数越大，有效孔隙率越大。但相对而言，采用不同成型方式成型的透水混凝土，其有效孔隙率相差不大。

3.3 实验室成型方法选择

通过对不同成型方式下透水混凝土透水系数和强度的分析，可以得到，在实验室条件下，采用机械振捣+手工插捣法的成型效果最优。另外，通过对破碎混凝土试件观察可以发现，上部混凝土的孔隙率比下部混凝土的孔隙率高，这是由于重力的缘故，水泥浆等流体以及细小颗粒在未成形时向下聚集的结果，因此在施工过程中应当尽量避免过量的振动，并采取适当措施保证混凝土结构上下部之间的均匀性，以保证透水效果。采取分层捣固的形式，使上下部受到的有效压力更加均匀。尽量少扰动下部混凝土，减少气泡的破裂，通孔的堵塞。

4 结论

(1)通过以上的实验分析可知，不同成型方式对透水混凝土的透水系数和强度均有较大影响。采用机械振动方式在台上振动3～4 s，用自制的透水混凝土试件捣固仪插捣的方式制作的透水混凝土试块在强度和透水性两个指标方面，综合性能最优。

(2)通过对透水混凝土孔隙率的分析可知，透水混凝土的透水性主要体现在有效孔隙率。有效孔隙率小幅度的变化会对透水系数产生很大的影响。