无砂透水混凝土设计方法与基本性能试验研究

张娇磊，李 进，袁大伟，李书锋，胡春生，邓 乐

(1.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055；2.许昌学院交通运输学院，河南 许昌 461000；3.北京市燕通建筑构件有限公司，北京 102200)

0 前 言

透水混凝土是一种内部非封闭且多孔的材料[1]，其细骨料含量相对传统混凝土较少或者没有，通常只有单一粒径或者一定级配的粗骨料，形成原理是通过包裹在粗骨料表面上的胶凝材料硬化后形成连续的胶结体而连接在一起[2]，再经过一系列的压制、振捣而制成。透水混凝土最早出现于19世纪中期，经过一个多世纪的不断发展完善之后，由于全球对环境问题和可持续解决方案重视程度不断提高，同时在广大社会需求的推动下，直接加快了透水混凝土的研究与推广工程应用，在21世纪初，国内外众多学者也开展了关于透水混凝土的相关研究，并取得不错的成果运用到实际工程中[3]。随着国家“海绵城市”理念不断深入，快速缓解城市的“热岛效应”，透水混凝土作为一种新型的环保节能材料能很好地解决这一问题，可作为这一问题的可持续性解决方案，也是我国以后绿色城市建设的发展趋势[4]。我国于2015年由国务院颁布了《关于推进海绵城市建设的指导意见》，旨在全国范围内加快推广海绵城市的建设[5]。因此，对无砂透水混凝土展开研究具有十分重要的意义。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

试验采用湖波牌水泥P·O42.5级普通硅酸盐水泥，粗骨料采用经过筛分的破碎性石灰岩，粒径在5～20 mm，其各项技术性能指标满足《透水水泥混凝土路面技术规程》(CJJ/T 135—2009)[6]中的要求；其增强剂用量在试验之前进行预试验，找出增强剂合适的掺量，掺量范围为水泥掺量的3%～6%；拌和用水选用自来水。

1.2 试验方法

本试验采用集料表面水泥包裹法、人工振捣与机械振捣结合进行样品制备，具体制备流程见图1所示。

图1 工艺流程图

1.3 试验测试

参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTGE 30—2005)[7]中要求，确定试件的21 d立方体抗压强度fcu和抗折强度ff。透水系数测试方法利用定制的测试装置，采用定水头法，按照文献[6]过程进行测试。

2 无砂透水混凝土试验结果与分析

2.1 初选配合比设计思路

本文参考文献[6]通过体积法来计算出透水混凝土的配合比。由多次预试验，水胶比初步选用0.25、0.30、0.35，目标孔隙率选用17%、20%、23%，粒径则选取5～10、10～15、15～20 mm。详细参数见表1。

表1 正交试验配合比设计

注：粒径5表示5～10 mm、粒径10表示10～15 mm、粒径15表示15～20 mm，下同。

2.2 第一次正交试验结果分析

三种因素与抗压强度的关系见图2。

(a)水胶比与抗压强度的关系

(b)骨料粒径与抗压强度的关系

(c)设计孔隙率与抗压强度的关系

从图2(a)可以看出，水胶比为0.3时抗压强度明显高于水胶比为0.25、0.35的抗压强度；从图2(b)可以看出，粒径为5 mm的强度高于其他粒径，但综合考虑透水性，仍需继续试验找到高透水率和高强度的骨料和配合比；从图2(c)可以看出，增大设计孔隙率、骨料粒径的增大会其抗压强度不断降低。由于初选水胶比范围较大，在0.3的基础上在进行调整。5 mm粒径的石子透水率一般，为进一步提高透水率，选取骨料为10 mm，进行四因素三水平的正交试验。

2.3 第二次正交试验及结果分析

配合比设计见表2,试验数据见表3。

表2 正交试验配合比设计

表3 正交试验数据分析

从表2的试验结果分析可知，试验整体的抗压强度低于5 mm粒径的抗压强度，因为粒径的增大导致混凝土内部的比表面积减少，减小了骨料与胶凝材料的粘结，从而骨料之间也无法更好的有力粘结。由第一次正交试验数据可知，粒径对强度影响较大，故仍需要使用粒径5 mm与粒径10 mm的石子进行对比选取合适的粒径。

从表3试验数据中可知，水胶比分别为0.32、0.30、0.28中不掺硅灰和掺硅灰，其透水系数从9.1 mm低到0.5～3.3 mm降低了63.7%～94.5%；透水系数从3.9 mm降低到2.5 mm，降低了35.9%；透水系数从5.3 mm降低到1.6～1.9 mm，降低了64.2%～69.8%。所以硅灰虽可以提高强度，但是对透水系数影响较大，故在第三次试验将不掺入硅灰。其中水胶比在0.28的条件下，7 d抗压强度平均值为13.03 MPa大于水胶比为0.3、0.32的抗压强度10.21、12.40 MPa，故选水胶比0.28±0.02继续进行试验，并加入一定掺量的增强剂。

2.4 第三次正交试验及结果分析

配合比设计见表4,三因素的影响见图3，水胶比对21 d抗压强度和透水系数变化率影响见表5。

表4 正交试验配合比设计

(a) 21 d抗压强度与水胶比、粒径、矿粉关系

(b)透水系数与水胶比、粒径、矿粉关系

表5水胶比对21d抗压强度和透水系数变化率的影响

水灰比21d抗压强度/MPa最大值最小值极差抗压强度变化率/%透水系数/(mm·s-1)最大值最小值极差透水系数变化率/%0.2620.217.52.713.370.30.220.0826.700.2826.715.411.342.3210.110.8989.000.3029.623.16.521.960.60.170.4371.67

正交试验极差越大，所对应的因素对目标影响越大，根据图3和表5中三个因素的极差及其相关变化率可得：影响21 d抗压强度首要设计因素是水胶比，其次为粒径，受矿粉含量影响不大；透水系数主要影响设计因素是矿粉，水胶比和粒径影响相当。

从第三次试验结果得知：在预定范围内的水胶比，随着水胶比的增大，强度不断提高，透水率也在不断提高，主要由于随着含水量相对的增多，加强流动性，使更多的骨料被水泥和外掺料更容易包裹住，加强其强度；骨料粒径的增大反而使无砂透水混凝土的强度降低，骨料是透水混凝土基本骨架，其粒径大小对混凝土内部的密实度起决定性作用，骨料粒径小其内部的比表面积就大，可以结合更多的胶凝材料，增加其强度，但是骨料粒径小会导致内部的孔隙率减小，对透水性能有所降低；矿粉的细度大于水泥，可以填充部分水泥与未与骨料完全包裹，然后进行二次水化吸收氢氧化钙并产生C-S-H凝胶来进一步提高强度。

3 结 论

本文通过三次试验的方法逐步确定了水胶比、骨料粒径、矿粉、设计孔隙率、增强剂、硅灰等因素的较佳比例，并得出以下结论：水胶比控制在0.28～0.30时，抗压强度和透水性能达到最优；骨料粒径选用5～10 mm，以提高混凝土强度；当矿粉掺量在10%左右时，可以较好地改善无砂透水混凝土的综合性能；设计孔隙率与抗压强度呈反比，与透水性能呈正比，设计孔隙率取17%；增强剂掺量取4.5%，因为增强剂掺量过多对透水性能有所降低；硅灰的掺入虽然能较好地提高强度，但对其透水性能的降低较大，故不掺入硅灰。