不同骨料粒径对透水混凝土性能影响研究

唐海玥，闫纾梅

（1.北京城市学院，北京 100083；2.鄂尔多斯市公路勘测设计院，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

透水混凝土是一种新型生态环保混凝土，主要 由粗骨料、水泥和水拌合而成［1］。由于它不包含细集料，内部形成了连通孔隙率的蜂窝状结构，使得透水混凝土具有优良的透水、透气性能，逐渐在道路及庭院路面中得到了广泛应用［2-3］。作为一种生态友好型的混凝土材料，透水混凝土的性能及应用价值倍受广大学者重视［4-8］。

目前，国内外学者从不同角度对透水混凝土展开了大量研究。如徐行军［9］等认为透水混凝土抗压强度值与水胶比、目标孔隙率均具有较大相关性，采用静压成型方式比采用振动成型方式有利于透水系数的提高。陈潇［10］等认为在进行透水混凝土配合比设计时，可以通过调控浆体的流变特性，达到兼顾透水混凝土力学性能与透水性能的目的。凌天清［11］等认为采用9.5 mm筛孔通过率70%、设计空隙率15%～20%、水胶比0.35的配合比合计可同时保证透水混凝土的强度和透水性能。于福［12］等采用磷酸镁水泥制备的透水混凝土28 d抗压强度25.8 MPa，抗折强度为5.6 MPa，透水系数为8.83 cm／s，且具有良好的植生特性。上述研究主要是从配合比设计、成型方式以及材料特性等方面展开，而针对骨料粒径对透水混凝土性能的影响研究还有待进一步提升。基于此，深入研究了不同水灰比条件下骨料粒径变化对透水混凝土力学性能、物理性能及透水性能的影响，并确定了制备透水混凝土的较优水灰比和碎石骨料粒径，为道路及建筑庭院路面透水混凝土的应用和研究提供了一定的数据参考。

1 试验原材料及配合比设计

1.1 原材料

a.水泥：采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，其物理力学性能及主要化学组成分别见表1、表2。

表1 水泥性能指标Table 1 Cement performance indicators

表2 水泥主要化学成分Table 2 Main chemical components of cement%

b.骨料：采用不同骨料粒径的玄武岩碎石作为粗集料，按照《建设用卵石、碎石》（GB／T14685-2011）规范要求，其性能指标见表3。

c.矿物掺合料采用硅灰，比表面积为22 m2／kg，烧失量3.8%，含水率0.8%。外加剂采用聚羧酸高效减水剂，减水率为30%，含气量为2.7%，沁水率为0.6%。透水混凝土胶结剂采用DC-C3型胶粘剂。拌合水采用实验室自来水。

表3 玄武岩碎石性能指标Table 3 Basalt gravel performance indicators

1.2 配合比设计

为研究骨料粒径对透水混凝土性能的影响，试验设计目标孔隙率为20%，水灰比分别为0.25、0.30及0.35的3种基准配合比进行对比分析，硅灰、聚羧酸高效减水剂及胶结剂掺量分别为胶凝材料质量的8%、1%和2%，配合比计算采用体积法，不同水灰比透水混凝土基准配合比设计见表4。

表4 透水混凝土基准配合比设计Table 4 Design of permeable concrete reference mix ratio kg／m3

2 试验方案

试验分别制备由不同骨料粒径组成的透水混凝土试件，其中抗折强度测试试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，抗压强度、孔隙率及透水系数测试试件尺寸均为150 mm×150 mm×550 mm。根据 《普通混凝土力学性能试验方法标准》 （GB／T50081-2002）规范要求，采用电子万能试验机分别对混凝土试件进行力学性能测试。透水混凝土孔隙率采用重量法则进行测量，透水系数采用水头法则测量，具体计算公式如下：

a.透水混凝土孔隙率公式 （1）进行计算。

式中：P代表混凝土开口孔隙率，%；m1代表混凝土在水中称取的质量，g；m2代表混凝土在空气中称取的质量，g；V代表混凝土的表观体积，cm3；

b.根据达西定律，透水混凝土透水系数可按公式 （2）进行计算。式中：K代表混凝土透水系数，mm／s；Q代表单位时间内溢出的水量，mm3／s；A代表混凝土试件的横截面积，mm2；L代表混凝土试件的厚度，mm；H代表水头差，mm。

3 结果与分析

骨料作为混凝土的主要结构骨架，其粒径大小对透水混凝土的基本性能有着较大影响。试验分别从透水混凝土试件的力学性能、物理性能和透水性能3个方面进行研究，针对相同目标孔隙率和不同水灰比条件下，骨料粒径变化对透水混凝土性能的影响规律展开对比分析，具体分析过程如下。

3.1 力学性能

为研究不同骨料粒径对透水混凝土力学性能的影响，设定混凝土试件目标孔隙率为20%，水灰比变化范围在0.25～0.35，针对由5组不同骨料粒径制成的透水混凝土抗压、抗折强度进行对比分析，试验结果分别见图1、图2。

图1 试件抗压强度变化曲线Figure 1 Test piece compressive strength variation curve

图2 试件抗折强度变化曲线Figure 2 Test piece bending strength change curve

根据图1可知，在不同水灰比条件下，混凝土试件的抗压强度均随着骨料粒径的增大而减小，其中骨料粒径由4.75～9.5 mm增至9.5～16 mm时，抗压强度减小趋势较弱，而骨料粒径由9.5～16 mm增至26.5～31.5 mm时，抗压强度减小趋势较大，说明较大的骨料粒径会导致混凝土抗压强度下降，原因是骨料粒径的增大会造成混凝土内部结构间的孔隙增大，骨料间的接触点减少，从而降低了结构骨架的整体强度。随着水灰比增大，不同骨料粒径的混凝土抗压强度均不断下降，水灰比由0.25增至0.30时，抗压强度下降趋势相对较小，而当水灰比超过0.30后，抗压强度下降趋势相对较大。由此可知过大的水灰比和骨料粒径均会导致抗压强度下降，为保证透水混凝土抗压强度满足设计要求，骨料粒径和水灰比越小越好。

根据图2可知，随着水灰比增大，不同骨料粒径的混凝土抗折强度均不断下降，水灰比由0.25增至0.30时，抗折强度下降趋势相对较小，而当水灰比超过0.30后，抗折强度下降趋势相对较大。在不同水灰比条件下，混凝土试件的抗折强度均随着骨料粒径的增大而减小，说明较大的骨料粒径会导致混凝土抗折强度下降，原因是随着混凝土内部骨料粒径增大，骨料间的接触点与接触面积减少，从而降低了结构骨架的整体强度。因此，为保证透水混凝土具有较好的抗折强度，骨料粒径和水灰比均不宜过大。综上所述，结合对试件抗压和抗折强度的分析，骨料粒径选择4.75～9.5 mm和9.5～16 mm，水灰比选择0.25～0.30时，透水混凝土的力学性能相对较优。

3.2 物理性能

为研究不同骨料粒径对透水混凝土物理性能的影响，设定混凝土试件目标孔隙率为20%，水灰比变化范围在0.25～0.35，针对由5组不同骨料粒径制成的透水混凝土孔隙率进行对比分析，试验结果如图3所示。

根据图3可知，不同骨料粒径的混凝土孔隙率均随着水灰比增大而减小，其中水灰比由0.25增至0.30时，孔隙率减小趋势相对较小，而当水灰比超过0.30后，孔隙率减小趋势相对较大。在不同水灰比条件下，随着骨料粒径增大，混凝土试件的孔隙率整体呈增大趋势。其中骨料粒径在4.75～9.5 mm增至9.5～16 mm、19～26.5 mm增至26.5～31.5 mm两个阶段内，孔隙率增大趋势较大；而骨料粒径由9.5～16 mm增至19～26.5 mm时，孔隙率变化较小。说明骨料粒径增大有利于提升混凝土实测孔隙率，原因是骨料粒径增大会造成混凝土内部碎石间的间隙增大，有效孔隙增多。由此可知，对于提升透水混凝土的物理性能而言，骨料粒径越大越好，水灰比越小越好。

图3 试件孔隙率变化曲线Figure 3 Sample porosity curve

3.3 透水性能

为研究不同骨料粒径对透水混凝土透水性能的影响，设定混凝土试件目标孔隙率为20%，水灰比变化范围在0.25～0.35，并针对由5组不同骨料粒径制成的透水混凝土透水系数进行对比分析，试验结果如图4所示。

图4 试件透水系数变化曲线Figure 4 Test piece permeability coefficient curve

根据图4可知，不同骨料粒径的混凝土透水系数均随着水灰比的增大而减小，且减小幅度随着骨料粒径的增大而逐渐增大，说明水灰比对骨料粒径较大的混凝土透水系数影响相对较大，降低水灰比有利于提升其透水性能。在不同水灰比条件下，随着骨料粒径的增大，混凝土试件的透水系数基本呈增大趋势变化，除骨料粒径由9.5～16 mm增至16～19 mm时透水系数有所减小外，整体来看骨料粒径的增大是有利于提升混凝土透水性能的，且骨料粒径越大透水性能越好。由于较大的骨料粒径会导致混凝土强度不足，而较小的骨料粒径会造成混凝土透水性能不佳，因此综合考虑骨料粒径对透水混凝土力学性能、物理性能和透水性能的影响，选择骨料粒径在9.5～16 mm范围的玄武岩碎石，水灰比在0.25～0.30范围制备的透水混凝土综合性能相对较优。

4 结论

通过室内对比试验，深入研究了不同水灰比条件下，骨料粒径变化对透水混凝土力学性能、物理性能及透水性能的影响规律。得到以下主要结论：水灰比增大会降低不同骨料粒径透水混凝土的强度和透水性，应控制在0.25～0.30之间；较大的骨料粒径会导致混凝土抗压、抗折强度不足，而较小的骨料粒径会造成混凝土孔隙率和透水系数减小，因此综合考虑骨料粒径对透水混凝土力学性能、物理性能和透水性能的影响，选择骨料粒径在9.5～16 mm范围的玄武岩碎石制备的透水混凝土综合性能相对较优。研究成果可为类似透水混凝土骨料粒径的选择和研究提供借鉴和参考。