高强透水混凝土试验研究

葛宇川，黄晓颖，刘数华＊

（1. 海绵城市建设水系统科学湖北省重点试验室（武汉大学），湖北 武汉 430072；

2. 西安科技大学管理学院，陕西 西安 710054）

0 前言

透水混凝土具有广泛的应用前景：收集雨水，使其回渗到地下，维持地下水资源的生态平衡，防止地表下沉；集中降雨时减轻城市排水负担，防止内涝、河流泛滥和污染；吸收太阳热和环境其他热源放出的热量，在环境温度降低时又将热量放出，缓解“热岛效应”；吸收汽车、铁路交通以及环境的其他噪音，改善视觉环境[1-3]。可见，透水混凝土有较好的应用前景，尤其是当前国家正在大力推动海绵城市的发展。

透水混凝土的研究具有较长的历史。二十世纪初期，人们开始制造具有透水性的预制混凝土构件，并将其运用在房屋建设中。美国在 1972 年通过了清洁水资源法案（Clean Water Act），规定各州需保证被收集雨水的清洁度，因此人们开始大量开展对透水混凝土设计的研究[4]；上世纪七十年代，英国学者在路面铺设中采用了透水混凝土，且铺设路段使用良好[5]；日本相关学者为了改善地下水位下降的问题，研究透水混凝土透水系数、孔隙率和强度之间的关系，并申请了有关透水混凝土的专利[6,7]。上世纪九十年代末到本世纪初，欧美相关学者对透水混凝土的外观特性、力学特性、透水性和耐久性进行了系统性研究，并总结提出了一种新的透水混凝土路面设计方法[8,9]。

我国对透水混凝土材料的研究历史相对较短，主要研究了透水混凝土的力学特性、透水性和耐久性，以及其相对普通混凝土的特点[10-13]。但到目前为止，对透水混凝土配合比设计的理论研究还较少。且目前实用型透水混凝土强度多为 20～25MPa，强度偏低，应用于海绵城市建设的实用性明显不够。本文设计了一种高强透水混凝土来满足实际需要，并分析其强度和透水系数的影响因素。

1 试验

1.1 原材料

原材料主要包括水泥、硅灰、石料、减水剂和水。本文水泥采用亚东水泥厂生产的亚东 P·O42.5 普通硅酸盐水泥，硅灰购自湖北省某公司，采用 5～10mm 的碎石骨料，使用 GK-3000 聚羧酸高效减水剂，含固量为23%。原材料性质检测结果如表 1～4 所示。

表 1 水泥性质检测结果

表 2 水泥化学成分 %

表 3 硅灰化学成分 %

表 4 骨料性能参数

1.2 试验方法

高强透水混凝土的配合比设计如表 5 所示。搅拌工艺采用一次加料法，将凝胶材料、骨料和外加剂拌和 30s，再加水后拌和 5min，之后装入 100mm 的立方体试模中振动 30s，标准养护至 14d 和 28d。透水混凝土的抗压强度和抗折强度测试按照 GB/T 50107—2010《混凝土强度检验评定标准》标准进行。

表 5 配合比设计

采用自制透水仪测试混凝土的透水系数，如图 1 所示。电子仪器与水箱结构为一体，通过电子水位记录仪记录水位变化，透水面为 6 个 100mm×100mm 的面，通过电子仪器的程序自动获得透水系数，透水系数计算式为：

式中：K——透水系数，cm/s；

h——水箱内高度变化，cm；

S——水箱截面积，cm2；

A——透水面总面积，cm2；

t1——开始测试时间，s；

t2——终止测试时间，s。

图 1 透水系数测量装置示意图

2 试验结果与分析

四组透水混凝土的抗压强度和透水系数如表 6 所示，可以发现：由于存在连通的微观孔隙，透水混凝土具有较好的透水性；相对于普通混凝土，透水混凝土的渗透系数有很大的提升，同时抗压强度不可避免地下降。在混凝土设计配合比的过程中，为了获得较好的透水性，骨料只包含粗骨料，因而孔隙率很高，相应地，由于孔隙率的提高，内部缺陷增多，因而混凝土强度下降。

表 6 抗压强度和透水系数

2.1 影响透水混凝土抗压强度的因素

从图 2 可以看出，随着骨胶比的减小，胶凝材料（水泥+硅灰）的用量增多，透水混凝的抗压强度略有提升。C1、C2 组骨胶比为 4.27，两者的抗压强度接近；C3 组骨胶比为 4.0，其抗压强度有较大的提高，28d 抗压强度超过 30MPa。一般认为，粗骨料之间的摩擦力以及粗骨料和凝胶材料浆体的结合程度共同影响着透水混凝土强度。由于在配合比设计时，四组试样均采用了相同的粗骨料，则透水混凝土的强度主要受粗骨料和凝胶材料浆体黏结强度的影响[14]。接触界面的强度和厚度主要受凝胶材料性质和用量的影响。因此，骨胶比的减小，透水混凝土的抗压强度有较大的提高。

图 2 各组抗压强度

与普通混凝土不同，水胶比对透水混凝土强度的影响似乎不大，不是影响透水混凝土强度的主要因素。透水混凝土本来就是一种比较干的混凝土，在制备过程中，如果水胶比降低，意味着用水量的减少，对水泥浆体在骨料上的均匀、完整覆盖造成不利影响，进而影响试件成型后的内部结构，反而会对混凝土抗压强度的提升有阻碍作用。因此，在透水混凝土中，水胶比的降低无法带来抗压强度的明显提升。

2.2 影响透水混凝土渗透系数的因素

透水混凝土的透水性取决于混凝土内部孔隙，孔隙一般包含开口孔隙、半开口孔隙和闭口孔隙，只有开口孔隙对透水性有贡献。如图 3 所示：随着骨胶比的减小，水泥用量增加，骨料之间的空隙被凝胶材料填充，孔隙率降低，因而不易形成连通孔隙，透水通道减少，透水系数降低。在 C3 组骨胶比为 4.0 时，骨胶比在试验组中为最低值，其 14d 渗透系数仅为 5.96cm/s，为各组最低。

在配合比设计时，水胶比选择在 0.24～0.26 之间。可以看出，试件渗透系数和水胶比并没有明显的相关性。一般来说，水胶比过大，则浆体太稀，容易堵塞孔隙，不利于透水。

图 4 为透水混凝土 14d 抗压强度和渗透系数对比图。总的来说，在水胶比、骨胶比等因素的影响下，透水混凝土透水系数和抗压强度呈现明显的负相关。

图 3 各组渗透系数

图 4 14d 抗压强度和渗透系数对比

3 结论

透水混凝土抗压强度和透水系数主要受骨胶比影响，水胶比的影响较小。水胶比过大容易导致混凝土孔隙堵塞，对强度和透水性均不利。透水混凝土的抗压强度和透水系数呈现明显的负相关，在设计配合比时，应根据工程实际，在透水性和强度之间取得平衡。