透水混凝土性能影响因素研究

吕剑锋 梁丽敏 李世华 王小亮 李 云

(云南建投绿色高性能混凝土股份有限公司，云南 昆明 650501)

0 引言

透水混凝土是由欧美、日本等国家针对原城市道路的路面缺陷，开发使用的一种能让雨水流入地下，有效补充地下水，缓解城市地下水位急剧下降等一些城市环境问题的路面铺装混凝土；和普通混凝土相比，透水混凝土在原材料组成、结构组成和性能要求等方面有很大的区别[1]。从材料组成来看，透水混凝土通常不含细骨料或含有少量细骨料；从结构组成来看，透水混凝土硬化后形成一种由骨料表面包裹一层薄水泥浆互相粘结而形成孔穴均匀分布的蜂窝状结构；从性能要求来看，透水混凝土需要有一定的有效孔隙率来保证透水性能。因此影响透水混凝土性能的因素和普通混凝土也大不相同。姚明来等[2]研究了水灰比对透水混凝土强度和透水性能的影响，结果表明，在最佳的水胶比范围下，透水混凝土的综合新能最优；孔新宇[3]综合许多学者的研究成果指出水胶比、骨胶比和骨料性能对透水混凝土的力学性能和透水性能有较大的影响，徐杰等[4]通过试验研究也得出了类似的结论；张勇等[5]研究了设计孔隙率对透水混凝土强度的影响，试验结果表明，随着设计孔隙率的提高透水混凝土的抗压强度下降。

本文以透水混凝土的强度、有效孔隙率和透水性能三者为研究对象，通过对比水胶比、骨胶比、骨料粒径和种类对透水混凝土强度、有效孔隙率和透水性能的影响规律，系统的研究了透水混凝土性能的影响因素，并根据试验数据研究了有效孔隙率、透水系数和强度三者之间的相互关系。

1 原材料和配合比设计

1.1 原材料

1)水泥：水泥选用宜良红狮P.O42.5水泥。

2)骨料：骨料选用粒径分别为5 mm～10 mm和10 mm～20 mm的石灰岩质碎石和河卵石，骨料的性能指标见表1。

表1 骨料性能技术指标

3)外加剂：云南建投高分子材料有限公司生产的PCA-800型高性能聚羧酸减水剂，固含量为15.2%，减水率为23.4%。

1.2 配合比设计

根据上述骨料参数，按照CJJ/T 135透水水泥混凝土路面技术规程中规定的配合比设计方法计算各组分的用量，设定设计孔隙率为25%，水胶比为0.30，外加剂掺量根据推荐掺量确定为1.6%，各骨料粒径的基准配合比详见表2。

表2 透水混凝土基准配合比

1.3 试验方法

1)透水混凝土采用下属工艺成型。

设定松铺系数为1.10，根据容重和试模体积称量相应重量的拌合物，分两层装入，每层插捣25次，装好之后采用小型平板振捣器整平试模表面。

2)透水系数。

透水系数的测试采用定水头法，具体方法见《透水水泥混凝土路面技术规程》附录A[6]中规定。

3)孔隙率测定。

孔隙率的测定采用重量法测试，分别称量试件烘干后的重量和在水中的重量，两者之差即为试件因孔隙被水填充而试件受到的浮力，孔隙率的计算公式如式(1)所示，所测得的孔隙率包括连通孔隙和半连通孔隙，不包括封闭孔隙。

(1)

式中：P——孔隙率，%；

m1——试件在水中的重量，g；

m2——试件在烘箱中烘24 h后的重量，g；

V——试件体积，cm3。

2 试验结果与讨论

2.1 水胶比对透水混凝土性能影响

普通混凝土的力学性能和水胶比存在比较确定的数学关系F—f(W/B)，而对于透水混凝土其拌合物一般呈干硬状态，水胶比变化范围较小，水胶比和力学性能只在很小范围内与普通混凝土有类似的规律[1]。透水混凝土中水胶比的大小直接影响到浆体的流动度，进而影响骨料与浆体之间的粘结性和浆体的填充率，因此水胶比对透水混凝土的工作性能、力学性能和透水性能有很大的影响。本试验以0.25，0.27，0.30，0.32，0.35五个不同的水胶比制备透水混凝土，通过对比新拌透水混凝土的工作性能和硬化后的强度和透水系数研究水胶比对透水混凝土性能的影响规律。透水混凝土性能随水胶比的变化关系曲线如图1所示。

由图1可以看出透水混凝土水胶比的大小对力学性能和透水性能的影响较大，在最佳水胶比上下浮动0.2，28 d抗压强度降低高达30%左右，透水系数则随着水胶比的增大呈下降趋势。这是因为随着水胶比的增大浆体流动度增加，成型后浆体在重力的作用下流入试块底部造成堵孔封底现象，透水性能下降，进而粘结骨料的浆体数量减少，接触面积减小，骨料之间的粘结力下降，最终导致抗压强度的降低。水胶比过小，浆体呈干硬状态，水泥颗粒易于结团堵塞孔隙，使得孔隙的连通性变差而导致透水性能下降，由于浆体的流动性不足，同样导致骨料与浆体之间的粘结力下降而导致最终的强度下降。

2.2 骨胶比对透水混凝土性能影响

透水混凝土的强度受浆体层厚度和骨料性能的影响较大，浆体层厚度的大小同时与有效孔隙率和透水性能密切相关。本试验采用固定的最佳水胶比和骨料用量，选取骨胶比为3.9～5.2制备透水混凝土(见图2)。

由图2可知，透水混凝土的抗压强度随着骨胶比的增大而降低，透水性能则呈相反的变化趋势。随着骨胶比的增大，透水混凝土中的胶凝材料减少，导致透水混凝土中连通孔隙数量的增多，相应的平均孔径增大，而粘结骨料之间的浆体数量和厚度减小，浆骨之间的粘结力下降，最终导致透水系数的增大和抗压强度的降低。

2.3 骨料性能对透水混凝土性能的影响

透水混凝土用骨料一般为间断级配或单粒级碎石，作为主要的两大原材料之一，骨料的性能对透水混凝土的力学性能和透水性能影响较大。试验选取粒径为5 mm～10 mm和10 mm～20 mm的两种碎石，骨料分为石灰岩质碎石和河卵石两种(见图3)。

采用5 mm～10 mm骨料透水混凝土的28 d抗压强度高于10 mm～20 mm骨料，透水系数变化规律则相反；卵石的粒型和压碎值优于碎石，但是相同骨料粒径条件下采用碎石配制的透水混凝土28 d抗压强度高于卵石配制的混凝土，卵石透水混凝土的透水系数略高于碎石。骨料粒径小，紧密堆积状态下孔隙率小，透水混凝土整体密实度高，抗压强度提高的同时透水性能下降。卵石圆度较高，表面光滑，配制的透水混凝土骨料之间的接触面积小于碎石，且浆体与骨料之间的粘结力小，导致抗压强度较低。

2.4 抗压强度、透水系数和有效孔隙率之间的相互关系

透水混凝土中抗压强度、透水系数和有效孔隙率三个指标是相互影响和制约的，图4所示为有效孔隙率与透水系数和28 d抗压强度的的线性回归曲线，随着有效孔隙率的增加，透水系数呈线性增大趋势，28 d抗压强度则呈线性趋势下降，线性回归关系分别为y=0.14x-0.64和y=34.15-0.63x。透水系数和28 d抗压强度的关系如图5所示，对透水混凝土各龄期的抗压强度来说，随着透水系数的增加，抗压强度呈线性下降趋势，其线性回归关系为y=28.35-2.57x。

透水混凝土中有效孔隙率的大小决定了透水系数的大小，同时对透水混凝土的力学性能有较大的影响。大量研究表明普通混凝土的强度和孔隙率的关系不适用于透水混凝土，但是在总体变化趋势上是一致的。现行的透水混凝土配合比设计方法中只涉及了设计孔隙率这一参数，对强度、透水系数等参数没有明确规定，缺乏科学性和合理性。通过大量的试验数据找到三者之间存在的统计关系，在透水混凝土的配合比设计中加以充分的考虑，对于保证透水混凝土强度和透水系数满足设计要求具有重要的现实意义。

3 结语

1)水胶比和骨胶比对透水混凝土强度和透水性能有较大的影响。水混凝土配合比设计中，应通过小试验确定最佳的水胶比和骨胶比，此时的透水混凝土强度较好，透水性能满足要求。

2)骨料的粒径和种类对透水混凝土的强度影响较大，对透水系数影响较小，相同粒径碎石透水混凝土的强度优于卵石透水混凝土，相同种类骨料配制的透水混凝土，骨料粒径越大，强度越低。

3)透水混凝土的有效孔隙率、透水系数和强度三者存在一定的线性关系，随着有效孔隙率的增大，透水系数呈线性增大趋势，抗压强度呈线性下降趋势。