透水混凝土抗堵塞性能室内模拟实验研究

张 晶

(河北省子牙河务中心，河北 衡水 053000)

透水混凝土是一种经过特殊工艺制成的存在连续性孔隙的生态环保型混凝土，其不仅具有一定的强度，还具有一定的透气性和透水性[1]。目前，透水混凝土已经广泛应用于市政和水利工程领域的透水铺装，具有良好的社会效益、环境效益和生态效益[2]。显然，透水混凝土的广泛应用主要是因为其在能够满足强度要求的情况下，具有良好的透水和透气性能[3]。但是，透水混凝土的孔隙一旦被堵塞，其上述属性就会显著下降[4]。在水利工程中，河道行洪和地表径流中往往会夹带大量的泥沙，其中的细小颗粒会随着水流进入透水混凝土造成堵塞，进而影响到透水混凝土生态性能的有效发挥[5]。目前，国内外关于透水混凝土透水性能的研究尚处于起步阶段，相关研究并不全面和完善[6]。基于此，此次研究通过室内试验的方式，将我国北方地区的表层粉土制作的泥浆作为堵塞介质，通过多次淋泥—晾干循环，测定透水混凝土透水性能的衰减规律和特点，以便为透水混凝土的工程应用与后期维护提供必要的支持和帮助。

1 试验设计

1.1 透水混凝土试件的制备

制备透水混凝土的原材料主要有粗集料、水泥、掺合料以及各种外加剂[7]。结合当前透水混凝土铺装的工程经验和此次试验目的，此次研究采用的粗集料是粒径为5～10 mm的石灰岩碎石，其表观密度为2.665 g/cm3、孔隙率为37.89%、压碎值为8.6%，各项指标均满足实验要求；试验用水泥为本溪市红星建材有限责任公司出品的P.O42.5普通硅酸盐水泥，其化学成分和技术指标符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的相关要求；试验中使用的外加剂为山东华志混凝土有限公司生产的氨基磺酸盐系高效减水剂，减水率为20%～30%。

为了研究不同孔隙率混凝土的抗堵塞性能，研究中设计了10%和15%两种不同目标孔隙率[8]。其中，10%目标孔隙率的透水混凝土水泥用量为409 kg/m3、水用量为147 kg/m3；15%目标孔隙率的透水混凝土水泥用量为335kg/m3、水用量为121kg/m3；粗集料和减水剂的用量均为1622kg/m3和0.8%。透水混凝土的制备采用一次投料法[9]。将称量好的各种原材料一起加入搅拌设备，共同搅拌3min，将搅拌好的混凝土料装入尺寸为100mm×100mm的圆柱形试模内，限用钢筋进行初步插捣，然后用平板振捣机进行低频振捣[10]。将制作完成的透水混凝土试件在自然条件下放置48h拆模，然后置于标准养护室内养护至28d龄期。

1.2 堵塞材料

试验中选择北方地区道路积水部位的表层粉土作为堵塞材料的土样。对取得的土样利用4.75mm的方孔筛进行筛分，去除其中的大颗粒、树叶、枯草等杂质。将筛分后的土样放在温度为105℃的烘干箱内烘干至恒重后取出冷却至室温。取出500g土样倒入容积为10L的圆柱形容器中，加入5L自来水浸泡2h，其中每间隔20min充分搅拌2min，然后去除容器底部的沉淀物，形成饱和悬浊液。将饱和悬浊液浇撒在透水混凝土试件上，在进入试件内部的孔隙之后，部分悬浮液会吸附在透水混凝土内部孔隙的孔壁上，在阴凉干燥后再进行下一组循环试验。

1.3 试验设计

降雨形成的泥浆是自然工况下透水混凝土材料内部堵塞的主要因素[11]。结合我国的气候特点，以一次“淋泥—晾干”循环模拟一次暴雨过程，在进行5次循环试验之后测定一次透水混凝土试件的透水指标，试验过程中进行25次完整的试验循环。具体的试验步骤如下：首先，对养护完毕的试件测定初始透水速率系数，晾干备用；然后，将制备的饱和悬浊液均匀淋洒在试件的迎水面，每个试件每循环淋撒3L饱和悬浊液；最后，将淋撒过后的试件在室温20℃的条件下晾干，再进行下一个循环的试验，每完成5个试验循环进行一次透水指标的测定。试验中试件的透水系数测定采用的是南通市测量仪器仪表厂生产的SL 352—01渗透系数测定仪，该仪器主要由试件密封容器和水压稳定平衡两大系统组成，测量误差在5%以内，完全可以满足试验测定要求[12]。试验过程可以完全实现自动化，在试验时将待测试件侧面进行蜡封处理，之后安装在仪器下方硅胶筒内，试验结束后自动生成和存储相关实验数据。

2 试验结果与分析

按照上节的试验方法，对两种不同孔隙率透水混凝土试件在0、5、10、15、20和25次试验之后的透水性指标进行测试，结果见表1。由试验结果可知，随着循环试验次数的不断增加，透水混凝土试件的各项指标值呈现出逐渐下降的特点，这说明在试验过程中由于泥浆向混凝土内部渗透，逐渐造成内部孔隙的堵塞。在经过25次循环试验之后，10%孔隙率透水混凝土的透水系数下降至0.57mm/s；而15%孔隙率透水混凝土在25次循环试验之后的透水系数也下降至0.39mm/s。与初始透水系数相比均有十分显著的下降，说明透水混凝土的透水性能大幅降低。

表1 透水混凝土试件透水性指标试验结果

按照CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》的相关规定，透水混凝土在15℃条件下的透水系数不低于0.50mm/s，由于本次试验的温度条件为20℃，按照水的动力黏滞系数进行计算，在20℃条件下，透水混凝土的透水系数不低于0.59mm/s。由此可见，在进行25次循环试验之后，两种不同孔隙率的透水混凝土的透水系数均不满足相关要求，也就是已经基本失去透水能力。

为了进一步分析透水性能随循环试验的变化规律，利用试验数据，绘制出如图1和图2所示的透水速率系数和透水系数两个主要指标随循环试验次数的变化曲线。由此可知，透水混凝土的透水指标衰减与循环试验次数之间具有较高的相关性。总体来看，15%孔隙率透水混凝土的指标衰减相对较快。究其原因，主要是透水混凝土内部孔隙较多时，在试验过程中孔隙内部所附着的颗粒数量也较大，因此造成连通孔隙的堵塞现象更为明显。

图1 透水速率系数随循环试验次数变化曲线

图2 透水系数随循环试验次数变化曲线

利用试验结果，对两种不同目标孔隙率透水混凝土试件在不同循环试验次数下的透水性指标损失率进行计算，结果见表2。由计算结果可知，对于15%孔隙率透水混凝土而言，要满足20℃条件下0.59mm/s的透水系数要求，其对应的试验循环次数为20次，此时的透水系数损失率为67.57%，透水速率系数为0.49%；对于10%孔隙率透水混凝土而言，要满足20℃条件下0.59mm/s的透水系数要求，其对应的试验循环次数为15次，此时的透水系数损失率为39.05%，透水速率系数为0.47%。总之，对于水利和市政工程中常用的10%和15%孔隙率透水混凝土而言，在经历15～20次雨洪泥浆堵塞循环之后，其透水性将大幅降低，难以满足相关工程规范关于透水性的最低要求。如果要延长其服役期限，充分发挥其生态属性和价值，建议在透水混凝土施工过程中采用便于更换的透水砖，同时下层的透水粒料也需要具有一定的反滤功能。此外，在透水混凝土铺装的服役期，还应该采取必要的清洗措施。

表2 透水混凝土试件透水性指标损失率计算结果

3 结论

雨洪径流中携带的泥沙颗粒沉积会对透水混凝土的透水性造成十分显著的影响。此次研究通过室内模拟试验的方式，对透水混凝土抗堵塞性能展开研究，获得雨洪泥浆堵塞作用对透水混凝土透水性的影响规律，并提出了相应的工程施工和维护建议，对透水混凝土的工程施工和后期维护工作具有重要的指导价值。当然，城镇地区河道治理工程是水工领域透水混凝土应用的主要场景，因此其堵塞源的成分比较复杂，不仅包括表层土的冲淤，还包括工业粉尘、汽车轮胎磨损粉末等，在后续研究中需要选择更符合城市河道径流中悬浮颗粒特征的堵塞物质进行研究，以提高研究成果的科学性和准确性。