考虑砂率和骨胶比的透水混凝土配合比设计及其性能研究

2023-11-10卫亚洲冀荣庆

中外公路 2023年4期

卫亚洲，冀荣庆

（河南省濮卫高速公路有限公司，河南濮阳 457000）

0 引言

透水混凝土作为生态环保型建筑材料越来越广泛地应用在城市建设中。透水混凝土具有良好的水文特性［1］，可减少洪水径流并形成天然的排水系统，在缓解城市积水和改善地下水水质的同时，还可使空气中的热量与水有效交换，缓解“热岛效应”［2］。透水混凝土以其内部孔隙实现透水性，但同时降低了结构强度，其强度普遍低于普通混凝土且耐久性差［3］，这严重限制了透水混凝土的推广应用。

关于透水混凝土的配合比设计方法及性能研究，国内外已开展了一定的研究工作［4-6］。透水混凝土的力学性能与原材料性能、空隙率以及骨料与胶凝材料或浆体间的黏结强度有关［7-8］，而透水性主要取决于混凝土的空隙率。研究表明：适当的砂率可以增大骨料间的黏结面面积［9］，进而提升透水混凝土的力学性能。调整骨料间堆积状态，改变其堆积密实度对混凝土的力学性能和透水性也有重要影响［10］。然而目前透水混凝土主要基于体积法进行配合比设计［11］，这是一种不考虑砂且主要根据粗骨料堆积密度确定骨料用量的配合比设计方法，无法充分发挥砂以及粗骨料间的堆积效应。此外，体积法的主要设计参数为目标空隙率和水胶比［12］，无法灵活调整骨料与胶凝材料的比例（骨胶比），因此无法充分考虑其对水泥混凝土性能的作用，如骨料与浆体的界面黏结强度［13］。

基于此，本文在配合比设计时考虑砂率、骨胶比的影响，对传统配合比设计方法——体积法进行了改进。并基于改进的配合比设计方法，研究了砂率、骨胶比、养护方式对透水混凝土力学性能和透水系数的影响，建立了力学性能和透水系数的关系，同时测定了混凝土的有效空隙率，解释了其力学性能和透水性变化的原因。

1 试验概况

1.1 原材料

水泥采用P·O42.5 硅酸盐水泥；矿物掺合料为硅灰；粗骨料为石子和陶粒体积比2∶1 的混合骨料，其中石子为玄武岩碎石，陶粒为页岩陶粒（1 h 吸水率为5%）；细骨料为陶砂，骨料物理性能见表1；外加剂为聚羧酸系高效减水剂，减水率为25%～35%。

表1 骨料物理性能

1.2 配合比设计

研究砂率、骨胶比、养护方式3 个因素对透水混凝土性能的影响，每个因素均设定6 个水平，具体见表2，其中对照组的砂率为10%、骨胶比为2.7，养护条件为标准养护。各组透水混凝土的目标空隙率均为10%，水胶比均为0.17。透水混凝土配合比如表3所示。

表2 试验影响因素及水平

表3 透水混凝土配合比

1.3 试验方法

1.3.1 成型工艺

透水混凝土的搅拌工艺采用“水泥裹石法”：①在2 min 内将经过预湿处理的粗细骨料搅拌均匀，之后与含有水泥、硅灰的混合粉体继续搅拌3 min；②在拌和物中加入1/3 的水搅拌2 min，并另取1/3 的水与减水剂充分混合后倒入拌和物中继续搅拌；③将剩余水倒入，人工搅拌5 min 左右，使粗骨料表面完全被水泥浆均匀包裹。

试验成型方式为“人工插捣+一次机械振动（时间为3 s）”。养护方式分别采用20～60 ℃的水养护和标准养护，以研究养护方式对透水混凝土性能的影响。

1.3.2 抗压强度

根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2002）［14］测试透水混凝土3 d、7 d、28 d 的抗压强度（图1）。

图1 透水混凝土抗压强度测试

1.3.3 透水系数

采用图2 自制透水系数测定仪测定混凝土的透水系数。透水混凝土试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。

图2 透水混凝土透水系数测定装置示意图（单位：mm）

透水系数测定步骤：①对透水混凝土侧面进行滚蜡和保鲜膜密封包裹处理；②将透水方筒套在试块顶部，用橡皮泥密封试块与方筒的接口，并将其放置在底部支架上；③向溢流槽中注水，使水位至溢流槽出水口位置；④向透水方筒中注水，水位始终维持在溢流口位置，测定试块的透水系数。

测得平均水头70 mm 下透水混凝土试块的渗流速度，用以表征其透水性。透水系数的计算公式为：

式中：K为透水系数（mm/s）；Q为t时间内的渗出水量（mL）；L为试块厚度（cm）；A为试块的上表面积（cm2）；H为水位差（cm），取7 cm；t为渗流时间（s）。

2 结果与讨论

2.1 考虑砂率和骨胶比的配合比设计

透水混凝土多采用体积法进行配合比设计［11］。体积法根据骨料堆积密度确定骨料用量，通过预设空隙率保证混凝土透水性并确定1 m3体积下水泥浆体的体积，进而根据水灰比确定水泥和水的体积。由于骨料用量仅取决于其堆积密度，使得体积法无法充分发挥粗细骨料间堆积效应以及骨胶比（或骨浆比）等参数对透水混凝土性能的影响。

基于此，本文在配合比设计时以体积法为基础引入砂率和骨胶比，以目标空隙率、水胶比、砂率、骨胶比为设计参数，通过预设目标空隙率保证混凝土的透水性，并调整各个参数以满足透水混凝土的力学性能要求。改进的1 m³透水混凝土配合比设计方法如下：

设定1 m3透水混凝土的目标空隙率为P，则原材料体积与P的关系可用下式表示：

式中：mG、mT、mS分别为1 m3透水混凝土中石子、陶粒、陶砂的质量（kg）；ρG、ρT、ρS分别为对应骨料的表观密度（kg/m³）；Vj为水泥-硅灰复合浆体体积（m3）；P为目标空隙率（%）；Vb、Vw分别为胶凝材料和水的体积（m3）。

骨料与胶凝材料总量的比例用骨胶比β表示：

砂子与骨料的比例用砂率S表示：

设混合骨料中碎石体积（VG）与陶粒体积（VT）之比为a∶b（本文为2∶1），在目标空隙率、骨胶比、水胶比、砂率4 个参数确定后，联立式（3）、（4）与式（2）即可得到各材料用量，从而确定试验配合比。改进的配合比设计方法考虑了砂子和骨胶比对透水混凝土性能的影响，且计算方法简便准确。基于改进的配合比设计方法，下文研究砂率、骨胶比、养护方式对透水混凝土性能的影响。

2.2 砂率对透水混凝土抗压强度、透水系数影响

图3 为透水混凝土抗压强度、透水系数随砂率的变化。

图3 砂率对透水混凝土抗压强度、透水系数的影响

由图3（a）可知：不同龄期的透水混凝土抗压强度均随砂率的增加先增大后减小，且均在15%砂率时达到峰值。这是因为初始掺入一定量砂子填充了粗骨料之间的空隙，增加了骨料间的接触面积，提升了骨料间的堆积密实度和相互作用［15］，进而提升了混凝土的抗压强度。但当砂率高于15%，砂含量较高时，继续增加砂率降低了透水混凝土的抗压强度，这可能是因为砂率为15%时混凝土已达到了较好的颗粒堆积状态，继续增加砂子反而不利于骨料间的堆积填充［16］；同时由于砂子的比表面积大于石子的比表面积，提高砂率增大了骨料的总比表面积，减小了包裹骨料的水泥浆厚度［17］，从而减弱了其对骨料的胶结作用，导致其抗压强度逐渐下降。

随龄期的增加，不同砂率的透水混凝土其抗压强度均逐渐增加。因为水泥颗粒的水化程度随时间的延长不断增大，生成的C—S—H 凝胶含量也逐渐增加。研究表明：C—S—H 凝胶是水泥混凝土形成强度的主要部分［18］，因此随着龄期的增加，混凝土的抗压强度逐渐提高。

由图3（b）可以看出：随砂率的增加，透水系数先减小后增大，砂率为15%时，混凝土的透水系数最小。砂率小于15%时，混凝土的透水系数变化较小，而砂率大于15%时，随砂率增加，透水系数显著增加。透水混凝土的透水系数与其空隙率密切相关，而空隙率又与颗粒间的堆积密实度相关。研究表明：当小颗粒的量少于大颗粒时，增加小颗粒有助于颗粒堆积，可提高颗粒群整体密实度，此时小颗粒发挥“填充效应”；若继续增加小颗粒，则此时小颗粒发挥“楔入效应”，将降低颗粒群整体密实度［16］。同时由于砂的密度小于石子，增加砂率提高了骨料整体的体积，而骨料与浆体的总体积是一定的，因此增加砂率不仅增大了骨料的体积同时减小了浆体的体积，进而减少了骨料间填充的浆体体积，增加了混凝土的空隙率。这解释了砂率较大时，透水混凝土透水系数增大的现象。

结合图3（a）、（b）可知：砂率为15%时，相比于未掺砂子及砂率为10%的透水混凝土，其透水系数仅有轻微的减小而抗压强度则明显提高，抗压强度超过30 MPa，透水系数保持为6 mm/s 左右。因此15%的砂率可在轻微影响透水混凝土透水性的同时显著提高其抗压强度，可推荐在配合比设计中使用15%的砂率。

2.3 骨胶比对透水混凝土抗压强度、透水系数影响

图4 为透水混凝土抗压强度、透水系数随骨胶比的变化。

图4 骨胶比对透水混凝土抗压强度、透水系数的影响

由图4（a）可知：不同龄期的透水混凝土抗压强度均随骨胶比的增加而降低。透水混凝土的抗压强度除了与原材料本身的强度有关，还与骨料和胶凝材料之间的黏结强度有很大的关系，一定范围内增加骨胶比，骨料之间黏结面的厚度相对变薄，黏结强度降低［13］，透水混凝土的抗压强度随之下降。此外，骨胶比从2.7 增加到3.5，3 d、7 d、28 d 龄期的抗压强度分别降低了67.2%、67.1%、65.9%，没有明显的差别。

由图4（b）可知：透水混凝土的透水系数随骨胶比的增加而增大。这与骨胶比增加，混凝土抗压强度降低的原因相似。水胶比相同时，骨胶比的增加使得混凝土中浆体体积及其后期水化产物的量均减少，从而无法充分填充骨料之间的空隙，降低了混凝土的密实度，增大了混凝土的空隙率和透水系数。结合图4（a）、（b）可知：骨胶比为3.0～3.1 时，透水混凝土的透水系数可明显提升至6.31～8.25 mm/s，且28 d 抗压强度在20 MPa 左右，能满足工程应用要求［11，19］，且兼顾混凝土的抗压强度和透水性。

2.4 养护方式对透水混凝土抗压强度、透水系数影响

不同养护方式改变了混凝土所处的温湿环境，从而对水泥水化有重要影响，进一步影响了混凝土的性能。相比普通混凝土，透水混凝土因内部具有孔隙，增加了与空气、水的接触面积，从而对养护条件更为敏感［20］。图5 为养护方式对透水混凝土性能的影响。

图5 养护方式对透水混凝土抗压强度、透水系数的影响

由图5 可知：各养护条件下，随龄期的增加透水混凝土的抗压强度均逐渐增加，正如前文所述，随着龄期的增加，混凝土中生成的C—S—H 凝胶数量和强度均不断增长［21］，从而增加了透水混凝土的抗压强度。随着水养护温度的增加，混凝土的抗压强度先增加后减小，20 ℃、30 ℃、40 ℃水养护的混凝土3 d、7 d、28 d 抗压强度均高于标准养护，而50 ℃、60 ℃水养护的混凝土3 d、7 d、28 d 抗压强度均低于标准养护。这是因为混凝土的抗压强度与水泥的水化密切相关，一定范围内提高水养护温度可以促进混凝土中水泥颗粒等胶凝材料的水化，从而在较短的时间内生成更多的C—S—H 凝胶［22］，进而提高混凝土的抗压强度。但当水养护温度过高时，水泥水化的速率过快导致水化产物来不及扩散，透水混凝土内部孔隙得不到足够的填充，内部结构疏松，从而降低了透水混凝土的抗压强度［23］。

由图5 可知：随着水养护温度的提高，混凝土的透水系数先降低后增加，40 ℃时水养护的混凝土透水系数最小。20 ℃、30 ℃、40 ℃水养护的混凝土透水系数低于标准养护，50 ℃、60 ℃水养护的混凝土透水系数高于标准养护。结合图5（a）、（b）可知：40 ℃水养护的透水混凝土显著提高了28 d 抗压强度，但也明显降低了混凝土的透水系数。而50 ℃水养护的透水混凝土可在轻微损失28 d 抗压强度的条件下保证混凝土的透水系数。总的来说，相比于标准养护，高温水养护并不是改善透水混凝土综合性能（抗压强度和透水性）的有效手段。

结合图3～5 可知：采用改进的配合比设计方法，可制备抗压强度超过30 MPa、透水系数6 mm/s 左右或抗压强度20 MPa 左右、透水系数接近8 mm/s 的性能优良的透水混凝土，证明了改进的配合比设计方法的有效性。

2.5 透水混凝土透水系数、28 d 抗压强度与有效空隙率关系

由前文分析可知：不同影响因素下（砂率、骨胶比、养护方式）透水混凝土的抗压强度基本与透水系数的变化相反。图6 建立了透水混凝土透水系数与28 d 抗压强度的关系，可以看到：透水系数与28 d 抗压强度成反比例关系，可用K=1/（0.047 8+0.004 02S）表示，其中K为透水混凝土的透水系数（mm/s）；S为透水混凝土28 d 抗压强度（MPa）。

图6 透水混凝土透水系数与28 d 抗压强度关系

由于透水混凝土的空隙率可直接表征其透水性与强度的变化，本文基于重量法测定了透水混凝土的空隙率［24］。试件的有效空隙率可通过下式计算：

得到各组透水混凝土的有效空隙率如表4 所示。

表4 透水混凝土有效空隙率

由表4 可知：透水混凝土的有效空隙率随砂率、骨胶比和养护方式的变化规律与透水系数一致。图7 建立了透水系数、28 d 抗压强度与有效空隙率的关系。可以看到：透水系数与有效空隙率呈正指数相关；28 d 抗压强度与有效空隙率呈负线性相关，这与期望的结果一致。对比图7（a）、（b）可知：有效空隙率与透水系数的相关性高于其与抗压强度的相关性，说明透水混凝土的有效空隙率更直接决定了其透水性，但也对抗压强度有显著的影响。总的来说，有效空隙率解释了混凝土抗压强度和透水性随砂率、骨胶比和养护方式变化的原因。