陳晉棟 ，王武祥 ，2，張磊蕾 ，2

（1.中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院，北京 100024；2.綠色建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024）

0 引言

透水混凝土是一種環(huán)境友好型材料[1]，雨水能夠通過其快速滲透進(jìn)入土壤中及時(shí)補(bǔ)充地下水，起到緩解暴雨徑流、減輕市政排水系統(tǒng)負(fù)荷的作用，同時(shí)能夠?yàn)V掉地表徑流中的一部分污染物[1-3]，此外還能起到吸聲、降噪、防滑、夜里防眩光等作用[4-6]。透水混凝土性能的評(píng)價(jià)表征對(duì)其工程應(yīng)用有著重要意義，雖然有一些性能試驗(yàn)方法或標(biāo)準(zhǔn)，但是多數(shù)源于普通混凝土。而透水混凝土只摻少量或完全不摻細(xì)集料[1，7-8]，孔隙率高，致使其工作性、力學(xué)性能以及耐久性能與普通混凝土有明顯差異，導(dǎo)致許多普通混凝土性能試驗(yàn)方法不再適用于透水混凝土，需在現(xiàn)有普通混凝土標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上改進(jìn)或研究開發(fā)新的試驗(yàn)方法。本文對(duì)透水混凝土的工作性、強(qiáng)度、孔隙率、透水系數(shù)以及抗凍性的試驗(yàn)方法進(jìn)行了綜述，以期為透水混凝土性能試驗(yàn)方法的改進(jìn)提供參考。

1 透水混凝土拌合物工作性試驗(yàn)方法

混凝土的工作性主要包括拌合物的流動(dòng)性、粘聚性及保水性[9]。一般而言，拌合物流動(dòng)性大則粘聚性和保水性不佳，反之亦然。透水混凝土的水灰比（W/C）低、漿體量少，漿體能夠起到的潤(rùn)滑作用小，拌合物比較干硬。因此，改善透水混凝土的工作性主要是要解決其流動(dòng)性不佳的問題。透水混凝土工作性體現(xiàn)在工程應(yīng)用上主要為：拌合物是否易拌和、是否易從攪拌設(shè)備中傾倒出來、是否易攤鋪、是否易壓實(shí)，工作性持續(xù)時(shí)間能否滿足施工需要、水泥漿體能否緊密粘附在集料上而不流漿等[10]。實(shí)際應(yīng)用中通常額外摻加水來改善拌合物的流動(dòng)性，但這會(huì)使透水混凝土的整體性能降低。

對(duì)于粗集料粒徑不大于40 mm的普通混凝土，其工作性多采用坍落度或維勃稠度進(jìn)行量化評(píng)價(jià)[11]。然而研究表明，透水混凝土的坍落度或維勃稠度與工作性的相關(guān)性較差[12]，為此，研究人員開發(fā)了目測(cè)法和一些量化方法來評(píng)價(jià)透水混凝土的工作性。

1.1 目測(cè)法

目測(cè)法的評(píng)價(jià)原則是：水泥漿體緊密均勻地包裹集料，無漿體下淌，拌合物表面有金屬光澤。為便于應(yīng)用目測(cè)法，一些文獻(xiàn)提供了圖片作參考。Tennis等[3]提出的方法如圖1所示：拌合物含水量偏低，集料之間粘結(jié)很弱，比較松散；拌合物含水量偏高，則水泥漿體流動(dòng)度大，不能均勻包裹集料，且部分孔隙為水泥漿體填充；拌合物工作性合適時(shí)，用手攥拌合物可以成團(tuán)，且沒有水泥漿體下淌。不過美國(guó)預(yù)拌混凝土協(xié)會(huì)（National Ready Mixed Concrete Association，NRMCA）不推薦采用圖1的方法，因?yàn)榇朔ㄔu(píng)價(jià)為工作性良好的透水混凝土，實(shí)際比較干硬，傾倒較困難[10]。NRMCA推薦了圖2的手?jǐn)D壓法和圖3的倒置坍落度筒法。手?jǐn)D壓法操作步驟為：用手抓起拌合物后擠壓，然后將手展開，讓拌合物自由落下，倘若仍有集料粘附在手上，則認(rèn)為此拌合物工作性良好。倒置坍落度筒法操作步驟為：將倒置的坍落度筒用透水混凝土拌合物填滿，讓拌合物自密實(shí)，靜置2min，若筒底部有漿體滲出，則認(rèn)為拌合物含水太多；若沒有漿體滲出，輕輕抖動(dòng)倒置的坍落度筒并將之緩慢提起后，拌合物坍落下來，則認(rèn)為其工作性良好。

目測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是無需太復(fù)雜的設(shè)備即可對(duì)透水混凝土拌合物工作性作出定性評(píng)價(jià)，但是易受到主觀因素影響，對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)要求高。

圖1 不同含水量透水混凝土試樣的成球能力

圖2 透水混凝土工作性評(píng)價(jià)方法——手?jǐn)D壓法

1.2 量化評(píng)價(jià)方法

1.2.1 密度法

對(duì)于透水混凝土拌合物，越易被壓實(shí)，代表流動(dòng)性越大。因此，可通過測(cè)量拌合物被壓實(shí)的難易程度來評(píng)價(jià)透水混凝土的工作性。

壓實(shí)功一定時(shí)，透水混凝土拌合物的密度越大，說明其越易被壓實(shí)，流動(dòng)性越好。因此，可通過測(cè)定壓實(shí)功一定時(shí)透水混凝土拌合物的密度來評(píng)價(jià)其工作性。ASTMC1688/1688M-14a[13]推薦透水混凝土拌合物的密度范圍為1750～2000kg/m3，當(dāng)測(cè)得的拌合物密度在此范圍內(nèi)時(shí)可認(rèn)為其工作性良好。

1.2.2 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀法

Kevern等[14]通過對(duì)瀝青混凝土常用的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀進(jìn)行改進(jìn)來評(píng)價(jià)透水混凝土的工作性。透水混凝土的工作性指數(shù)通過圖4給出，圖4的曲線以8轉(zhuǎn)為分界點(diǎn)被分為兩部分：1～8轉(zhuǎn)曲線下部的陰影面積被定義為工作性能量指數(shù)（WEI），用來評(píng)價(jià)拌合物的本質(zhì)工作性；8轉(zhuǎn)至達(dá)到設(shè)計(jì)孔隙率的轉(zhuǎn)數(shù)或100轉(zhuǎn)的曲線下部的陰影面積被定義為壓實(shí)密實(shí)指數(shù)（CDI），用來評(píng)價(jià)拌合物對(duì)額外壓實(shí)功的抵抗能力。表1給出了評(píng)價(jià)透水混凝土工作性和壓實(shí)性的指標(biāo)。

圖4 表觀壓實(shí)度和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀轉(zhuǎn)數(shù)之間的關(guān)系

表1 透水混凝土的工作性指數(shù)范圍

1.2.3 富余漿量法

透水混凝土的工作性受到水泥漿體量、砂率以及組成材料性質(zhì)的影響，其中水泥漿體量對(duì)工作性的影響程度最為顯著[14]。因此，可以通過測(cè)試拌合物的水泥漿體量，對(duì)透水混凝土的工作性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

盛燕萍[9]即通過測(cè)試富余的水泥漿體含量來評(píng)價(jià)免振搗透水混凝土的工作性，以富余漿量比δ作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。所謂富余漿量比是指在拌合物質(zhì)量和振動(dòng)時(shí)間一定的條件下，通過2.36 mm方孔篩的富余漿量與拌合物總質(zhì)量的比值。盛燕萍[9]通過多因素正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，考察了粗集料級(jí)配、灰集比、水灰比以及砂率對(duì)拌合物工作性的影響程度，回歸得到計(jì)算富余漿量比的式（1），式（1）的相關(guān)系數(shù)為0.880。并指出當(dāng)試驗(yàn)得到的富余漿量比落在回歸公式計(jì)算結(jié)果范圍（δ±1%）內(nèi)時(shí)，表明拌合物的工作性能良好。

式中：δ——富余漿量比，%；

VCA——集料骨架間隙率，%；

C——水泥用量，g/m3；

W/C——水灰比；

SP——砂率，%。

密度法簡(jiǎn)單易行，可在一定程度上評(píng)價(jià)透水混凝土的工作性；旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀法具備可以精確模擬現(xiàn)場(chǎng)各種壓實(shí)狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)，但是設(shè)備龐大，并不適用于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；富余漿量法所需設(shè)備簡(jiǎn)單易得，但是提出的富余漿量比公式是通過免振搗透水混凝土的相關(guān)試驗(yàn)得到，而免振搗透水混凝土的水灰比、漿集比與普通透水混凝土之間的差異非常大，因此在用于普通混凝土的工作性評(píng)價(jià)時(shí)，需重新考察各參數(shù)的影響程度，得到適用于普通透水混凝土的富余漿量比回歸公式。

2 透水混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)方法

目前，國(guó)際上對(duì)透水混凝土強(qiáng)度的試驗(yàn)普遍采用普通混凝土試驗(yàn)方法，我國(guó)按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行試驗(yàn)。抗壓強(qiáng)度以邊長(zhǎng)為150 mm的立方體為標(biāo)準(zhǔn)試件，抗折強(qiáng)度以150 mm×150 mm×600 mm的棱柱體試件作為標(biāo)準(zhǔn)試件。

研究表明[15-16]，透水混凝土的強(qiáng)度除受到原材料性質(zhì)和配合比影響外，還受到成型方式的影響。GB/T50081—2002規(guī)定坍落度不大于70 mm的混凝土宜采用振動(dòng)振實(shí)成型，透水混凝土采用此法成型，振動(dòng)時(shí)間不易把握。振動(dòng)時(shí)間短則拌合物難以實(shí)現(xiàn)緊密接觸，孔隙率偏高，導(dǎo)致強(qiáng)度偏低；振動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)則易出現(xiàn)水泥漿體與集料分離現(xiàn)象，漿體下淌沉積在試件下部，導(dǎo)致水泥漿體分布不均勻，下部密實(shí)而上部不足，對(duì)試件強(qiáng)度不利。透水混凝土常采用的成型方法還有人工插搗或擊實(shí)成型、靜壓成型以及平板振動(dòng)器從試件上部振動(dòng)成型。人工插搗或擊實(shí)成型的透水混凝土試件孔隙分布均勻，但是不夠密實(shí)，強(qiáng)度偏低[15]；靜壓成型的透水混凝土試件致密，但是施加壓力大小不好控制，壓力過大可能會(huì)造成集料破碎，在透水混凝土內(nèi)部形成缺陷區(qū)，難以反映透水混凝土的真實(shí)強(qiáng)度；平板振動(dòng)器從透水混凝土試件上表面振動(dòng)成型，對(duì)水泥漿體流動(dòng)度合適的透水混凝土而言，不會(huì)造成水泥漿體下淌[17]，且成型的透水混凝土試件較為致密。因此，在進(jìn)行透水混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，采用平板振動(dòng)器從上表面振動(dòng)成型試件的方式比較合適。

普通混凝土進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)會(huì)受到“尺寸效應(yīng)”影響，透水混凝土也存在類似現(xiàn)象[5]。Chen等[8]分別測(cè)試了邊長(zhǎng)為100、150、200 mm透水混凝土立方試件的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明，邊長(zhǎng)為100mm的立方試件尺寸換算系數(shù)遠(yuǎn)小于0.95，而邊長(zhǎng)為200 mm的立方試件尺寸換算系數(shù)則遠(yuǎn)大于1.05，說明試件尺寸對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響比普通混凝土的大；試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，尺寸效應(yīng)隨著孔隙率增大而趨于明顯。徐仁崇等[18]采用的成型方式與Chen等[8]的不同，但是也得到了相似的結(jié)論。Kunieda等[19]研究了試件尺寸對(duì)透水混凝土抗折強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，透水混凝土抗折強(qiáng)度隨著梁高度的增加而降低，與普通混凝土趨勢(shì)類似；而梁長(zhǎng)度對(duì)透水混凝土抗折強(qiáng)度的影響則與普通混凝土不同。因此，應(yīng)當(dāng)對(duì)透水混凝土的“尺寸效應(yīng)”進(jìn)行系統(tǒng)研究，重新標(biāo)定相應(yīng)的尺寸系數(shù)。

3 透水混凝土孔隙率試驗(yàn)方法

透水混凝土內(nèi)主要有連通、半連通以及封閉3種類型的孔隙，其中只有連通孔隙能夠起到透水作用，半連通孔隙只能起到儲(chǔ)水作用，封閉孔隙則對(duì)透水完全沒有貢獻(xiàn)?？紫堵实亩x主要有2種[20]：將對(duì)透水有貢獻(xiàn)的孔隙在透水混凝土體積中的占比稱為有效孔隙率，將全部孔隙在透水混凝土體積中的占比稱作全孔隙率。雖然透水混凝土的有效孔隙率與透水能力的關(guān)系更加密切，但是人們?cè)趯?duì)透水有貢獻(xiàn)的孔隙的理解上存在分歧。有的認(rèn)為，連通孔隙都能夠起到透水作用；有的則認(rèn)為，孔徑特別小的連通孔隙，由于表面張力存在，起不到透水作用。此外，透水混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，目標(biāo)孔隙率常采用全孔隙率。因此，一般指的孔隙率就是全孔隙率。目前，常用的透水混凝土孔隙率試驗(yàn)方法包括排水法、灌水法以及圖像分析法。

3.1 排水法

排水法依據(jù)阿基米德原理測(cè)試得到透水混凝土試件的外觀體積和固體體積，進(jìn)而計(jì)算得到體孔隙率。此方法對(duì)所測(cè)試件進(jìn)行抽真空密封，能夠精確測(cè)量出試件的外觀體積和固體體積，對(duì)設(shè)備的要求較高，常使用CoreLok真空密度測(cè)定儀進(jìn)行試驗(yàn)[1，5]。由于試件通常為規(guī)則體，試件外觀體積也可通過測(cè)量試件的外觀尺寸得到。有些文獻(xiàn)省略抽真空步驟，此時(shí)透水混凝土孔隙內(nèi)會(huì)殘留空氣，水不能完全滲透進(jìn)入孔隙內(nèi)，致使測(cè)得的固體體積偏大，計(jì)算得到的體孔隙率偏小。

3.2 灌水法

灌水法的依據(jù)是當(dāng)透水混凝土試件達(dá)到水飽和時(shí)，孔隙內(nèi)水的體積與孔隙體積相等，通過測(cè)量孔隙內(nèi)水的體積，即可獲得試件的孔隙體積，進(jìn)而計(jì)算得到透水混凝土的體孔隙率。此方法在應(yīng)用過程中，由于孔隙內(nèi)殘存空氣、水位不易控制，測(cè)得的孔隙體積可能偏大也可能偏小。

無論是排水法還是灌水法，透水混凝土試件烘干時(shí)，溫度選擇非常重要。烘干溫度低，則烘干所需時(shí)間長(zhǎng)，致使孔隙率試驗(yàn)的周期變長(zhǎng)；烘干溫度高，烘干時(shí)間短，但是有可能使試件原有孔隙結(jié)構(gòu)遭到破壞[21]。在測(cè)量透水混凝土的全孔隙率時(shí)，溫度一般選定為（105±5）℃，但是此時(shí)除凝膠水開始蒸發(fā)外，還存在部分水泥水化產(chǎn)物如C-S-H凝膠、AFm、AFt中的部分弱結(jié)合水的分解[22]，導(dǎo)致所測(cè)全孔隙率偏大。

3.3 圖像分析法

圖像分析法依據(jù)體視學(xué)原理進(jìn)行試驗(yàn)。體視學(xué)觀點(diǎn)認(rèn)為：對(duì)于隨機(jī)試件，試件的體積孔隙率與試件任意截平面圖像中孔隙面積百分比相等[23]。此方法的使用前提是試件滿足體視學(xué)各向均質(zhì)同性的要求，但是透水混凝土實(shí)際上并非各向均質(zhì)同性，所以采用此方法測(cè)得的孔隙率與體孔隙率相比存在一定偏差，根據(jù)圖像分析法測(cè)得的孔隙率往往大于體孔隙率[23-24]。在進(jìn)行圖像分析時(shí)，常通過閾值分離法將灰度圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像，將圖像中的孔隙和固體分離開來，閾值的選擇非常關(guān)鍵，選擇得不合適，會(huì)使計(jì)入統(tǒng)計(jì)的孔隙面積偏大或偏小，導(dǎo)致測(cè)得的孔隙率偏大或偏小。此外，像素固定時(shí)，圖片的尺寸越大，分辨率越小，圖像分析起來越困難；但是圖片尺寸減小，其代表性會(huì)比較差，因此圖片尺寸的選擇至關(guān)重要。

4 透水混凝土透水系數(shù)試驗(yàn)方法

透水系數(shù)是表征透水混凝土徑流處理能力的重要技術(shù)參數(shù)，也是透水混凝土進(jìn)行水力設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù)，故確保透水系數(shù)試驗(yàn)方法的科學(xué)性、先進(jìn)性和合理性至關(guān)重要。根據(jù)試驗(yàn)環(huán)境不同，透水系數(shù)試驗(yàn)方法可分為室內(nèi)試驗(yàn)法和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法。

4.1 室內(nèi)試驗(yàn)法

室內(nèi)測(cè)量透水混凝土透水系數(shù)的裝置根據(jù)設(shè)計(jì)原理不同，可分為基于達(dá)西定律的試驗(yàn)方法和基于質(zhì)量守恒定律的試驗(yàn)方法?；谶_(dá)西定律的試驗(yàn)裝置多從土力學(xué)測(cè)量土壤透水系數(shù)的裝置改進(jìn)而來，主要的測(cè)量方法可以分為定水頭法和落水頭法。

4.1.1 基于達(dá)西定律的試驗(yàn)方法

基于達(dá)西定律開發(fā)的透水混凝土透水系數(shù)測(cè)量裝置多種多樣，具有代表性的如圖5所示，圖5（a）為GB/T25993—2010《透水路面磚和透水路面板》和CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》用來測(cè)試透水磚或板和透水混凝土透水系數(shù)的定水頭裝置，通過式（2）計(jì)算透水混凝土的透水系數(shù)

式中：KT——水溫為T℃時(shí)試樣的透水系數(shù)，mm/s；

Q——時(shí)間t內(nèi)的滲出水量，mm3/s；

L——試樣厚度，mm；

A——試樣的截面積，mm2；

H——水位差，mm；

t——時(shí)間，s。

圖5（b）為ACI 522R-10推薦的由Neithalath等[25]開發(fā)的測(cè)試透水混凝土透水系數(shù)的落水頭裝置。先將閥門關(guān)閉，刻度筒灌滿水后將再閥門打開，記錄水從290mm水位降至70mm水位的時(shí)間t，這個(gè)過程重復(fù)3次，通過式（3）計(jì)算透水混凝土的透水系數(shù)：

式中：K——透水系數(shù)，mm/s；

a——上部量筒的截面積，mm2；

A——透水混凝土試樣的截面積，mm2；

L——透水混凝土試樣長(zhǎng)度，mm；

h0——開始計(jì)時(shí)的水柱高度，mm；

h——t時(shí)刻的水柱高度，mm；

t——水柱從h0降到h所用時(shí)間，s。

圖5 基于達(dá)西定律的透水儀

上述試驗(yàn)方法要滿足達(dá)西定律的使用條件。Bear[26]在前人研究基礎(chǔ)上得出，只有當(dāng)雷諾數(shù)Re介于1～10時(shí)，即流體流動(dòng)屬于層流時(shí)，達(dá)西定律才適用，此觀點(diǎn)得到大家的廣泛認(rèn)同。雷諾數(shù)Re是一個(gè)無量綱數(shù)，表示流體的慣性力和粘滯力之比，流體在多孔介質(zhì)中的雷諾數(shù)Re定義為：

式中：ρ——流體的密度，kg/m3；

q——比流量，mm/s；

d——多孔介質(zhì)的特征長(zhǎng)度，mm；

μ——流體的動(dòng)力黏度，Pa·s。

對(duì)于透水混凝土，其粗集料粒徑一般介于5～20 mm，孔隙尺寸介于 2～8 mm，水的流速一般為 0.2～0.54 cm/s[3]，20℃水的運(yùn)動(dòng)黏度為1.007×10-6Pa·s，由此可計(jì)算得到20℃水通過透水混凝土的雷諾數(shù)Re。以集料粒徑作為特征長(zhǎng)度，則9.9＜Re＜108；以孔隙尺寸作為特征長(zhǎng)度，則 3.99＜Re＜42?？梢钥闯觯?dāng)通過透水混凝土的水流速較大時(shí)，即會(huì)出現(xiàn)過渡流，一旦出現(xiàn)過渡流，達(dá)西定律將不再適用。因此采用上述試驗(yàn)方法時(shí)，要控制水的流速。而水力梯度越大，流速越大，流體越有可能超出層流范圍。將流體從層流開始進(jìn)入過渡流時(shí)的水力梯度定義為臨界水力梯度，水力梯度小于臨界水力梯度即可滿足達(dá)西定律的使用條件。ASTMD2434-68（2006）[27]認(rèn)為，低壓實(shí)度砂土的臨界水力梯度I值在0.2～0.3，高壓實(shí)度砂土的臨界水力梯度I值在0.3～0.5。透水混凝土的透水系數(shù)比砂土的透水系數(shù)高，所以其臨界水力梯度值應(yīng)更小。鄭木蓮[28]研究表明，透水混凝土的臨界水力梯度受到集料級(jí)配、水泥用量的影響。目前國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)文獻(xiàn)在測(cè)量透水混凝土或透水磚的透水系數(shù)時(shí)，都默認(rèn)或者假設(shè)水流的流動(dòng)屬于層流，很少通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1.2 基于質(zhì)量守恒定律的試驗(yàn)方法

楊靜等[4，6]開發(fā)的透水混凝土透水系數(shù)測(cè)量裝置是基于質(zhì)量守恒定律測(cè)量裝置的代表，裝置示意見圖6。通過式（5）計(jì)算透水系數(shù)K：

式中：K——透水混凝土的透水系數(shù)，mm/s；

H——水位從160 mm降至140 mm的水位差，mm；

t——水位從160 mm降至140 mm所用時(shí)間，s。

圖6 基于質(zhì)量守恒定律的透水儀

采用此裝置測(cè)量得到的透水系數(shù)是平均流速，與基于達(dá)西定律的透水系數(shù)物理意義不同。當(dāng)裝置內(nèi)水流通過透水混凝土試件的運(yùn)動(dòng)屬于層流時(shí)，可以采用式（6）與基于達(dá)西定律的透水系數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

式中：KD——基于達(dá)西定律的透水系數(shù)，mm/s；

K——基于質(zhì)量守恒定律的透水系數(shù)，mm/s；

I——水力梯度。

此裝置設(shè)備簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便易行?；袅羀29]采用類似裝置測(cè)試了水位間隔20 mm，水位從140 mm降至60 mm過程中透水混凝土的透水系數(shù)K，結(jié)果表明，隨著測(cè)試起始水位高度的升高，透水系數(shù)增大。因此，為了保證不同透水混凝土的透水系數(shù)之間能夠進(jìn)行比較，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)選擇相同的起始和終止水位高度。

無論是采用基于達(dá)西定律還是基于質(zhì)量守恒定律的試驗(yàn)方法，都應(yīng)防止側(cè)壁滲漏和試件自身的側(cè)表面滲流，盡量保證水流只從試件的上下表面進(jìn)出。通常采用鋼性壁和柔性壁相結(jié)合的方式防止側(cè)壁滲漏，通過在試件側(cè)表面涂抹石蠟、水泥漿或玻璃膠等方法解決側(cè)表面滲流的問題。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法

目前，常用的透水混凝土透水系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法有日本道路協(xié)會(huì)的透水儀法[30]和美國(guó)ASTMC1701/C1701M的單環(huán)滲透法[31]。日本道路協(xié)會(huì)的透水儀如圖7所示，透水量計(jì)算公式為：透水量（mL/15 s）=400 mL/t×15，其中 t為測(cè)量時(shí)間，通過測(cè)量量筒的內(nèi)徑，可以將透水量轉(zhuǎn)化為滲流速度。ASTM C1701/C1701M的單滲透環(huán)如圖8所示，可采用PVC、鋁等材料制作。試驗(yàn)時(shí)，水位高度控制在10～15 mm，根據(jù)式（7）計(jì)算透水系數(shù)：

式中：M——正式測(cè)量用水量，kg；

A——單滲透環(huán)所圍面積，mm2；

D——單滲透環(huán)內(nèi)徑，mm；

ρW——水的密度，kg/m3；

t——正式測(cè)量所用時(shí)間，s。

單環(huán)滲透法是一種準(zhǔn)定水頭試驗(yàn)方法，但是計(jì)算得到的并不是基于達(dá)西定律的透水系數(shù)而是平均流速，應(yīng)用的關(guān)鍵是選擇的測(cè)量位置要具有代表性。

透水混凝土通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得的透水系數(shù)之間是存在差異的，室內(nèi)試驗(yàn)得到的是飽和透水系數(shù)，透水混凝土在測(cè)量前已經(jīng)處于水飽和的狀態(tài)，且水流只從透水混凝土的上下表面流過，減少了橫向流產(chǎn)生的機(jī)會(huì)；而現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的則屬于半飽水透水系數(shù)，透水混凝土在試驗(yàn)前并未完全飽水，且無法避免橫向流的產(chǎn)生。

圖7 日本道路協(xié)會(huì)的透水儀

圖8 單環(huán)透水儀

5 透水混凝土抗凍性試驗(yàn)方法

Yang等[32]研究表明，透水混凝土的抗凍性與其水飽和度密切相關(guān)，只要透水混凝土的水飽和度不是特別高，其抗凍性就能夠滿足使用要求。透水混凝土的連通孔隙率高、孔隙尺寸大，水極易進(jìn)入孔隙內(nèi)，同時(shí)水在正常情況下也極易通過孔隙排走，致使透水混凝土很難達(dá)到水飽和[33-34]，從這方面來看，透水混凝土的抗凍性能會(huì)很好。但是當(dāng)透水混凝土的孔隙發(fā)生堵塞或其所處區(qū)域溫度在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)處于冰點(diǎn)以下時(shí)，孔隙內(nèi)水分難以排走，透水混凝土極易達(dá)到局部或整體水飽和，導(dǎo)致其抗凍性能急劇降低[33]。

目前常采用快凍法和慢凍法來評(píng)價(jià)透水混凝土的抗凍性?？靸龇▽儆凇八畠鏊凇?，以質(zhì)量損失率達(dá)5%或相對(duì)動(dòng)彈性模量下降至60%作為臨界指標(biāo)；慢凍法屬于“氣凍水融”，要求透水混凝土試件凍融循環(huán)25次后，試件抗壓強(qiáng)度損失率不超過20%，且質(zhì)量損失率不超過5%。透水混凝土試件的水飽和度在快凍法試驗(yàn)條件下為1，且在凍融循環(huán)過程中，透水混凝土內(nèi)不斷有水補(bǔ)充，加速了透水混凝土的劣化。在慢凍法試驗(yàn)條件下，透水混凝土試件的水飽和度受到試件從水中取出后的排水時(shí)間和排水方式的影響，試件排水時(shí)間短則殘留水分多，水飽和度相對(duì)較高，排水時(shí)間長(zhǎng)則相反；試件從水中取出后，維持原來的放置方式排水，試件內(nèi)殘留水分多，而傾斜試件排水后，剩余的主要是殘留在水泥石孔隙內(nèi)的水分。

諸多研究表明[35-36]，透水混凝土的凍融破壞屬于拉伸破壞。因此，采用能夠間接反映透水混凝土抗拉性能的抗折強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)要優(yōu)于抗壓強(qiáng)度。此外，由于透水混凝土屬于表面包裹有硬化水泥漿體的集料之間通過點(diǎn)接觸或面接觸形成的集合體，在凍融循環(huán)過程中，一旦局部出現(xiàn)破壞，則掉落的碎渣要比普通混凝土的多，致使凍融試件的質(zhì)量損失率增大，同時(shí)隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，裂紋的擴(kuò)展數(shù)目增多，凍融循環(huán)試件的吸水性增大，又會(huì)使試件的質(zhì)量損失率降低，所以應(yīng)當(dāng)重新建立質(zhì)量損失率與強(qiáng)度損失率之間的對(duì)照關(guān)系。目前對(duì)于透水混凝土在實(shí)際凍融循環(huán)條件下的抗凍性能研究較少，也沒有建立起室內(nèi)試驗(yàn)臨界指標(biāo)與實(shí)際凍融破壞之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

6 結(jié)語

綜述了透水混凝土的工作性、強(qiáng)度、孔隙率、透水系數(shù)以及抗凍性的試驗(yàn)方法。工作性試驗(yàn)方法包括目測(cè)法和量化評(píng)價(jià)方法，在實(shí)際應(yīng)用中，兩者應(yīng)互相結(jié)合；強(qiáng)度試驗(yàn)方法需考慮“尺寸效應(yīng)”對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，同時(shí)試件應(yīng)當(dāng)采用平板振動(dòng)器從試件上表面振動(dòng)的方法成型；透水混凝土孔隙率試驗(yàn)方法測(cè)得的包括體孔隙率和面孔隙率，其中排水法和灌水法測(cè)得的是體孔隙率，圖像分析法測(cè)得的是面孔隙率，面孔隙率通常大于體孔隙率；透水系數(shù)試驗(yàn)方法包括室內(nèi)試驗(yàn)法和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法，兩者之間存在差異，前者測(cè)得的是飽和透水系數(shù)，后者測(cè)得的是半飽和透水系數(shù)，其中室內(nèi)試驗(yàn)法包括基于達(dá)西定律和質(zhì)量守恒定律的試驗(yàn)方法，基于達(dá)西定律的試驗(yàn)方法需要滿足水的流動(dòng)屬于層流的條件；常采用快凍法和慢凍法評(píng)價(jià)透水混凝土的抗凍性，但是兩種方法都不能很好地模擬透水混凝土的實(shí)際凍融循環(huán)過程。