朱學(xué)文

（深圳市綠志新型建材研究院有限公司，深圳 518112）

隨著混凝土、瀝青等不透氣、不透水材料的廣泛使用，在道路變整潔、便利的同時(shí),由于大面積的不透水地面取代了原有的綠地生態(tài)地表，導(dǎo)致地表很難與環(huán)境進(jìn)行熱量、水分交換，引致地下水無補(bǔ)充，內(nèi)澇嚴(yán)重，地表沉陷頻發(fā)，城市熱島效應(yīng)加劇。透水混凝土因具有大量連續(xù)孔隙,在雨天能將部分雨水及時(shí)滲透至地表深層儲(chǔ)存。使用透水混凝土代替?zhèn)鹘y(tǒng)混凝土澆筑路面能有效消除城市熱島效應(yīng)［1］,減少內(nèi)澇，補(bǔ)充城市地下水，減少地表沉降，綠化環(huán)境，最大限度保護(hù)原有河湖水系生態(tài)體系。透水混凝土在海綿城市建設(shè)中可發(fā)揮不可替代的作用。

本文以單粒級(jí)骨料、水泥、細(xì)骨料、增強(qiáng)劑、減水劑、緩凝劑、增稠劑為原料，通過對(duì)細(xì)骨料、單方水泥用量適宜比率及緩凝劑、增稠劑的使用，成型工藝及物料狀態(tài)的控制，使得成型的透水混凝土兼具強(qiáng)度、透水率及耐久性的統(tǒng)一。

1 原理

透水混凝土為蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)，其組成的單粒級(jí)骨料構(gòu)成膠凝結(jié)構(gòu)的骨架。外層包裹的水泥凈漿或水泥砂漿層起粘結(jié)作用，粘結(jié)層間的大量粘結(jié)點(diǎn)圍構(gòu)成無數(shù)封閉、半封閉、連通（連續(xù)）孔隙結(jié)構(gòu)。這些孔隙統(tǒng)稱體積孔隙。體積孔隙率影響試件的強(qiáng)度及耐久性，可按標(biāo)準(zhǔn)CJJ/T 135-2009通過公式得出［2］。對(duì)透水功能起有效作用的是連續(xù)孔隙率。雨天時(shí)，雨水通過試件中的連續(xù)孔隙流至下方的土壤層，從而起到儲(chǔ)水、蓄水的作用。

圖1 透水混凝土結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗(yàn)

2.1 原材料

P.O42.5硅酸鹽水泥；細(xì)骨料：河砂（0-1.25mm）；粗骨料：5-10mm單粒級(jí)天然瓜米石；聚羧酸類高效減水劑；透水混凝土增強(qiáng)劑；保水劑：羥甲基纖維素醚；緩凝劑：葡萄糖酸鈉（工業(yè)級(jí)）；自來水。

2.2 基礎(chǔ)配方

按體積法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)、試拌，再根據(jù)預(yù)期的性能對(duì)配合比進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整，最終得到配比見表1。

表1 基礎(chǔ)配方

2.3 制備工藝

1）將用于拌合的單粒級(jí)瓜米石（5-10mm）骨料噴灑部分拌和用水至水飽和；

2）將用于拌合的細(xì)骨料（河砂）在攪拌狀態(tài)下加入上述骨料中并拌和至均勻；

3）噴灑部分拌和用水至混合料水飽和；

4）在攪拌狀態(tài)下將水泥徐徐加入上述骨料中并拌勻；

5）在攪拌狀態(tài)下將增強(qiáng)劑徐徐加入上述混合料中拌勻；

6）將溶有緩凝劑、減水劑的剩余拌和水在攪拌狀態(tài)下徐徐加入上述混合料中并拌勻；

7）在攪拌狀態(tài)下將粉狀增稠劑均勻噴灑至漿料表面并拌勻；

8）將漿料轉(zhuǎn)移至?？騼?nèi)，以振平尺將面層振平壓實(shí)；

9）以薄膜覆蓋面層，自然條件下養(yǎng)護(hù)至28天。

3 影響品質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)

透水混凝土成型、固化后，試體中存在體積孔隙，其中，連續(xù)孔隙率影響著透水性能，是表征透水混凝土透水功能的關(guān)鍵指標(biāo)。連續(xù)孔隙率越大,表明該透水混凝土透水功能越強(qiáng),越利于透水、蓄水,減少雨天地面徑流的能力越強(qiáng)。同一試體的連續(xù)孔隙率隨體積孔隙率的提高而增大。在試體較密實(shí)時(shí),體積孔隙率和連續(xù)孔隙率相差較大,體積孔隙以封閉及半封閉的孔隙為主。隨著體積孔隙率的提高,體積孔隙率和連續(xù)孔隙率的差值變小,趨向一致，此時(shí)體積孔隙率變?yōu)橐赃B續(xù)孔隙為主。同一試體的體積孔隙率與連續(xù)孔隙率的經(jīng)驗(yàn)值對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖2。

圖2 同一試體的體積孔隙率與連續(xù)孔隙率的經(jīng)驗(yàn)值對(duì)應(yīng)關(guān)系

連續(xù)孔隙率除與體積孔隙率有關(guān)外，也與鋪筑后面層拍壓方式及拍壓力度有關(guān)。鋪筑過程分層多次拍壓或單次拍壓力度過大，都會(huì)引起包裹層漿料橫向展沿，“截?cái)唷辈糠诌B續(xù)的孔隙，從而降低連續(xù)孔隙率。連續(xù)孔隙率可按CJJ/T253-2016標(biāo)準(zhǔn)中附錄A“透水水泥混凝土連續(xù)孔隙率試驗(yàn)方法”測(cè)得［3］。

4 影響品質(zhì)的材料因素

4.1 細(xì)集料

混凝土骨料的線性熱膨脹系數(shù)為（6～12）×10－6℃，水泥石的線型熱膨脹系數(shù)為（12～20）×10－6℃范圍內(nèi)［4］，兩者存在較大差異。在單粒級(jí)骨料中添加一定比率的細(xì)集料,可以改變單純以單粒級(jí)骨料成型的透水混凝土試體因使用水泥凈漿（硬化后為水泥石）作粘結(jié)層引致干縮或因環(huán)境溫差大導(dǎo)致漲縮不一而引起的試體開裂或強(qiáng)度衰退。將普通河砂過1.25mm方孔篩后得到的細(xì)集料少量摻入配比中,不會(huì)影響作為面層的透水混凝土單粒級(jí)骨料勻質(zhì)、規(guī)整、飽滿的粒型表觀，同時(shí)增加了粗骨料顆粒間的膠結(jié)面積，可提升試體抗壓強(qiáng)度及耐久性。隨著細(xì)集料比率的提高,粗骨料顆粒間的空隙被過多填充,會(huì)引起連續(xù)孔隙率降低,亦即透水系數(shù)降低，進(jìn)而影響透水功能，對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖3。

圖3 抗壓強(qiáng)度、連續(xù)孔隙率與細(xì)集料比率關(guān)系

圖3表明,在固定單粒級(jí)粗骨料及單方水泥用量（410.0千克/立方米）的情況下,連續(xù)孔隙率隨著細(xì)集料比率的增加呈顯著下降趨勢(shì)，抗壓強(qiáng)度則呈顯著增長趨勢(shì)。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，可根據(jù)預(yù)期的強(qiáng)度及連續(xù)孔隙率對(duì)細(xì)集料的摻用比率進(jìn)行確定。

4.2 單方水泥用量

天然瓜米石與普通碎石不同，極少有棱角或針片狀結(jié)構(gòu)，是近似圓形或橢圓型的規(guī)整顆粒。以其作骨架成型的透水混凝土的抗壓強(qiáng)度除來自顆粒間的嵌擠鎖結(jié)外，主要來自包裹層漿料結(jié)點(diǎn)間的粘接力，因此單方水泥用量對(duì)粘接抗壓強(qiáng)度至關(guān)重要。在固定細(xì)集料比率、水膠比及粗骨料材料用量下，通過體積法求得理論單方水泥用量，再以理論用量為基點(diǎn)向增、減兩個(gè)方向調(diào)整，考察不同水泥用量對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度及連續(xù)孔隙率的影響，進(jìn)而找到預(yù)期的強(qiáng)度與連續(xù)孔隙率的平衡點(diǎn)。單方水泥用量提高,增加了骨料間的膠結(jié)面積,利于強(qiáng)度的提高［5］,同時(shí)骨料的包裹層變厚,骨料顆粒間的孔隙被縮壓,損減了連續(xù)孔隙率，進(jìn)而降低透水系數(shù)。對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4。

圖4 水泥用量與抗壓強(qiáng)度、連續(xù)孔隙率關(guān)系

圖4表明，在固定水膠比（0.29）、骨料及細(xì)集料比率(12%)的情況下,隨著單方水泥用量的提高,抗壓強(qiáng)度呈明顯增長趨勢(shì)，連續(xù)孔隙率呈明顯降低趨勢(shì)。

4.3 緩凝劑

水泥水化速度受環(huán)境溫度影響大，溫度高時(shí)，水化速度快且拌和用水揮發(fā)快。透水混凝土是多孔的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，因而相比普通混凝土有更大的比表面積。作為反映工作性的重要指標(biāo)的塌落度值相比普通混凝土經(jīng)時(shí)損失更快。在減水劑中輔以緩凝成份（葡萄糖酸鈉），可以顯著延緩包裹層的水化反應(yīng)，降低塌落度經(jīng)時(shí)損失，改善鋪筑施工窗口。未摻減水劑、摻用減水劑、摻用減水劑輔以緩凝劑的三組試樣塌落度經(jīng)時(shí)損失見圖5。

圖5 塌落度經(jīng)時(shí)曲線

透水混凝土適宜的鋪筑塌落度控制范圍為35-65mm,使用減水劑輔以緩凝劑后可顯著改善透水混凝土的鋪筑操作時(shí)間。

4.4 增稠劑

透水混凝土出鍋后表面包裹的一層濕粘漿料在靜止或低速攪拌下因自重而下墜，會(huì)改變骨料表面包裹層厚度的均勻性，引起堵孔，造成強(qiáng)度及連續(xù)孔隙率的降低。

外露的包裹漿料中的水分揮發(fā)快，拍壓前包裹層如果因失水而致漿料干硬，在外力作用下極易剝落，影響顆粒間粘接。纖維素醚含有大量的極性基團(tuán)（羥基），因而親水、吸水。拌和后期，在攪拌狀態(tài)下對(duì)漿料表面噴灑霧狀含大量羥基的纖維素醚類增稠劑后，包裹層漿料內(nèi)尚未水化的部分拌和水被暫時(shí)吸附“儲(chǔ)存”起來，包裹層的漿料因而變得“濕粘且硬”，不易流變，對(duì)包裹漿料的顆粒起到很好的“造粒、定型”作用，避免包裹層過快干硬或流墜堵孔。因而獲得厚度更加均勻、穩(wěn)定的包裹層。骨料顆粒間既能良好粘結(jié),而又不會(huì)流墜堵孔。這部分被吸附的水雖處表層也不易揮發(fā)，這種吸附是物理作用，在后序固化期間會(huì)緩慢釋放出來供水泥繼續(xù)水化用。噴灑增稠劑與未噴灑增稠劑的幾組平行試體的連續(xù)孔隙率對(duì)比見圖6。

圖6 兩種不同拌和方式的試體連續(xù)孔隙率

噴灑增稠劑與未噴灑增稠劑的幾組平行試體的體積孔隙率對(duì)比見圖7。

圖7 兩種不同拌和方式的試體體積孔隙率

圖6與圖7表明，同一試體在不改變配比用料及加料順序等成型條件下，包裹層噴灑增稠劑后，體積孔隙率相對(duì)未噴灑增稠劑的試體有一定的降低，利于強(qiáng)度及耐久性的提升，同時(shí)連續(xù)孔隙率相比表面未噴灑增稠劑的試體則有顯著提高，利于透水功能的提升。

5 影響品質(zhì)的工藝因素

適宜的連續(xù)孔隙率可以保證強(qiáng)度與透水系數(shù)的平衡統(tǒng)一?？紫斗植嫉膭蛸|(zhì)性是保證強(qiáng)度與良好透水系數(shù)的關(guān)鍵。工程中常出現(xiàn)因漿料局部偏多或偏稀,鋪筑或成型后包裹在表層的漿料因自重下墜,引起試體下部過于密實(shí),上部較為空虛,引致孔隙分布不均,甚至底部封堵，雖有較高的體積孔隙率,也不會(huì)產(chǎn)生良好的整體透水效果?？刂瓶紫斗植嫉膭蛸|(zhì)性可以從以下方面著手。

5.1 拌合水加入方式

拌和用水宜分次加入或在原料混合均勻后在持續(xù)攪拌的狀態(tài)下徐徐加入。應(yīng)避免一次性或少次多量加入造成局部因加入拌和水過多引致局部漿料過稀，相應(yīng)部位過于密實(shí)，而其他部位因拌合水加入相對(duì)偏少導(dǎo)致該處過于“空虛”酥松，從而產(chǎn)生孔隙分布不均。

5.2 漿料的粘度控制

漿料出鍋粘度偏大易導(dǎo)致包裹層干硬,影響骨料間的粘結(jié),降低成型后試件強(qiáng)度，而粘度偏小易導(dǎo)致包裹漿料流變下墜,引致堵孔甚至封堵，進(jìn)而減小透水系數(shù)。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，除通過塌落度進(jìn)行精確控制外，也可輔以目視對(duì)出鍋漿料的粘度進(jìn)行初步判定。適宜的粘度是能保證漿料粘而不流、粘而不墜、足而不封、勻而不堵，既能保證骨料顆粒間的適度接觸粘結(jié)，又能保證骨料顆粒間適宜孔隙，筑就良好的透水通道，成型后的基體從而能獲得強(qiáng)度與透水功能的良好統(tǒng)一。

6 性能測(cè)試

將上述試件按GB/T 50081-2002、CJJ/T 135-2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果見表2，所測(cè)性能滿足相關(guān)要求。

表2 測(cè)試結(jié)果

圖8 孔隙率測(cè)試

圖9 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

圖10 抗壓曲線

7 代表工程

深圳布吉市政沿河工程見圖11和圖12。

圖11 透水測(cè)試

圖12 代表工程

8 結(jié)語

高品質(zhì)透水混凝土兼具透水功能、強(qiáng)度、耐久性的平衡統(tǒng)一。適宜的細(xì)集料及單方水泥用量是保證骨料顆粒間充分粘結(jié)及適宜孔隙通透的物質(zhì)基礎(chǔ)。緩凝劑、增稠劑的合理應(yīng)用是保證骨料顆粒間經(jīng)時(shí)有效粘結(jié)的輔助條件。鋪筑成型時(shí)加水方式、適宜粘度的控制在工藝上保證了漿料分布、包裹的勻質(zhì)性。統(tǒng)籌兼顧好材料、工藝等多方因素才能生產(chǎn)出高品質(zhì)透水混凝土，更好地服務(wù)于海綿城市建設(shè)。