孫 毅

（西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

透水混凝土路面不僅具有截天然降水、蓄養(yǎng)地下水、雪后無結(jié)冰不打滑保證行人及車輛安全、較強(qiáng)抗凍融等性能，還具有減少空氣飛塵、降低城市噪聲等環(huán)保作用，廣泛應(yīng)用在市政、園林、公園、人行道、體育場館、停車場、小區(qū)、商業(yè)廣場和文化設(shè)施等。本文基于透水混凝土的最佳配合比以及最佳粗骨料顆粒粒徑對透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和透水性能展開研究。

1 透水混凝土的研究成果與熱點(diǎn)

為了配制好透水混凝土，確保其性能和質(zhì)量，我們先來了解一下人們對透水混凝土研究取得的成果以及當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

長春工程學(xué)院吉林省水工程安全與災(zāi)害防治工程實(shí)驗(yàn)室尹志剛、張愷和劉松顏團(tuán)隊(duì)利用正交實(shí)驗(yàn)方法研究了硅灰摻量（3%、5%、7%）、偏高嶺土摻量（8%、10%、12%）與聚丙烯纖維體積摻量（1%、2%、3%）對透水混凝土力學(xué)性能、滲透性和耐久性的影響。正交試驗(yàn)結(jié)果表明，硅灰對透水混凝土的力學(xué)性能有顯著影響，纖維對透水混凝土的連續(xù)空隙率有顯著影響；得出推薦摻量為:硅粉和高嶺土的含量分別為7%和2%。凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果表明，透水混凝土的相對動彈性模量和抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，質(zhì)量損失率、連續(xù)空隙率和滲透系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大；透水混凝土凍融循環(huán)后的相對剩余抗壓強(qiáng)度與動彈性模量損傷度呈拋物線型下降的趨勢[1]。

江西永輝大學(xué)土木工程研究所研究認(rèn)為，漿膜厚度對透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)的影響最大；隨著粗骨料摻量的增加，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度降低，滲透系數(shù)先增大后減?。浑S著漿膜厚度的增加，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度等級增加，滲透系數(shù)降低；隨著水膠比的增加，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度先升高后降低，滲透系數(shù)波動；隨著硅灰取代率的增加，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度增加，滲透系數(shù)降低；通過優(yōu)化，最佳的透水混凝土抗壓強(qiáng)度為35.1MPa，滲透系數(shù)為1.8mm/s，適用于輕載道路；最佳透水系數(shù)的透水混凝土抗壓強(qiáng)度為26.7MPa，透水系數(shù)為3.6mm/s，適用于人行道、非機(jī)動車道等[2]。

龔祚、胡亞軍、黃鑫等為了平衡透水混凝土應(yīng)用于人行道所需的強(qiáng)度和海綿城市要求的透水性能，從試驗(yàn)配合比入手，對透水混凝土的物理性能進(jìn)行了分析評價(jià)，并基于最優(yōu)配合比，結(jié)合暴雨強(qiáng)度和透水模型等對預(yù)制裝配式透水混凝土板用于人行道時(shí)的厚度進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：結(jié)合上海市的降雨強(qiáng)度，根據(jù)確定的人行道結(jié)構(gòu)層厚度計(jì)算方法，得出裝配式透水混凝土面板厚度的取值區(qū)間為13.11～21.3cm；綜合考慮強(qiáng)度等因素，推薦上海地區(qū)預(yù)制裝配式透水混凝土板用于人行道時(shí)的厚度按15cm設(shè)計(jì)[3]。

沈乾洲、丁華柱、舒揚(yáng)波等利用天然骨料、廢棄混凝土、廢棄砂漿以及廢棄道路磚，以相同配合比配制透水混凝土，研究了透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和滲透性。結(jié)果表明，用廢棄混凝土制備的再生骨料透水混凝土的力學(xué)性能和透水性均優(yōu)于用天然骨料制備的再生骨料透水混凝土。加入硅粉后，其28d抗壓強(qiáng)度可達(dá)24.1MPa，透水系數(shù)為4.1mm/s，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。由廢砂漿和廢路磚制成的再生骨料透水混凝土力學(xué)性能較差，但透水性較好[4]。

1979年，美國首次使用透水混凝土建造具有透水功能的停車場，并獲得透水混凝土發(fā)明專利；自20世紀(jì)80年代以來，透水混凝土已廣泛應(yīng)用于日本實(shí)施的“雨水滲透計(jì)劃”；德國自20世紀(jì)80年代以來一直致力于路面的透水改造，并計(jì)劃在2010年完成城市路面的透水改造。我國對透水混凝土的研究始于20世紀(jì)90年代，目前國內(nèi)的研究工作主要集中在水泥基透水磚的性能和砌塊設(shè)計(jì)上，而對路面的水力設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和長期使用性能的研究較少[5]。

從以上的研究報(bào)道中可以看出，目前透水混凝土的研究熱點(diǎn)是：（1）摻入一些硅灰、偏高嶺土等材料，研究對透水混凝土的抗壓強(qiáng)度以及透水性能的影響；（2）研究透水混凝土滿足現(xiàn)場施工要求的最佳配合比、最小鋪裝厚度等；（3）研究透水混凝土的材料，比如：粗骨料配比對透水混凝土的影響，或水泥漿膜厚度對透水混凝土的影響，或?qū)δ承U棄混凝土制備的再生骨料透水混凝土的力學(xué)性能和滲透性的研究。

2 透水混凝土對原材料的選擇

2.1 水泥

應(yīng)使用強(qiáng)度等級不低于42.5級的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，其質(zhì)量應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《普通硅酸鹽水泥》（GB175-2007）。本實(shí)驗(yàn)采用P·O42.5水泥，該水泥的性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥性能指標(biāo)

2.2 粗骨料

用于透水混凝土的碎石必須堅(jiān)硬干凈，粒徑5～16mm。碎石的性能指標(biāo)應(yīng)符合《建筑用卵石和碎石》（GB/T14685），本規(guī)范中的二級要求見表2[6]。

表2 粗骨料的性能指標(biāo)

2.3 外加劑

本次實(shí)驗(yàn)使用的外加劑有發(fā)泡水泥增強(qiáng)劑和穩(wěn)泡劑。

增強(qiáng)劑的化學(xué)成分及其性能指標(biāo)見表3和表4。穩(wěn)泡劑的化學(xué)成分見表5。

表3 增強(qiáng)劑的化學(xué)成分

表4 增強(qiáng)劑的性能指標(biāo)

表5 穩(wěn)泡劑的化學(xué)成分

泡沫穩(wěn)定劑的主要性能是：在砂漿中具有保水和增稠作用，可以提高新拌混凝土漿體的流動性和成型體的體積穩(wěn)定性，降低硬化體的密度，使其具有一定的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度。

3 透水混凝土的配合比計(jì)算

已知粗骨料的表觀密度為2500kg/m3，堆積密度為1500kg/m3，堆積的空隙率為40%；P·O42.5普通硅酸鹽水泥的表觀密度為2.88×103kg/m3；水的表觀密度為1000kg/m3；取透水混凝土的目標(biāo)空隙率為15%，則有：

1m3混凝土中粗骨料的質(zhì)量為：骨料的用量可以參考其堆積密度的數(shù)值，考慮到實(shí)際生產(chǎn)使用中的因素，可以按照規(guī)程《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》（CJJT 135—2009）規(guī)定乘以系數(shù)0.98[7]。所以5～16mm碎石用量為：1500kg/m3×0.98=1470kg/m3。

粗骨料的體積為：1470/2500=0.59m3。

然后根據(jù)0.59+15%+Mc/2880+Mω/1000=1這個(gè)公式就可以得到水泥與水的質(zhì)量。

外加劑的用量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)摻量為水泥用量的1%。

根據(jù)以上可得本實(shí)驗(yàn)的配合比如表6所示。

表6 實(shí)驗(yàn)配合比

4 透水混凝土性能研究

4.1 透水混凝土試件的抗壓強(qiáng)度檢測

4.1.1 試件不同水灰比與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

《普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法》(GB/T50081-2002)規(guī)定，將混凝土制作成邊長150mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試件，規(guī)范又規(guī)定當(dāng)試件尺寸是邊長為100mm的非標(biāo)準(zhǔn)立方塊時(shí)，由于試件的尺寸較小，測得其強(qiáng)度結(jié)果偏大，故在換算為標(biāo)準(zhǔn)立方體試件強(qiáng)度測定結(jié)果時(shí)，應(yīng)乘以換算系數(shù)0.95；本次實(shí)驗(yàn)采用100mm×100mm×100mm的試塊，在壓力試驗(yàn)機(jī)下所測得的數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 透水混凝土不同水灰比與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

由圖1可知：透水混凝土抗壓強(qiáng)度在水灰比0.25～0.3的區(qū)間是上升了1.6MPa，水灰比0.30～0.45這個(gè)區(qū)間是呈現(xiàn)下降的趨勢，下降了5.2MPa。水灰比在低于0.3倍時(shí)的任何一種時(shí)候，透水混凝土材料的抗壓強(qiáng)度也會明顯升高，是由于混凝土結(jié)構(gòu)在逐漸趨近一個(gè)相對最佳值的水灰比值時(shí)引起的結(jié)構(gòu)變化過程，粗骨料表面能更加充分地布滿水泥漿，膠凝材料與粗骨料之間的黏結(jié)力增強(qiáng)，所以試件的抗壓強(qiáng)度就增大。當(dāng)水灰比高于0.3的時(shí)候，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢，因?yàn)楫?dāng)水灰比較大時(shí)，混凝土混合物中的水泥顆粒相對較少，顆粒之間的距離較大，水化產(chǎn)生的膠體不足以填補(bǔ)顆粒之間的空隙，進(jìn)而所形成的混凝土試件的抗壓強(qiáng)度也就隨之下降。

4.1.2 試件不同粗骨料粒徑與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

根據(jù)國標(biāo)《普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法》（GB/T50081-2002）[8]所記載的檢測試件的方法對試件進(jìn)行了檢測，其抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值如圖2所示。

圖2 透水混凝土不同骨料粒徑與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

由圖2分析可知，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度整體形態(tài)上看是會隨著水泥骨料粒徑尺寸的相對增大而相對降低。粒徑從6mm逐步增大到9mm時(shí)，混凝土制品的整體抗壓強(qiáng)度僅下降了約1.25%，從直徑9mm增至直徑13mm，抗壓強(qiáng)度下降近2.52%，從外徑13mm增加到16mm時(shí)，試件整體的抗壓強(qiáng)度只下降了大約3.02%，可見將來隨著粗骨料粒徑尺寸的繼續(xù)增大，混凝土試件的整體抗壓強(qiáng)度下降的幅度可能越來越大。這應(yīng)該是由于骨料粒徑的進(jìn)一步增加，骨料顆粒之間的空隙率也在隨之增加，而填充水泥漿時(shí)間是相對延長的，水泥漿卻并不能夠完全充分有效地將骨料粒之間的空隙完全地填充，從而使試件中的空隙率也隨著增大。

4.2 透水混凝土試件空隙率的檢測

4.2.1 空隙率的檢測方法

透水混凝土主要的性能之一就是透水性，由于透水混凝土的透水性比較大，只能通過測試件孔隙率來反應(yīng)透水混凝土的透水性能，因此在實(shí)驗(yàn)中采用掛籃實(shí)驗(yàn)測得透水混凝土的空隙率。分別測定試件侵泡于水中24h后的質(zhì)量m1，然后測定試件在60℃的烤箱中烘烤24h后的質(zhì)量m2。通過以下公式得到試件的空隙率ne:

式中：

m2——混凝土試件從水中拿出后在60℃的烤箱中烘烤24h后的質(zhì)量，g；

m1——混凝土試件在水中侵泡24h測得的質(zhì)量，g；

v——試件的體積，cm3；

ρω——水的密度，g/cm3。

4.2.2 試件不同水灰比與空隙率的關(guān)系

透水混凝土不同水灰比與空隙率的關(guān)系見圖3。

圖3 透水混凝土不同水灰比與空隙率的關(guān)系

由圖3分析可知，透水混凝土的空隙率整體上是隨著水灰比的增大而上升。水灰比從0.25增加到0.30時(shí)，試件的隙率上升了0.8%；水灰比從0.30增加到0.35，空隙率上升了0.6%；水灰比從0.35增加到0.40時(shí)，空隙率上升了0.3%；水灰比從0.40增加到0.45時(shí)，空隙率上升了0.2%。總體上看，空隙率將隨著混凝土水灰比逐漸增大而上升，這通常是由于水灰比較大時(shí)，混凝土拌合物孔隙中含水泥顆粒數(shù)相對會較少，顆粒間距離就較大，水化后形成的混凝土膠體將不足以填充混凝土顆粒層間出現(xiàn)的空隙,從而混凝土的空隙率就上升了。

4.2.3 試件不同粗骨料粒徑與空隙率的關(guān)系

透水混凝土不同骨料粒徑與空隙率的關(guān)系見圖4。

圖4 透水混凝土不同骨料粒徑與空隙率的關(guān)系

由圖4分析可知，透水混凝土的空隙率整體上是隨著試件粗骨料粒徑的增大而上升。粒徑從6mm增加到9mm，空隙率上升了0.7%；粒徑從9mm增加到13mm，空隙率上升了0.9%，粒徑從13mm增加到16mm，空隙率上升了0.6%。試件內(nèi)部的空隙率將會隨著粗骨料中粒徑的增大而上升，這是由于細(xì)骨料粒徑的繼續(xù)增加，骨料粒之間填充的空隙量也必然隨之繼續(xù)增加，而填充水泥漿是有一定局限性的，水泥漿不能將細(xì)骨料顆粒之間存在的微小空隙完全地填充，從而使試件中的空隙率必然隨著增大。

5 結(jié)束語

本文研究透水混凝土在不同水灰比、不同骨料粒徑對混凝土抗壓強(qiáng)度以及空隙率性能的影響，得出以下結(jié)論：

（1）透水混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著混凝土水灰比的逐步增大，一般是先緩慢增大而后慢慢降低；透水混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著水泥骨料粒徑的進(jìn)一步增大而顯著降低；

（2）透水混凝土的空隙率隨水灰比的增加而增加，但空隙率的增加趨勢隨水灰比的增加而逐漸平緩；透水混凝土的空隙率隨骨料粒徑的增大而增大；

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最優(yōu)水灰比在0.3～0.35，骨料粒徑在9～13mm；混凝土最佳配合比是水泥∶粗骨料∶水∶外加劑=402∶1470∶121∶4.02，均可以測得透水混凝土28d試件的抗壓強(qiáng)度在20MPa以上，空隙率在11%～17%之間，滿足實(shí)驗(yàn)的要求。