衛(wèi)亞洲，冀榮慶

（河南省濮衛(wèi)高速公路有限公司，河南濮陽 457000）

0 引言

透水混凝土作為生態(tài)環(huán)保型建筑材料越來越廣泛地應用在城市建設中。透水混凝土具有良好的水文特性［1］，可減少洪水徑流并形成天然的排水系統(tǒng)，在緩解城市積水和改善地下水水質(zhì)的同時，還可使空氣中的熱量與水有效交換，緩解“熱島效應”［2］。透水混凝土以其內(nèi)部孔隙實現(xiàn)透水性，但同時降低了結(jié)構(gòu)強度，其強度普遍低于普通混凝土且耐久性差［3］，這嚴重限制了透水混凝土的推廣應用。

關(guān)于透水混凝土的配合比設計方法及性能研究，國內(nèi)外已開展了一定的研究工作［4-6］。透水混凝土的力學性能與原材料性能、空隙率以及骨料與膠凝材料或漿體間的黏結(jié)強度有關(guān)［7-8］，而透水性主要取決于混凝土的空隙率。研究表明：適當?shù)纳奥士梢栽龃蠊橇祥g的黏結(jié)面面積［9］，進而提升透水混凝土的力學性能。調(diào)整骨料間堆積狀態(tài)，改變其堆積密實度對混凝土的力學性能和透水性也有重要影響［10］。然而目前透水混凝土主要基于體積法進行配合比設計［11］，這是一種不考慮砂且主要根據(jù)粗骨料堆積密度確定骨料用量的配合比設計方法，無法充分發(fā)揮砂以及粗骨料間的堆積效應。此外，體積法的主要設計參數(shù)為目標空隙率和水膠比［12］，無法靈活調(diào)整骨料與膠凝材料的比例（骨膠比），因此無法充分考慮其對水泥混凝土性能的作用，如骨料與漿體的界面黏結(jié)強度［13］。

基于此，本文在配合比設計時考慮砂率、骨膠比的影響，對傳統(tǒng)配合比設計方法——體積法進行了改進。并基于改進的配合比設計方法，研究了砂率、骨膠比、養(yǎng)護方式對透水混凝土力學性能和透水系數(shù)的影響，建立了力學性能和透水系數(shù)的關(guān)系，同時測定了混凝土的有效空隙率，解釋了其力學性能和透水性變化的原因。

1 試驗概況

1.1 原材料

水泥采用P·O42.5 硅酸鹽水泥；礦物摻合料為硅灰；粗骨料為石子和陶粒體積比2∶1 的混合骨料，其中石子為玄武巖碎石，陶粒為頁巖陶粒（1 h 吸水率為5%）；細骨料為陶砂，骨料物理性能見表1；外加劑為聚羧酸系高效減水劑，減水率為25%～35%。

表1 骨料物理性能

1.2 配合比設計

研究砂率、骨膠比、養(yǎng)護方式3 個因素對透水混凝土性能的影響，每個因素均設定6 個水平，具體見表2，其中對照組的砂率為10%、骨膠比為2.7，養(yǎng)護條件為標準養(yǎng)護。各組透水混凝土的目標空隙率均為10%，水膠比均為0.17。透水混凝土配合比如表3所示。

表2 試驗影響因素及水平

表3 透水混凝土配合比

1.3 試驗方法

1.3.1 成型工藝

透水混凝土的攪拌工藝采用“水泥裹石法”：①在2 min 內(nèi)將經(jīng)過預濕處理的粗細骨料攪拌均勻，之后與含有水泥、硅灰的混合粉體繼續(xù)攪拌3 min；②在拌和物中加入1/3 的水攪拌2 min，并另取1/3 的水與減水劑充分混合后倒入拌和物中繼續(xù)攪拌；③將剩余水倒入，人工攪拌5 min 左右，使粗骨料表面完全被水泥漿均勻包裹。

試驗成型方式為“人工插搗+一次機械振動（時間為3 s）”。養(yǎng)護方式分別采用20～60 ℃的水養(yǎng)護和標準養(yǎng)護，以研究養(yǎng)護方式對透水混凝土性能的影響。

1.3.2 抗壓強度

根據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2002）［14］測試透水混凝土3 d、7 d、28 d 的抗壓強度（圖1）。

圖1 透水混凝土抗壓強度測試

1.3.3 透水系數(shù)

采用圖2 自制透水系數(shù)測定儀測定混凝土的透水系數(shù)。透水混凝土試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。

圖2 透水混凝土透水系數(shù)測定裝置示意圖（單位：mm）

透水系數(shù)測定步驟：①對透水混凝土側(cè)面進行滾蠟和保鮮膜密封包裹處理；②將透水方筒套在試塊頂部，用橡皮泥密封試塊與方筒的接口，并將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，水位始終維持在溢流口位置，測定試塊的透水系數(shù)。

測得平均水頭70 mm 下透水混凝土試塊的滲流速度，用以表征其透水性。透水系數(shù)的計算公式為：

式中：K為透水系數(shù)（mm/s）；Q為t時間內(nèi)的滲出水量（mL）；L為試塊厚度（cm）；A為試塊的上表面積（cm2）；H為水位差（cm），取7 cm；t為滲流時間（s）。

2 結(jié)果與討論

2.1 考慮砂率和骨膠比的配合比設計

透水混凝土多采用體積法進行配合比設計［11］。體積法根據(jù)骨料堆積密度確定骨料用量，通過預設空隙率保證混凝土透水性并確定1 m3體積下水泥漿體的體積，進而根據(jù)水灰比確定水泥和水的體積。由于骨料用量僅取決于其堆積密度，使得體積法無法充分發(fā)揮粗細骨料間堆積效應以及骨膠比（或骨漿比）等參數(shù)對透水混凝土性能的影響。

基于此，本文在配合比設計時以體積法為基礎引入砂率和骨膠比，以目標空隙率、水膠比、砂率、骨膠比為設計參數(shù)，通過預設目標空隙率保證混凝土的透水性，并調(diào)整各個參數(shù)以滿足透水混凝土的力學性能要求。改進的1 m3透水混凝土配合比設計方法如下：

設定1 m3透水混凝土的目標空隙率為P，則原材料體積與P的關(guān)系可用下式表示：

式中：mG、mT、mS分別為1 m3透水混凝土中石子、陶粒、陶砂的質(zhì)量（kg）；ρG、ρT、ρS分別為對應骨料的表觀密度（kg/m3）；Vj為水泥-硅灰復合漿體體積（m3）；P為目標空隙率（%）；Vb、Vw分別為膠凝材料和水的體積（m3）。

骨料與膠凝材料總量的比例用骨膠比β表示：

砂子與骨料的比例用砂率S表示：

設混合骨料中碎石體積（VG）與陶粒體積（VT）之比為a∶b（本文為2∶1），在目標空隙率、骨膠比、水膠比、砂率4 個參數(shù)確定后，聯(lián)立式（3）、（4）與式（2）即可得到各材料用量，從而確定試驗配合比。改進的配合比設計方法考慮了砂子和骨膠比對透水混凝土性能的影響，且計算方法簡便準確?；诟倪M的配合比設計方法，下文研究砂率、骨膠比、養(yǎng)護方式對透水混凝土性能的影響。

2.2 砂率對透水混凝土抗壓強度、透水系數(shù)影響

圖3 為透水混凝土抗壓強度、透水系數(shù)隨砂率的變化。

圖3 砂率對透水混凝土抗壓強度、透水系數(shù)的影響

由圖3（a）可知：不同齡期的透水混凝土抗壓強度均隨砂率的增加先增大后減小，且均在15%砂率時達到峰值。這是因為初始摻入一定量砂子填充了粗骨料之間的空隙，增加了骨料間的接觸面積，提升了骨料間的堆積密實度和相互作用［15］，進而提升了混凝土的抗壓強度。但當砂率高于15%，砂含量較高時，繼續(xù)增加砂率降低了透水混凝土的抗壓強度，這可能是因為砂率為15%時混凝土已達到了較好的顆粒堆積狀態(tài)，繼續(xù)增加砂子反而不利于骨料間的堆積填充［16］；同時由于砂子的比表面積大于石子的比表面積，提高砂率增大了骨料的總比表面積，減小了包裹骨料的水泥漿厚度［17］，從而減弱了其對骨料的膠結(jié)作用，導致其抗壓強度逐漸下降。

隨齡期的增加，不同砂率的透水混凝土其抗壓強度均逐漸增加。因為水泥顆粒的水化程度隨時間的延長不斷增大，生成的C—S—H 凝膠含量也逐漸增加。研究表明：C—S—H 凝膠是水泥混凝土形成強度的主要部分［18］，因此隨著齡期的增加，混凝土的抗壓強度逐漸提高。

由圖3（b）可以看出：隨砂率的增加，透水系數(shù)先減小后增大，砂率為15%時，混凝土的透水系數(shù)最小。砂率小于15%時，混凝土的透水系數(shù)變化較小，而砂率大于15%時，隨砂率增加，透水系數(shù)顯著增加。透水混凝土的透水系數(shù)與其空隙率密切相關(guān)，而空隙率又與顆粒間的堆積密實度相關(guān)。研究表明：當小顆粒的量少于大顆粒時，增加小顆粒有助于顆粒堆積，可提高顆粒群整體密實度，此時小顆粒發(fā)揮“填充效應”；若繼續(xù)增加小顆粒，則此時小顆粒發(fā)揮“楔入效應”，將降低顆粒群整體密實度［16］。同時由于砂的密度小于石子，增加砂率提高了骨料整體的體積，而骨料與漿體的總體積是一定的，因此增加砂率不僅增大了骨料的體積同時減小了漿體的體積，進而減少了骨料間填充的漿體體積，增加了混凝土的空隙率。這解釋了砂率較大時，透水混凝土透水系數(shù)增大的現(xiàn)象。

結(jié)合圖3（a）、（b）可知：砂率為15%時，相比于未摻砂子及砂率為10%的透水混凝土，其透水系數(shù)僅有輕微的減小而抗壓強度則明顯提高，抗壓強度超過30 MPa，透水系數(shù)保持為6 mm/s 左右。因此15%的砂率可在輕微影響透水混凝土透水性的同時顯著提高其抗壓強度，可推薦在配合比設計中使用15%的砂率。

2.3 骨膠比對透水混凝土抗壓強度、透水系數(shù)影響

圖4 為透水混凝土抗壓強度、透水系數(shù)隨骨膠比的變化。

圖4 骨膠比對透水混凝土抗壓強度、透水系數(shù)的影響

由圖4（a）可知：不同齡期的透水混凝土抗壓強度均隨骨膠比的增加而降低。透水混凝土的抗壓強度除了與原材料本身的強度有關(guān)，還與骨料和膠凝材料之間的黏結(jié)強度有很大的關(guān)系，一定范圍內(nèi)增加骨膠比，骨料之間黏結(jié)面的厚度相對變薄，黏結(jié)強度降低［13］，透水混凝土的抗壓強度隨之下降。此外，骨膠比從2.7 增加到3.5，3 d、7 d、28 d 齡期的抗壓強度分別降低了67.2%、67.1%、65.9%，沒有明顯的差別。

由圖4（b）可知：透水混凝土的透水系數(shù)隨骨膠比的增加而增大。這與骨膠比增加，混凝土抗壓強度降低的原因相似。水膠比相同時，骨膠比的增加使得混凝土中漿體體積及其后期水化產(chǎn)物的量均減少，從而無法充分填充骨料之間的空隙，降低了混凝土的密實度，增大了混凝土的空隙率和透水系數(shù)。結(jié)合圖4（a）、（b）可知：骨膠比為3.0～3.1 時，透水混凝土的透水系數(shù)可明顯提升至6.31～8.25 mm/s，且28 d 抗 壓 強 度 在20 MPa 左 右，能 滿 足 工程 應 用 要 求［11，19］，且 兼 顧 混 凝 土 的 抗 壓 強 度 和 透水性。

2.4 養(yǎng)護方式對透水混凝土抗壓強度、透水系數(shù)影響

不同養(yǎng)護方式改變了混凝土所處的溫濕環(huán)境，從而對水泥水化有重要影響，進一步影響了混凝土的性能。相比普通混凝土，透水混凝土因內(nèi)部具有孔隙，增加了與空氣、水的接觸面積，從而對養(yǎng)護條件更為敏感［20］。圖5 為養(yǎng)護方式對透水混凝土性能的影響。

圖5 養(yǎng)護方式對透水混凝土抗壓強度、透水系數(shù)的影響

由圖5 可知：各養(yǎng)護條件下，隨齡期的增加透水混凝土的抗壓強度均逐漸增加，正如前文所述，隨著齡期的增加，混凝土中生成的C—S—H 凝膠數(shù)量和強度均不斷增長［21］，從而增加了透水混凝土的抗壓強度。隨著水養(yǎng)護溫度的增加，混凝土的抗壓強度先增加后減小，20 ℃、30 ℃、40 ℃水養(yǎng)護的混凝土3 d、7 d、28 d 抗壓強度均高于標準養(yǎng)護，而50 ℃、60 ℃水養(yǎng)護的混凝土3 d、7 d、28 d 抗壓強度均低于標準養(yǎng)護。這是因為混凝土的抗壓強度與水泥的水化密切相關(guān)，一定范圍內(nèi)提高水養(yǎng)護溫度可以促進混凝土中水泥顆粒等膠凝材料的水化，從而在較短的時間內(nèi)生成更多的C—S—H 凝膠［22］，進而提高混凝土的抗壓強度。但當水養(yǎng)護溫度過高時，水泥水化的速率過快導致水化產(chǎn)物來不及擴散，透水混凝土內(nèi)部孔隙得不到足夠的填充，內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，從而降低了透水混凝土的抗壓強度［23］。

由圖5 可知：隨著水養(yǎng)護溫度的提高，混凝土的透水系數(shù)先降低后增加，40 ℃時水養(yǎng)護的混凝土透水系數(shù)最小。20 ℃、30 ℃、40 ℃水養(yǎng)護的混凝土透水系數(shù)低于標準養(yǎng)護，50 ℃、60 ℃水養(yǎng)護的混凝土透水系數(shù)高于標準養(yǎng)護。結(jié)合圖5（a）、（b）可知：40 ℃水養(yǎng)護的透水混凝土顯著提高了28 d 抗壓強度，但也明顯降低了混凝土的透水系數(shù)。而50 ℃水養(yǎng)護的透水混凝土可在輕微損失28 d 抗壓強度的條件下保證混凝土的透水系數(shù)?？偟膩碚f，相比于標準養(yǎng)護，高溫水養(yǎng)護并不是改善透水混凝土綜合性能（抗壓強度和透水性）的有效手段。

結(jié)合圖3～5 可知：采用改進的配合比設計方法，可制備抗壓強度超過30 MPa、透水系數(shù)6 mm/s 左右或抗壓強度20 MPa 左右、透水系數(shù)接近8 mm/s 的性能優(yōu)良的透水混凝土，證明了改進的配合比設計方法的有效性。

2.5 透水混凝土透水系數(shù)、28 d 抗壓強度與有效空隙率關(guān)系

由前文分析可知：不同影響因素下（砂率、骨膠比、養(yǎng)護方式）透水混凝土的抗壓強度基本與透水系數(shù)的變化相反。圖6 建立了透水混凝土透水系數(shù)與28 d 抗壓強度的關(guān)系，可以看到：透水系數(shù)與28 d 抗壓強度成反比例關(guān)系，可用K=1/（0.047 8+0.004 02S）表示，其中K為透水混凝土的透水系數(shù)（mm/s）；S為透水混凝土28 d 抗壓強度（MPa）。

圖6 透水混凝土透水系數(shù)與28 d 抗壓強度關(guān)系

由于透水混凝土的空隙率可直接表征其透水性與強度的變化，本文基于重量法測定了透水混凝土的空隙率［24］。試件的有效空隙率可通過下式計算：

得到各組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隨砂率、骨膠比和養(yǎng)護方式的變化規(guī)律與透水系數(shù)一致。圖7 建立了透水系數(shù)、28 d 抗壓強度與有效空隙率的關(guān)系?？梢钥吹剑和杆禂?shù)與有效空隙率呈正指數(shù)相關(guān)；28 d 抗壓強度與有效空隙率呈負線性相關(guān)，這與期望的結(jié)果一致。對比圖7（a）、（b）可知：有效空隙率與透水系數(shù)的相關(guān)性高于其與抗壓強度的相關(guān)性，說明透水混凝土的有效空隙率更直接決定了其透水性，但也對抗壓強度有顯著的影響。總的來說，有效空隙率解釋了混凝土抗壓強度和透水性隨砂率、骨膠比和養(yǎng)護方式變化的原因。

圖7 透水系數(shù)、28 d 抗壓強度與有效空隙率的關(guān)系

3 結(jié)論

（1）在傳統(tǒng)配合比設計方法——體積法的基礎上引入了砂率、骨膠比兩個參數(shù)進行透水混凝土配合比設計，改進的設計方法計算簡便準確。

（2）砂率為15%時可在保證透水混凝土透水性的條件下顯著提高其抗壓強度；隨骨膠比增大，透水混凝土抗壓強度逐漸降低，透水系數(shù)逐漸增加，骨膠比為3.0～3.1 時可兼顧混凝土的抗壓強度和透水系數(shù)；相比于標準養(yǎng)護，高溫水養(yǎng)護不是改善透水混凝土綜合性能（抗壓強度和透水性）的有效手段。

（3）采用改進的配合比設計方法，可制備抗壓強度超過30 MPa、透水系數(shù)6 mm/s 左右或抗壓強度20 MPa 左右、透水系數(shù)接近8 mm/s 的性能優(yōu)良的透水混凝土，證明了改進的配合比設計方法的有效性。

（4）透水系數(shù)與28 d 抗壓強度明顯相關(guān)且成反比 例 關(guān) 系，可 用K=1/（0.047 8+0.004 02S）表 示。相比于抗壓強度，透水混凝土的有效孔隙率更直接決定了其透水性。有效空隙率解釋了混凝土抗壓強度和透水性隨砂率、骨膠比和養(yǎng)護方式變化的原因。