海綿城市用透水混凝土的研制與工程應(yīng)用

吳克雄 ，錢立兵 ，覃吉云 ，李順凱 ，陳雍雍 ，駱晚玥

（1.中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430000；2.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護加固技術(shù)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430000；3.中交二航局第一工程有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展以及水資源的缺乏，海綿城市的概念被提出[1]，2015年10月，國務(wù)院辦公廳發(fā)布了《關(guān)于推進海綿城市建設(shè)的指導意見》，要求通過海綿城市建設(shè)將70%的降雨就地消納和利用；到2020年，城市建成區(qū)20%以上的面積達到目標要求；到2030年，城市建成區(qū)80%以上的面積達到目標要求。

作為實現(xiàn)海綿城市的重要手段之一——透水混凝土引起了不少學者的興趣。徐仁崇等[2]研究了不同成型方法對透水混凝土性能的影響，對比了插搗成型、壓力成型和振壓成型對透水混凝土強度及透水系數(shù)的影響；孟宏睿和陳麗紅[3]研究了成型方法、水灰比、骨灰比、骨料粒徑及聚合物等對透水混凝土主要性能的影響；蔣正武等[4]研究了骨料級配與粒徑、骨灰比、水灰比、外加劑及攪拌工藝等對透水混凝土抗壓強度及透水系數(shù)的影響，得到了各影響因素對透水混凝土性能的影響規(guī)律；戢文占等[5]對北京某公園進行了大面積的彩色透水混凝土路面的施工，介紹了配合比設(shè)計方法及施工技術(shù)。

本文對骨料粒徑、孔隙率、水灰比、增強劑等方面展開研究，分析其對透水混凝土強度及透水系數(shù)的影響，并將研究成果在武漢市青山區(qū)海綿城市試點區(qū)進行應(yīng)用，為海綿城市相關(guān)工程提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：華新P·O42.5水泥，主要性能指標見表1；骨料：玄武巖碎石，粒徑5～8 mm、8～13 mm、10～20 mm；單級配石英砂，粒徑1～2 mm；增強劑：分別采用丙烯酸乳液、水性環(huán)氧樹脂乳液、某市售增強劑及自制增強劑，2種乳液的性能指標見表2，透水混凝土專用自制增強劑的主要組分有：硅質(zhì)增強組分、膠類組分、增稠劑等，不僅起到增強作用，還可改善漿液性能，某市售增強劑與自制增強劑的性能對比見表3；減水劑：中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑S06，固含量20%，減水率20%。

表1 水泥的主要性能指標

表2 2種乳液的主要性能指標

表3 2種增強劑的主要性能指標

1.2 試驗方法

1.2.1 攪拌與成型工藝

（1）將骨料和50%的拌和水攪拌30 s，然后加入膠凝材料攪拌1 min，最后將外加劑、增強劑與剩下50%的拌和水混合后一起加入攪拌鍋攪拌2 min。當混凝土表面有較好的金屬光澤，且手握成團的狀態(tài)后停止攪拌。

（2）將攪拌好的混凝土分2層裝入150 mm×150 mm×150 mm的模具，每層用搗棒插搗25次，然后用平板振搗器振搗20 s，最后抹平。

（3）將成型試塊放入養(yǎng)護室進行標準養(yǎng)護；2 d后拆模，然后繼續(xù)標準養(yǎng)護至28 d。

1.2.2 性能測試方法

每組配合比制備3個直徑100 mm、高50 mm的圓柱形試塊，按照CJJT 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》附錄A中的方法進行透水系數(shù)測試；每組配合比制備12個150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行抗壓強度、劈裂抗拉強度測試。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 骨料粒徑對透水混凝土性能的影響

采用體積法設(shè)計出目標孔隙率為15%的配合比，計算配合比為：水泥 380 kg/m3、石子 1550 kg/m3、水 114 kg/m3、減水劑2.28 kg/m3，研究3種不同骨料粒徑（10～20 mm、8～13 mm、5～8 mm）對透水混凝土性能的影響，結(jié)果見表4。

表4 骨料粒徑對透水混凝土性能的影響

由表4可知，隨著骨料粒徑的增大，透水混凝土強度逐漸降低，且變化幅度較明顯，而對透水系數(shù)的影響不大。這是因為骨料粒徑較大時，骨料之間的咬合點變少，雖然骨料的孔隙率相差不大，但是骨料粒徑大時，其單個孔隙大，孔隙數(shù)量少。因此，不同骨料粒徑配制的透水混凝土孔隙率相近，但是強度差別較大。選擇合理的骨料粒徑可顯著改善透水混凝土的性能。

2.2 水灰比對透水混凝土性能的影響

圖1為2種不同目標孔隙率（15%、20%）摻加減水劑與未摻減水劑時透水混凝土強度與水灰比的關(guān)系，15%目標孔隙率的基準配合比同第2.1節(jié)，20%目標孔隙率的基準配合比為：水泥 330 kg/m3、石子 1550 kg/m3、水 99 kg/m3、減水劑1.98 kg/m3。改變水灰比的同時，保持水泥漿的總質(zhì)量不變，骨料粒徑為5～8 mm。

圖1 水灰比對透水混凝土強度的影響

由圖1（a）可知，未摻減水劑時，不同目標孔隙率配制的透水混凝土的最適宜水灰比也不相同，目標孔隙率為15%時，其最佳水灰比為0.4，此時強度達到最高；而目標孔隙率為20%時，其最佳水灰比為0.45，此時強度達到最高。其原因在于，隨著目標孔隙率的增大，即膠材用量減少，要使膠材的包裹性更佳，漿體的流動性要求更高，而隨著膠材用量的增大，漿體流動性可適當降低。

由圖1（b）可知，摻加減水劑后，透水混凝土的強度隨著水灰比的增大而降低，因為漿體總量相等，摻加減水劑時的漿體流動性相近，此時漿體的強度是影響透水混凝土強度的決定性因素。

2.3 增強劑對透水混凝土性能的影響

本課題研制的透水混凝土專用增強劑采用有機-無機復(fù)合技術(shù)制備，可大幅提高透水混凝土的強度，且造價相比國內(nèi)常用增強劑（丙烯酸乳液、水性環(huán)氧樹脂乳液、市售增強劑）有明顯優(yōu)勢?；炷僚浜媳葹椋核?30 kg/m3、石子1550 kg/m3、水99 kg/m3、減水劑1.98 kg/m3，骨料粒徑為5～8 mm，增強劑摻量按占水泥質(zhì)量計，增強劑對透水混凝土強度和透水系數(shù)的影響見表5。

表5 增強劑對透水混凝土強度與透水系數(shù)的影響

由表5可知，不同增強劑的效果有一定的差異，由于市售增強劑中含有減水劑，因此，其摻量不宜過大，否則容易造成漿體較稀。幾種增強劑中，市售增強劑雖然摻量較低，但是增強效果與丙烯酸乳液相當，水性環(huán)氧樹脂乳液增強效果較好，且透水系數(shù)降低幅度較小，自制增強劑的增強效果最佳，但是其透水系數(shù)降低幅度較大。各種增強劑對透水混凝土的劈裂抗拉強度增加作用明顯，因為各類增強劑的主要作用是增加粘結(jié)力，因此，劈裂抗拉強度明顯提高，增幅均在20%以上。自制增強劑的增強作用明顯，且單價最低，具有很大的推廣價值，實際工程中應(yīng)結(jié)合工程要求以及各增強劑的特點進行選擇。

2.4 砂率對透水混凝土性能的影響

設(shè)計目標孔隙率15%，水灰比0.3，試驗所用砂為1～2 mm單級配石英砂，試驗基準配合比為：水泥330 kg/m3、石子1550 kg/m3、水 99 kg/m3、減水劑 1.98 kg/m3，骨料粒徑為 5～8 mm，砂按內(nèi)摻的方式取代石子，砂率對透水混凝土性能的影響見表6。

表6 砂率對透水混凝土強度的影響

由表6可知，單級配的石英砂對透水混凝土強度有明顯的增強效果，隨著砂率的增大，透水混凝土的28 d抗壓強度明顯提高，透水系數(shù)則逐漸降低，尤其在6%砂率情況下透水系數(shù)顯著降低，因此，砂率宜控制在6%以內(nèi)。吳冬等[6]研究了砂率對透水混凝土性能的影響，采用普通河砂外摻入混凝土中，砂率從0增加到6.9%時，混凝土透水系數(shù)明顯降低，降幅為87%；而采用單級配石英砂外摻入混凝土中，砂率從0增加到8%時，透水系數(shù)降低幅度為72%。因此，與普通河砂相比，采用單級配石英砂配制透水混凝土時，強度變化不大，透水系數(shù)變化較大，說明添加單級配砂對改善透水混凝土性能有一定的幫助。

與表5進行對比可知，添加增強劑與添加砂對透水混凝土的抗壓強度和透水系數(shù)均有較大的影響，強度方面，二者相差不大，但是增強劑對透水系數(shù)的影響相對較小。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

財政部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、水利部公示2016年中央財政支持海綿城市建設(shè)試點城市共30個，武漢市即為其中一個，而青山區(qū)是武漢最大的一個示范區(qū)，該區(qū)主要承建了小區(qū)、學校、公園道路以及停車場等海綿改造工程，均采用透水混凝土鋪設(shè)。路面結(jié)構(gòu)層由下而上依次是：壓實路基、300 mm級配碎石、200 mm透水混凝土基層、20 mm砂墊層、55 mm透水磚。由下往上骨料粒徑逐漸減小，透水系數(shù)也逐漸降低，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計既能保證路面的美觀和透水性，又能保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用

為驗證本文研制增強劑的效果，將施工區(qū)域分為2段，一段采用不摻增強劑的配合比，另一段采用摻加增強劑（占膠材質(zhì)量的8%）的配合比，配合比為：水泥330 kg/m3，瓜米石1500 kg/m3，水 96 kg/m3，外加劑 3.9 kg/m3。施工過程中，將 2 種不同配合比的透水混凝土在室內(nèi)成型，并按標準養(yǎng)護方式進行養(yǎng)護28 d。透水混凝土基層的現(xiàn)場施工工藝依次為：下料、機械初步攤鋪、人工攤鋪、平板振搗器來回振搗2次。28 d后現(xiàn)場取芯，將2組不同配合比的取芯樣進行測試。2組不同配合比混凝土的性能如表7所示，現(xiàn)場施工如圖2所示。

表7 2組不同配合比混凝土的性能

圖2 透水混凝土基層施工

從表7可以看出，摻入自制增強劑后，實驗室制作的試塊其28 d抗壓強度從23 MPa提高到32 MPa，提高了39%；透水系數(shù)從3.72 mm/s降低到2.69 mm/s，降低了27.7%，雖然一定程度上降低了透水系數(shù)，但是其抗壓強度得到了較大提高。現(xiàn)場取芯樣的測試結(jié)果與實驗室成型測試結(jié)果有較大差異，主要原因是成型與養(yǎng)護工藝的區(qū)別，實驗室的成型方法是先振搗20 s再插搗25次，而現(xiàn)場的成型方式是2次振搗，每次振搗時間約3 s，振搗時間短導致混凝土的密實度較低，同時造成骨料之間的連接較弱。因此，現(xiàn)場取芯樣的強度明顯較實驗室成型的低，同時其透水系數(shù)較實驗室成型的高。按室內(nèi)成型方式制作的試塊，摻加自制增強劑后，其強度等級由C20提高到了C30，將現(xiàn)場成型后取樣的試塊進行強度試驗，發(fā)現(xiàn)摻加自制增強劑后，其強度等級由C15提高到了C25，增強效果明顯。

4 結(jié)論

（1）骨料粒徑對改善透水混凝土性能有顯著效果，隨著骨料粒徑的減小，透水混凝土強度提高；未摻減水劑時，透水混凝土強度隨著水灰比的增大先提高后降低，摻加減水劑后，隨著水灰比的增大，強度逐漸降低；與其他種類增強劑相比，摻自制的透水混凝土增強劑，其抗壓強度、劈裂抗拉提高幅度大，透水系數(shù)有一定的降低，且經(jīng)濟性明顯；采用單級配石英砂外摻混凝土，可有效提高混凝土的強度，并控制透水系數(shù)的降幅。

（2）研究成果應(yīng)用于武漢青山海綿城市建設(shè)工程，摻加自制增強劑后，透水混凝土強度等級由C15提高到了C25，增強效果明顯。