透水混凝土路面配合比設(shè)計(jì)及其性能影響因素研究

凌天清， 陳巧巧， 秦 新， 張 君

(1. 重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，重慶 400074； 2. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；3. 林同棪國(guó)際工程咨詢(中國(guó))有限公司，重慶 401121)

透水混凝土(pervious concrete)是一種新型、綠色、生態(tài)的路面材料。與普通混凝土相比，透水混凝土具有多孔、透水等特性，因而能減少行車水霧、減輕水滑現(xiàn)象、削減地表徑流、補(bǔ)充地下水、吸聲降噪，并且還具有凈化水體、改善生態(tài)環(huán)境、緩解城市熱島效應(yīng)等優(yōu)良性能，是生態(tài)混凝土的重要品種之一[1-3]，能符合海綿城市的建設(shè)理念[4]。

近幾年“城市看?！爆F(xiàn)象突出，而城市水資源短缺問題卻一直嚴(yán)峻，在此矛盾形勢(shì)下，“海綿城市”建設(shè)理念應(yīng)運(yùn)而生。2015年國(guó)務(wù)院辦公廳下發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見》(國(guó)辦發(fā)〔2015〕75號(hào))等文件，在全國(guó)范圍內(nèi)全面推廣海綿城市建設(shè)工作，而透水路面推廣是建設(shè)海綿城市有效步驟之一[5]。透水混凝土作為透水路面材料的一種，因其黏結(jié)材料含量少、細(xì)集料少甚至為零，使得雖具備高透水性但卻不能同時(shí)滿足高強(qiáng)度要求，故此前其應(yīng)用主要局限于人行道、休閑區(qū)、停車場(chǎng)等低負(fù)荷要求的城市區(qū)域[6]。因此，亟需更深入研究透水混凝土的性能，以克服其在強(qiáng)度和耐久性方面的不足，拓寬其應(yīng)用范圍。

透水混凝土性能受諸多因素影響[7]，且影響效應(yīng)復(fù)雜。依據(jù)其集料間黏結(jié)用材料不同，將其分為透水瀝青混凝土和透水水泥混凝土(以下簡(jiǎn)稱透水混凝土)兩大類[2]。透水混凝土設(shè)計(jì)主要關(guān)注強(qiáng)度和透水性能，故筆者主要研究集料級(jí)配、設(shè)計(jì)空隙率、水膠比等3種配合比設(shè)計(jì)因素對(duì)其主要性能評(píng)價(jià)指標(biāo)——28 d抗壓、抗折強(qiáng)度和15 ℃透水系數(shù)的影響。

1 試驗(yàn)原材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

筆者采用“南?！迸芇·O42.5R普通硅酸鹽水泥作為膠結(jié)材，其各項(xiàng)技術(shù)性能如表1。

表1 水泥技術(shù)性能Table 1 Technical performance of cement

集料采用經(jīng)過篩分的破碎性石灰?guī)r，其各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)滿足CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》[8]中的要求。自來水拌合成型試件。

1.2 試件制備及成型

采用水泥裹石法[8]拌制混凝土，既不影響透水混凝土空隙形成，滿足透水特性要求，又能保證試件具有足夠抗壓、抗折強(qiáng)度，滿足其應(yīng)用于路面的力學(xué)性能條件。攪拌各階段形態(tài)如圖1。

圖1 攪拌各階段形態(tài)Fig. 1 Form of each stage of stirring

插搗法成型，拌合物分3次裝入試模，每一層裝入的厚度略高于試模高度的1/3，分層插搗，每一層插搗25～30次，成型、拆模后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，溫度控制為(20±2)℃，相對(duì)濕度≥95%。

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

參照J(rèn)TG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[9]要求，確定試件的28 d立方體抗壓強(qiáng)度fcu和28 d抗折強(qiáng)度ff。

1.4 透水性能試驗(yàn)

筆者采用15 ℃透水系數(shù)評(píng)價(jià)混凝土透水性能，其測(cè)試方法參見文獻(xiàn)[8]，測(cè)試裝置原理如圖2。

本次試驗(yàn)中，根據(jù)成型試件的實(shí)際情況將水圓筒改成了150 mm×150 mm×400 mm(溢水口底至筒底)方形筒，并對(duì)試件與方形筒的接觸面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖3 (c)。為控制試驗(yàn)中水只從試件上下表面滲透，用保鮮膜和膠帶封閉試件的4個(gè)非測(cè)試面和與方形筒接觸的頂面四周〔圖3(a)〕，并用膠帶將方形筒和試件頂面黏貼牢固〔圖3(b)〕。試驗(yàn)記錄出水口5 min流出的水量Q和方形筒水位與溢流水槽水位差H，水溫為T時(shí)透水系數(shù)計(jì)算如式(1)：

(1)

式中：kT為水溫為T時(shí)試樣透水系數(shù)，mm/s；Q為時(shí)間t內(nèi)滲出水量，mm3；L為試樣厚度，mm；A為試樣上表面積，mm2；H為水位差，mm；t為時(shí)間，本試驗(yàn)中取t=300 s。

換算成15 ℃水溫時(shí)的透水系數(shù)如式(2)：

(2)

式中：k15為標(biāo)準(zhǔn)溫度下試樣的透水系數(shù)；ηT為T時(shí)水動(dòng)力黏滯系數(shù)，kPa·s；η15為15℃時(shí)水動(dòng)力黏滯系數(shù)，kPa·s；ηT/η15為水動(dòng)力黏滯系數(shù)比。

圖2 透水系數(shù)測(cè)試裝置Fig. 2 Sketch map of permeation coefficient testing equipment of PC

圖3 透水性能試驗(yàn)Fig. 3 Permeability test

2 透水混凝土性能試驗(yàn)和結(jié)果分析

2.1 配合比及性能試驗(yàn)

透水混凝土應(yīng)用于實(shí)際路面承受車輛荷載時(shí)，應(yīng)滿足現(xiàn)行規(guī)范各項(xiàng)要求。JTG D40—2011《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]規(guī)定：輕交通荷載要求水泥混凝土彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值不得小于4 MPa；按照J(rèn)TGT D33—2012《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]中規(guī)定：透水水泥混凝土15 ℃透水系數(shù)不小于0.05 cm/s。故筆者所配制的透水混凝土應(yīng)滿足以上要求。

筆者采用正交試驗(yàn)方法，研究集料級(jí)配、設(shè)計(jì)空隙率、水膠比這3種因素對(duì)透水混凝土28d抗壓、抗折強(qiáng)度和15 ℃透水系數(shù)影響。具體級(jí)配情況見表2、 3；這3種因素對(duì)應(yīng)的3個(gè)水平如表4；試驗(yàn)結(jié)果和分析見表5～7。

表2 擬定級(jí)配Table 2 The proposed gradations

表3 擬定級(jí)配粒徑分布情況Table 3 Particle size distribution of the proposed gradation

表4 正交試驗(yàn)因素水平Table 4 Factors and levels of the orthogonal experiment

表5 正交設(shè)計(jì)安排Table 5 Orthogonal design schedule

表6 透水混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of previous concrete performance test

表7 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Orthogonal experiment results

國(guó)內(nèi)外研究均表明：集料粒徑過大或過小都無法很好滿足透水混凝土路面強(qiáng)度和透水特性要求。集料粒徑為5～10 mm時(shí)透水混凝土性能相對(duì)最優(yōu)。有研究[10、12-15]表明：摻入適量的砂能改善透水混凝土強(qiáng)度，且不降低透水系數(shù)，保證其透水性能。筆者結(jié)合已有的透水混凝土路面級(jí)配情況，控制4.75 mm篩孔通過率，保證骨架-空隙結(jié)構(gòu)形成而又不至于空隙結(jié)構(gòu)被細(xì)集料堵塞，擬定以下3種級(jí)配：① 級(jí)配1參照J(rèn)TG D50—2006《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)程》[16]中的OGFC-16型瀝青混合料級(jí)配，最大公稱粒徑為16 mm；② 級(jí)配2參照文獻(xiàn)[16]中的OGFC-13型瀝青混合料級(jí)配；③ 級(jí)配3參照英國(guó)和南非等國(guó)家推薦的級(jí)配。

2.2 配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

由透水混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果可知：本研究所設(shè)計(jì)的透水混凝土均具有較高透水系數(shù)，綜合考慮強(qiáng)度性能要求，其中：M4、M5、M7均能滿足規(guī)范要求，可作為透水混凝土設(shè)計(jì)配合比。

正交試驗(yàn)極差愈大，所對(duì)應(yīng)因素愈重要。根據(jù)表7中A、B、C這3個(gè)因素的極差數(shù)值并結(jié)合圖4可得到：透水混凝土28 d抗壓、抗折強(qiáng)度和15 ℃透水系數(shù)主要影響因素為設(shè)計(jì)空隙率，其次為級(jí)配；受水膠比影響不大，但強(qiáng)度和透水系數(shù)都存在隨著水膠比增大，先增大后又減小的現(xiàn)象，即存在一個(gè)最佳水膠比。

圖4 3種因素對(duì)透水混凝土性能的影響Fig. 4 Effect of three kinds of factors on properties of PC

2.3 影響因素分析

2.3.1 級(jí) 配

表3顯示：3種級(jí)配的中等粒徑(5～10 mm)含量差不多，且占總量的一半。圖5為級(jí)配對(duì)透水混凝土性能影響。

圖5 集料級(jí)配對(duì)透水混凝土性能的影響Fig. 5 Effect of aggregate gradation on properties of PC

級(jí)配對(duì)強(qiáng)度和透水性能指標(biāo)影響而言，隨著小粒徑集料比例加大，由于小顆粒對(duì)大顆粒干涉作用將大顆粒撥開[17]，透水系數(shù)增大。大粒徑集料數(shù)量降低，骨料間嵌擠作用降低，使得28 d抗壓、抗折強(qiáng)度降低；級(jí)配粒徑大于10 mm顆粒僅占集料總量5%(級(jí)配3)時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度明顯降低。本研究中僅采用級(jí)配2成型的試件28 d抗折強(qiáng)度滿足大于等于4 MPa的要求，同時(shí)具備較高的28 d抗壓強(qiáng)度和15 ℃透水系數(shù)。故級(jí)配2可作為設(shè)計(jì)推薦級(jí)配。

2.3.2 設(shè)計(jì)空隙率

由式(3)得到的透水系數(shù)反應(yīng)了集料間允許水通過、儲(chǔ)存并且排出的連通空隙以及集料表面開口、集料間不連續(xù)半連通空隙占混凝土總體積比率，該部分被稱為有效空隙。有效空隙率越大，實(shí)際過水?dāng)嗝婷娣e越大，水受到阻力越小，因而水通過的速率增大、流量增加，則透水系數(shù)增大。依據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果分析〔圖6(a)、(b)〕可看出：透水系數(shù)隨著設(shè)計(jì)空隙率增大而增大，事實(shí)上設(shè)計(jì)空隙率是通過影響有效空隙率而影響透水系數(shù)的，在一定配合比下，有效空隙率與設(shè)計(jì)空隙率呈正相關(guān)(圖7)。通過設(shè)計(jì)控制空隙率來調(diào)整透水系數(shù)意義顯著。TAN Xiaohua等[18]考慮空隙微觀特性和多孔介質(zhì)中液體流動(dòng)特性建立了多孔材料模型，并通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，指出滲透性與多孔性有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖6 設(shè)計(jì)空隙率對(duì)透水混凝土性能的影響Fig. 6 Effect of voids ratio on properties of PC

圖7 設(shè)計(jì)空隙率與有效空隙率的關(guān)系Fig. 7 Relationship between the designed voids ratio and the effective voids ratio

由于透水混凝土屬于骨架-空隙結(jié)構(gòu)，空隙率大小直接影響集料顆粒間膠結(jié)點(diǎn)的數(shù)量和面積，空隙率越大，集料顆粒間膠結(jié)點(diǎn)數(shù)量和面積越少，故其28 d抗折、抗壓強(qiáng)度越低。

2.3.3 水膠比

透水混凝土的透水性能與空隙率密切相關(guān)，而真正發(fā)揮透水作用的是連通空隙。水膠比決定了漿體的流動(dòng)性，當(dāng)水膠比較小時(shí)，水泥易結(jié)團(tuán)而堵塞空隙，影響空隙連通性；當(dāng)水膠比變大時(shí)，漿體流動(dòng)性大、易流淌至試件底部，同樣不利于連通空隙形成，阻礙水的滲透，導(dǎo)致透水系數(shù)降低，如圖8。

圖8 水膠比對(duì)透水混凝土性能的影響Fig. 8 Effect of W/C on properties of PC

蔣正武等[19]指出：水灰比不是透水混凝土力學(xué)性能的決定因素，對(duì)抗壓強(qiáng)度影響不大；王瑞燕等[17]認(rèn)為：抗壓強(qiáng)度隨水膠比呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，合理的水膠比范圍為0.30～0.34；徐仁崇等[14]指出：由于透水混凝土結(jié)構(gòu)本身存在大量空隙，水膠比對(duì)其強(qiáng)度影響不同于普通混凝土，故水膠比宜為0.25～0.35。透水混凝土由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，強(qiáng)度主要由骨料間嵌擠作用和水泥砂漿黏結(jié)作用形成，從本研究試驗(yàn)現(xiàn)象(圖9)可看出：試件破壞是集料相互之間剝離，而并非集料顆粒本身被壓壞。水膠比較小時(shí)，水泥漿和易性不夠，硬化水泥漿層厚度不大，骨料間黏結(jié)強(qiáng)度較低；水膠比增大，水泥漿流動(dòng)性較好，可充分包裹住粗集料，骨料間黏結(jié)點(diǎn)增多，當(dāng)水泥漿黏結(jié)作用達(dá)到最大時(shí)，其28 d抗壓、抗折強(qiáng)度達(dá)到最大；而水灰比繼續(xù)增大時(shí)，水泥漿層厚度變大，而骨料間咬合點(diǎn)反而減少，嵌擠咬合作用將會(huì)降低，導(dǎo)致強(qiáng)度下降[20]。故本試驗(yàn)推薦最佳水膠比為0.35。

圖9 透水混凝土抗壓破壞圖像Fig. 9 Compressive damage image of PC

3 結(jié)論與展望

1)為研究3種配合比因素對(duì)透水混凝土強(qiáng)度和透水特性影響，以及確定適用的配合比設(shè)計(jì)方案，筆者采用3因素3水平正交試驗(yàn)方法進(jìn)行分析。由試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合極差數(shù)據(jù)分析得到：透水混凝土強(qiáng)度及透水系數(shù)的主要影響因素是設(shè)計(jì)空隙率，其次是級(jí)配；受水膠比影響不大，但隨著水膠比增大，強(qiáng)度和透水系數(shù)均表現(xiàn)為先增大后減小的情況。

2)由透水混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果可知：本研究所設(shè)計(jì)的透水混凝土均具有較高透水系數(shù)，綜合考慮強(qiáng)度性能要求，M4、M5、M7均滿足28 d抗折強(qiáng)度大于等于4.0 MPa，15 ℃透水系數(shù)大于等于0.05 cm/s的要求，可作為透水混凝土設(shè)計(jì)配合比。

3)骨料粒徑分布是影響透水混凝土空隙率和強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。由本試驗(yàn)研究可看出：隨著小顆粒增加，大粒徑集料含量減少，強(qiáng)度和透水系數(shù)變化呈相反趨勢(shì)，故應(yīng)根據(jù)具體強(qiáng)度和透水性能設(shè)計(jì)要求來綜合考慮集料最佳級(jí)配。本研究中推薦級(jí)配2為最佳級(jí)配。

4)有效空隙率在一定程度上直接反應(yīng)了透水性大小，骨架中空隙越大越多，其集料顆粒間膠結(jié)點(diǎn)數(shù)量和面積越少，則28d抗壓強(qiáng)度越低。因此設(shè)計(jì)空隙率不宜過大，應(yīng)控制在15%～20%。

5)水膠比會(huì)影響集料顆粒間黏結(jié)強(qiáng)度和空隙連通性，而水泥漿攪拌均勻程度和泌水現(xiàn)象均會(huì)影響實(shí)際空隙率。故在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在確?；旌狭现苽滟|(zhì)量前提下，選取最佳水膠比。本試驗(yàn)推薦最佳水膠比為0.35。