車行道透水混凝土的研制及應(yīng)用

沈劍峰

上海建工材料工程有限公司 上海 200086

隨著城市建設(shè)的多元化，混凝土技術(shù)的發(fā)展也面臨很多新課題、新要求。解決城市內(nèi)澇問題，是目前城市建設(shè)中的重點。雨季到來后，城市中低洼道路就會出現(xiàn)嚴重積水的情況。而這些積水既會造成道路嚴重擁堵，又會導(dǎo)致城市道路因被長時間浸泡而發(fā)生更為嚴重的損壞，從而使城市環(huán)境變得更為惡劣。

為了解決道路積水問題，通常的做法是不斷地對道路進行加固抬高或徹底重建，而這樣的做法雖能較快地改善道路的積水問題，但未能從根源上解決積水問題。混凝土作為一種相對廉價，同時又是較易得到的建筑材料，在工程建設(shè)中被大量應(yīng)用，如果能使混凝土具有一定的透水性的話，不僅能解決城市積水問題，而且通過將透過混凝土的積水進行收集并回灌入地下，還能改善城市因地下水不足所引起的沉降問題。

透水混凝土的使用確實是很好的辦法，但也有一個比較棘手的問題擺在眼前：透水混凝土的強度。目前市面上大多數(shù)透水混凝土抗壓強度均在20 MPa左右，只能用于人行道或自行車道等非承載體上，這類道路面積少、道路窄，應(yīng)用的量相對較少。而想將透水混凝土作為城市建設(shè)的主力，就需要將其利用于更為廣泛的車行道的鋪設(shè)中。當(dāng)然，要能將透水混凝土應(yīng)用于車行道的鋪設(shè)中，就要在保證混凝土透水率的情況下，將混凝土的抗壓強度提高到30 MPa以上[1-8]。本文就實際工程的應(yīng)用，對透水混凝土在車行道鋪設(shè)中的應(yīng)用進行了一些技術(shù)探討及相關(guān)研究。

1 工程概況

背景工程為九棵樹（上海）未來藝術(shù)中心，位于上海奉浦大道以南、望園路以東、金海公路以西的中央生態(tài)林地內(nèi)，處于林地核心位置，借助周圍森林環(huán)拱，形成一個與自然對話、水綠交融的“森林劇場”。

九棵樹（上海）未來藝術(shù)中心總建筑面積71 700 m2，為了充分融合園林藝術(shù)、建筑藝術(shù)、文化藝術(shù)，設(shè)計方考慮在本項目中采用透水混凝土作為道路建設(shè)的基底，輔以表層透水瀝青的方式，來進行環(huán)藝術(shù)中心道路的建設(shè)。因而基底部分透水混凝土的透水性、抗壓強度以及耐久性將直接影響后期道路的實際使用。

2 設(shè)計要求

考慮到在該項目中，透水混凝土應(yīng)用于車行道的鋪設(shè)中，需要結(jié)構(gòu)體承載能力達到一定的強度，初步要求混凝土抗壓強度達到30 MPa，根據(jù)CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，透水混凝土路面的透水系數(shù)不能低于0.5 mm/s，同時混凝土需要漿體黏結(jié)性較好，漿體不能在一定振動下封閉孔洞，從而影響混凝土的透水效率[9-12]。

3 選材

膠凝材料選擇了P·O 42.5及P·Ⅱ 52.5兩種，而外摻料則選擇使用較為普遍的寶田S95礦粉，粉煤灰考慮到施工要求，采用上海洪渤建材有限公司二級高鈣灰和艾肯商業(yè)貿(mào)易有限公司的U951硅灰。

考慮到實體結(jié)構(gòu)效果，粗集料選擇了普通粒型的5～16 mm碎石以及整形5～10 mm、5～20 mm碎石進行試驗比較，且壓碎指標(biāo)值分別為10%、7%、8%。細集料則選擇細度模數(shù)0.5、1.0及1.5的3種進行嘗試。

外加劑為上海麥斯特建工高科技建筑化工有限公司的Glemnium ACE 8305以及該公司一種乳膠類產(chǎn)品，同時還附帶了一種具有增加混凝土強度的強度改善劑。

4 透水混凝土試驗

4.1 試件制作方式確定

透水混凝土存在試件較為疏松的情況，而這樣將會使混凝土實際強度大大降低。同時導(dǎo)致后面試驗真實檢測數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大的誤差，所以確定試件的制作方式才是最重要的。為此，考慮了3種不同的方式：振動臺振搗、搗棒插搗、木槌敲擊（表1）。

表1 基礎(chǔ)配合比及不同齡期強度

通過對3種試塊成形方式的比較，發(fā)現(xiàn)用振動臺的方式強度最低，而搗棒插搗和木槌敲擊的方式強度較高。但是從試件的結(jié)構(gòu)性來看，搗棒插搗的方式制作出來的試塊存在漿體分層，試件底部存在較多的漿體富集，木槌敲擊的方式成形的試件則相較于搗棒插搗略顯優(yōu)勢。通過此次試塊比較，基本確定以木槌敲擊的方式作為此次試驗的成形方法。

4.2 外加劑搭配確定

透水混凝土屬于類干硬型混凝土狀態(tài)的混凝土，它需要控制漿體的流動性，以免出現(xiàn)“封底”現(xiàn)象；其強度主要由集料強度、集料與膠凝材料的黏結(jié)強度和膠凝材料的強度三者共同提供，而集料與膠凝材料的黏結(jié)強度是薄弱環(huán)節(jié)。因此，在成形的時候要求集料表面能形成一層均勻的膠凝材料包裹層。

因此，透水混凝土所使用的外加劑就必須使?jié){體具有一定的黏結(jié)性，能較好地使?jié){體包裹住集料，隨后再將帶有漿體的集料之間進行有效的搭接，這樣才能得到較為堅固的結(jié)構(gòu)體，而采用乳膠液就能改善漿體的黏聚性能。另外，集料之間的搭接面相對較少，故需要能對強度提升上有一定的效果的外加劑，這樣才能得到更好的結(jié)構(gòu)體強度。強度改善劑是一種以增加混凝土強度的液體類產(chǎn)品。根據(jù)以上外加劑廠所提供的幾個產(chǎn)品，進行了如下的摻加組合（表2）。

表2 外加劑搭配比較

試驗情況可以看到，當(dāng)乳膠液增加時，漿體的黏聚性大大增加，故直接使混凝土的孔隙率變小，影響了透水效率。而強度改善劑的使用，能對強度的增加有一定的改善。根據(jù)試驗強度與孔隙率的比較來看，我們選擇減水劑∶乳膠液∶強度改善劑＝1∶1∶2的比例來進行后續(xù)試驗的進行，外加劑廠為了便于區(qū)分，將這個混合液命名為PV8005。但在實際混合效果來看，該PV8005存在一定的分層性，這點在實際生產(chǎn)時可能需要進行攪拌，才能避免外加劑對混凝土性能影響太大。

4.3 膠凝體系確定

對基礎(chǔ)配合比的驗證我們看到，采用P·O 42.5水泥及500 kg/m3膠材體系還是存在一定的漿體富裕和強度偏低的情況，故此次對配合比進行水泥體系及用量的調(diào)整（表3、表4）。

通過表2的試驗，我們看到采用P·Ⅱ 52.5水泥作為膠凝體系后，混凝土試件的強度有較明顯的增加。而在膠材用量上，當(dāng)膠材用量為500 kg/m3時，試件漿體的富余量還是偏多了。而當(dāng)膠材用量為400 kg/m3時，則表現(xiàn)出來的狀態(tài)碎石太多，無法有效地形成試件。由于在450 kg/m3水泥量情況下，強度和透水系數(shù)均較好，最終選擇按450 kg/m3的膠材量來進行后續(xù)的試驗。

表3 不同水泥配合比相關(guān)指標(biāo)比較

表4 不同膠凝體系比較

表3可以看出，不管是單摻礦粉還是粉煤灰以及雙摻，均對混凝土試件強度有較大的影響。當(dāng)然在體系中摻加硅灰后對混凝土的強度有了一定的提高，但其透水性還是存在一定的影響。考慮到本項目要求是試件強度C30以及混凝土的透水性能，故本次工程應(yīng)用就按P·Ⅱ 52.5純水泥進行了下一步的驗證。

4.4 集料確定

通過前期的試驗，基本上已確定了膠凝體系及外加劑組合。但在透水混凝土中集料體系也是很重要的一環(huán)。為此選擇了普通粒型的5～16 mm碎石以及整形5～10 mm、5～20 mm碎石。而為了得到更好的強度和混凝土狀態(tài)，對于配合比，我們還考慮嘗試添加一定量的細沙來使混凝土提高保證率。但考慮到透水混凝土中摻加細砂后會封閉實體孔洞，因此在此次試驗中考慮只添加100 kg/m3的量來進行比較（表5、表6）。

由表5看到隨著粗集料粒徑的增大，透水混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)出早期強度上升較快后期相對乏力的現(xiàn)象。而對3種粗集料粒徑進行比較，可看出集料粒徑為5～10 mm時透水混凝土的抗壓強度最佳且對混凝土的透水性影響較小。這是因為相比于粒徑大的集料，較細的集料比表面積較大，而膠凝材料的量有限，使得集料表面的包裹層相對較薄，集料之間的黏結(jié)力弱，所以強度較低。隨著粗集料粒徑的增大，透水混凝土的孔隙率逐漸升高。

表5 不同粗集料摻加比較

表6 細集料摻加比較

由表6看到，混凝土的強度整體提高，但隨著細砂細度模數(shù)的增加，混凝土的孔隙率明顯下降，并直接影響了透水效率。主要還是當(dāng)細砂較細密時，基本能作為膠材的一部分來較好地包裹粗集料，從而使試件強度更為理想。

4.5 配合比確定

根據(jù)以上對膠凝體系、集料體系以及外加劑體系的多方位試驗驗證后，級配確定如下：自來水∶P·Ⅱ 52.5水泥∶整形5～10 mm碎石∶細度模數(shù)0.5細砂∶PV8005外加劑＝110∶450∶1 400∶100∶20。

5 應(yīng)用實例

5.1 透水混凝土試生產(chǎn)

透水混凝土為一種類干硬性混凝土狀態(tài)的混凝土，這樣才不會使混凝土由于跑漿而封堵孔洞。故在實際生產(chǎn)中基本上以構(gòu)件混凝土生產(chǎn)的方式來進行生產(chǎn)，其混凝土坍落度需要控制在30～70 mm范圍內(nèi)較為理想。且采用的運輸方式以翻斗車為主。同時，由于前期外加劑混合液存在分層現(xiàn)象的問題，為了確保生產(chǎn)，對外加劑筒倉進行了改造，增加了攪拌系統(tǒng)。

為了確保后續(xù)生產(chǎn)的順利，在正式生產(chǎn)前我們進行了試生產(chǎn)。在試生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，粉體與混凝土之間的黏結(jié)還是存在一定問題。通過對多個因素的排查，最終發(fā)現(xiàn)，所采用的碎石由于長時間放置，表面無水分，致使在試生產(chǎn)時粉料無法包裹碎石，造成了粉料與碎石之間的分離。

5.2 透水混凝土實際生產(chǎn)

根據(jù)試生產(chǎn)時出現(xiàn)的問題，在實際生產(chǎn)之前將所使用的碎石進行了濕潤。通過對碎石的濕潤，該混凝土的漿體黏結(jié)理想，且該混凝土通過近1 h的運輸過程，并未發(fā)生混凝土漿體與碎石分離的情況。混凝土澆筑采用挖機鋪設(shè)、人工修整的方式進行鋪平，同時用振動機進行振實。

施工完成后，按CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定進行保水養(yǎng)護。且對養(yǎng)護28 d之后的實體進行了相應(yīng)的檢測，數(shù)值為3 d強度29.6 MPa、7 d強度38.9 MPa、28 d強度44.3 MPa，混凝土孔隙率15.3%、透水率達1.3 mm/s 。該混凝土完全滿足了設(shè)計要求的混凝土性能。在近一個月的實際生產(chǎn)中，攪拌站共計生產(chǎn)了近2 000 m3透水混凝土，該項目的成功為在普通預(yù)拌混凝土攪拌站大面積透水混凝土的生產(chǎn)開了應(yīng)用先河。

目前透水混凝土市場，由于其生產(chǎn)的特殊性無法大面積推廣使用，究其原因主要還是普通攪拌站無法滿足生產(chǎn)條件。而此次的生產(chǎn)，為透水混凝土在城市建設(shè)中的大量應(yīng)用起到了示范的作用。

6 結(jié)語

本文通過對膠凝體系、集料體系以及外加劑體系的研究，并通過項目的實際應(yīng)用效果驗證了透水混凝土的一些應(yīng)用方法及注意點。

1）硅灰對混凝土強度有一定的增強作用，在透水混凝土中也有同樣效果。硅灰還能改善透水混凝土的漿體量，但因其比表面積的增加，振動后也更容易漿體分離。因此，硅灰在透水混凝土中的使用還是需要通過試驗驗證。

2）透水混凝土中的粗集料粒徑越粗、孔隙率越大、透水效果越高，但強度也越低。通過試驗比較，5～10 mm碎石在透水混凝土的生產(chǎn)中還是較為合理的，用5～10 mm碎石生產(chǎn)的混凝土不管在強度上還是透水性上都能較好地滿足要求。

3）透水混凝土中適當(dāng)摻加細砂的方式也可行。但如需摻加，為了不影響混凝土的透水率，摻加量及所用細砂細度模數(shù)需滿足一定要求，以避免對混凝土孔隙產(chǎn)生封堵。

4）外加劑方面，透水混凝土對減水要求并不高，但需要能提高透水混凝土漿體的黏聚性。乳膠的加入有提高漿體的黏聚性的作用。由于透水混凝土具有較大的孔隙率，故對混凝土強度還是有一定影響。強度改善劑的加入在一定程度上具有增大混凝土強度的效果，可以考慮適當(dāng)應(yīng)用，從而改善混凝土強度。