透水混凝土抗堵塞性能室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)研究

張 晶

(河北省子牙河務(wù)中心，河北 衡水 053000)

透水混凝土是一種經(jīng)過特殊工藝制成的存在連續(xù)性孔隙的生態(tài)環(huán)保型混凝土，其不僅具有一定的強(qiáng)度，還具有一定的透氣性和透水性[1]。目前，透水混凝土已經(jīng)廣泛應(yīng)用于市政和水利工程領(lǐng)域的透水鋪裝，具有良好的社會(huì)效益、環(huán)境效益和生態(tài)效益[2]。顯然，透水混凝土的廣泛應(yīng)用主要是因?yàn)槠湓谀軌驖M足強(qiáng)度要求的情況下，具有良好的透水和透氣性能[3]。但是，透水混凝土的孔隙一旦被堵塞，其上述屬性就會(huì)顯著下降[4]。在水利工程中，河道行洪和地表徑流中往往會(huì)夾帶大量的泥沙，其中的細(xì)小顆粒會(huì)隨著水流進(jìn)入透水混凝土造成堵塞，進(jìn)而影響到透水混凝土生態(tài)性能的有效發(fā)揮[5]。目前，國內(nèi)外關(guān)于透水混凝土透水性能的研究尚處于起步階段，相關(guān)研究并不全面和完善[6]。基于此，此次研究通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式，將我國北方地區(qū)的表層粉土制作的泥漿作為堵塞介質(zhì)，通過多次淋泥—晾干循環(huán)，測(cè)定透水混凝土透水性能的衰減規(guī)律和特點(diǎn)，以便為透水混凝土的工程應(yīng)用與后期維護(hù)提供必要的支持和幫助。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 透水混凝土試件的制備

制備透水混凝土的原材料主要有粗集料、水泥、摻合料以及各種外加劑[7]。結(jié)合當(dāng)前透水混凝土鋪裝的工程經(jīng)驗(yàn)和此次試驗(yàn)?zāi)康模舜窝芯坎捎玫拇旨鲜橇綖?～10 mm的石灰?guī)r碎石，其表觀密度為2.665 g/cm3、孔隙率為37.89%、壓碎值為8.6%，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足實(shí)驗(yàn)要求；試驗(yàn)用水泥為本溪市紅星建材有限責(zé)任公司出品的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分和技術(shù)指標(biāo)符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的相關(guān)要求；試驗(yàn)中使用的外加劑為山東華志混凝土有限公司生產(chǎn)的氨基磺酸鹽系高效減水劑，減水率為20%～30%。

為了研究不同孔隙率混凝土的抗堵塞性能，研究中設(shè)計(jì)了10%和15%兩種不同目標(biāo)孔隙率[8]。其中，10%目標(biāo)孔隙率的透水混凝土水泥用量為409 kg/m3、水用量為147 kg/m3；15%目標(biāo)孔隙率的透水混凝土水泥用量為335kg/m3、水用量為121kg/m3；粗集料和減水劑的用量均為1622kg/m3和0.8%。透水混凝土的制備采用一次投料法[9]。將稱量好的各種原材料一起加入攪拌設(shè)備，共同攪拌3min，將攪拌好的混凝土料裝入尺寸為100mm×100mm的圓柱形試模內(nèi)，限用鋼筋進(jìn)行初步插搗，然后用平板振搗機(jī)進(jìn)行低頻振搗[10]。將制作完成的透水混凝土試件在自然條件下放置48h拆模，然后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至28d齡期。

1.2 堵塞材料

試驗(yàn)中選擇北方地區(qū)道路積水部位的表層粉土作為堵塞材料的土樣。對(duì)取得的土樣利用4.75mm的方孔篩進(jìn)行篩分，去除其中的大顆粒、樹葉、枯草等雜質(zhì)。將篩分后的土樣放在溫度為105℃的烘干箱內(nèi)烘干至恒重后取出冷卻至室溫。取出500g土樣倒入容積為10L的圓柱形容器中，加入5L自來水浸泡2h，其中每間隔20min充分?jǐn)嚢?min，然后去除容器底部的沉淀物，形成飽和懸濁液。將飽和懸濁液澆撒在透水混凝土試件上，在進(jìn)入試件內(nèi)部的孔隙之后，部分懸浮液會(huì)吸附在透水混凝土內(nèi)部孔隙的孔壁上，在陰涼干燥后再進(jìn)行下一組循環(huán)試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

降雨形成的泥漿是自然工況下透水混凝土材料內(nèi)部堵塞的主要因素[11]。結(jié)合我國的氣候特點(diǎn)，以一次“淋泥—晾干”循環(huán)模擬一次暴雨過程，在進(jìn)行5次循環(huán)試驗(yàn)之后測(cè)定一次透水混凝土試件的透水指標(biāo)，試驗(yàn)過程中進(jìn)行25次完整的試驗(yàn)循環(huán)。具體的試驗(yàn)步驟如下：首先，對(duì)養(yǎng)護(hù)完畢的試件測(cè)定初始透水速率系數(shù)，晾干備用；然后，將制備的飽和懸濁液均勻淋灑在試件的迎水面，每個(gè)試件每循環(huán)淋撒3L飽和懸濁液；最后，將淋撒過后的試件在室溫20℃的條件下晾干，再進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)的試驗(yàn)，每完成5個(gè)試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行一次透水指標(biāo)的測(cè)定。試驗(yàn)中試件的透水系數(shù)測(cè)定采用的是南通市測(cè)量儀器儀表廠生產(chǎn)的SL 352—01滲透系數(shù)測(cè)定儀，該儀器主要由試件密封容器和水壓穩(wěn)定平衡兩大系統(tǒng)組成，測(cè)量誤差在5%以內(nèi)，完全可以滿足試驗(yàn)測(cè)定要求[12]。試驗(yàn)過程可以完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，在試驗(yàn)時(shí)將待測(cè)試件側(cè)面進(jìn)行蠟封處理，之后安裝在儀器下方硅膠筒內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)束后自動(dòng)生成和存儲(chǔ)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照上節(jié)的試驗(yàn)方法，對(duì)兩種不同孔隙率透水混凝土試件在0、5、10、15、20和25次試驗(yàn)之后的透水性指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表1。由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)的不斷增加，透水混凝土試件的各項(xiàng)指標(biāo)值呈現(xiàn)出逐漸下降的特點(diǎn)，這說明在試驗(yàn)過程中由于泥漿向混凝土內(nèi)部滲透，逐漸造成內(nèi)部孔隙的堵塞。在經(jīng)過25次循環(huán)試驗(yàn)之后，10%孔隙率透水混凝土的透水系數(shù)下降至0.57mm/s；而15%孔隙率透水混凝土在25次循環(huán)試驗(yàn)之后的透水系數(shù)也下降至0.39mm/s。與初始透水系數(shù)相比均有十分顯著的下降，說明透水混凝土的透水性能大幅降低。

表1 透水混凝土試件透水性指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

按照CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，透水混凝土在15℃條件下的透水系數(shù)不低于0.50mm/s，由于本次試驗(yàn)的溫度條件為20℃，按照水的動(dòng)力黏滯系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，在20℃條件下，透水混凝土的透水系數(shù)不低于0.59mm/s。由此可見，在進(jìn)行25次循環(huán)試驗(yàn)之后，兩種不同孔隙率的透水混凝土的透水系數(shù)均不滿足相關(guān)要求，也就是已經(jīng)基本失去透水能力。

為了進(jìn)一步分析透水性能隨循環(huán)試驗(yàn)的變化規(guī)律，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出如圖1和圖2所示的透水速率系數(shù)和透水系數(shù)兩個(gè)主要指標(biāo)隨循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)的變化曲線。由此可知，透水混凝土的透水指標(biāo)衰減與循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)之間具有較高的相關(guān)性?？傮w來看，15%孔隙率透水混凝土的指標(biāo)衰減相對(duì)較快。究其原因，主要是透水混凝土內(nèi)部孔隙較多時(shí)，在試驗(yàn)過程中孔隙內(nèi)部所附著的顆粒數(shù)量也較大，因此造成連通孔隙的堵塞現(xiàn)象更為明顯。

圖1 透水速率系數(shù)隨循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)變化曲線

圖2 透水系數(shù)隨循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)變化曲線

利用試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)兩種不同目標(biāo)孔隙率透水混凝土試件在不同循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)下的透水性指標(biāo)損失率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。由計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于15%孔隙率透水混凝土而言，要滿足20℃條件下0.59mm/s的透水系數(shù)要求，其對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)為20次，此時(shí)的透水系數(shù)損失率為67.57%，透水速率系數(shù)為0.49%；對(duì)于10%孔隙率透水混凝土而言，要滿足20℃條件下0.59mm/s的透水系數(shù)要求，其對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)為15次，此時(shí)的透水系數(shù)損失率為39.05%，透水速率系數(shù)為0.47%?？傊?，對(duì)于水利和市政工程中常用的10%和15%孔隙率透水混凝土而言，在經(jīng)歷15～20次雨洪泥漿堵塞循環(huán)之后，其透水性將大幅降低，難以滿足相關(guān)工程規(guī)范關(guān)于透水性的最低要求。如果要延長其服役期限，充分發(fā)揮其生態(tài)屬性和價(jià)值，建議在透水混凝土施工過程中采用便于更換的透水磚，同時(shí)下層的透水粒料也需要具有一定的反濾功能。此外，在透水混凝土鋪裝的服役期，還應(yīng)該采取必要的清洗措施。

表2 透水混凝土試件透水性指標(biāo)損失率計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

雨洪徑流中攜帶的泥沙顆粒沉積會(huì)對(duì)透水混凝土的透水性造成十分顯著的影響。此次研究通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)的方式，對(duì)透水混凝土抗堵塞性能展開研究，獲得雨洪泥漿堵塞作用對(duì)透水混凝土透水性的影響規(guī)律，并提出了相應(yīng)的工程施工和維護(hù)建議，對(duì)透水混凝土的工程施工和后期維護(hù)工作具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。當(dāng)然，城鎮(zhèn)地區(qū)河道治理工程是水工領(lǐng)域透水混凝土應(yīng)用的主要場(chǎng)景，因此其堵塞源的成分比較復(fù)雜，不僅包括表層土的沖淤，還包括工業(yè)粉塵、汽車輪胎磨損粉末等，在后續(xù)研究中需要選擇更符合城市河道徑流中懸浮顆粒特征的堵塞物質(zhì)進(jìn)行研究，以提高研究成果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。