低膠凝材料用量透水混凝土的抗堵塞性研究

摘" 要：為減少透水混凝土生產(chǎn)和使用過程的能耗，延長透水混凝土的使用壽命，通過控制骨料粒徑和漿體分布均勻性研究低膠凝材料用量透水混凝土的透水性和抗堵塞性。研究結(jié)果表明，降低膠凝材料用量能夠改善透水混凝土中漿體分布的均勻性，減小頂面與底面孔結(jié)構的差異；漿體分布均勻的低膠凝材料用量透水混凝土初始透水系數(shù)可以達到20 mm/s，且對0～0.6 mm粒徑的泥沙有較好的抗堵塞性；漿體的沉降會導致透水混凝土的初始透水系數(shù)和抗堵塞性的減??；孔隙率相近的情況下，減小骨料粒徑會小幅度降低初始透水性，同時大幅減弱抗堵塞性。

關鍵詞：透水混凝土；透水性；抗堵塞性；海綿城市；綠色混凝土

中圖分類號：TU528.59" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）09-0069-04

Abstract： In order to reduce the energy consumption in the production and use of pervious concrete and extend the service life of pervious concrete， the water permeability and clogging resistance properties of pervious concrete with low cementitious material content were studied by controlling the particle size and uniform slurry distribution. The research results show that： Reducing the amount of cementitious material can improve the uniformity of slurry distribution in pervious concrete and reduce the difference in pore structures between the top and bottom surfaces; the initial water permeability coefficient of pervious concrete with low cementitious material content can reach 20 mm/s， and it has good resistance to sediment with a particle size of 0～0.6 mm; the settlement of slurry will lead to a reduction in the initial water permeability coefficient and clogging resistance property of pervious concrete; When the porosity is similar， reducing the aggregate particle size will slightly reduce the initial water permeability and greatly weaken the plugging resistance.

Keywords： pervious concrete; water permeability; clogging resistance; sponge city; green concrete

透水混凝土路面在海綿城市建設中承當“滲“的功能，起到緩解城市路面積水、調(diào)節(jié)溫度、降低熱島效應和凈化徑流等作用。透水混凝土通過控制骨料的粒徑分布、漿骨比、漿體的分布達到15%～35%的連通孔隙以獲得透水效果[1]，因此需要避免漿體無法穩(wěn)定附著在骨料表面、沉降堆積在底部的情況使透水混凝土的透水性顯著降低的情況[2]。

實際運營過程中透水混凝土由于徑流中的顆粒殘留在孔隙中導致“堵塞“使透水性減小[3]。蔣佳等[4]研究發(fā)現(xiàn)部分透水混凝土路面在使用1年后透水性就損失超過90%；Sandoval等[5]調(diào)研發(fā)現(xiàn)部分透水混凝土在運營5 a后仍有較好的透水性。這是因為透水混凝土的堵塞受到孔結(jié)構、堵塞物類型等因素的影響，孔徑小且迂回度大的透水混凝土面層最容易發(fā)生堵塞，連續(xù)粒徑的泥沙混合物有較強的堵塞性[6]。堵塞會導致透水混凝土的使用壽命縮短，運營維護和翻新重建過程造成的大量資源消耗有違低碳發(fā)展原則。

本研究針對人行道等低荷載工程路面的面層容易堵塞的問題，設計了單位體積膠凝材料用量300 kg的透水混凝土，研究了漿體流動性、骨料粒徑對低膠凝材料用量透水混凝土的孔結(jié)構、透水性、抗堵塞性和強度的影響。論證了在強度要求較低的透水混凝土中通過減少膠凝材料用量改善抗堵塞性的可行性，為建筑行業(yè)的綠色發(fā)展提供助力。

1" 原材料與試驗方法

1.1" 原材料與配合比

水泥為海螺水泥廠的PO·42.5水泥，表觀密度2 987 kg/m3；粉煤灰為1級灰，表觀密度2 375 kg/m3。骨料1和骨料2的粒徑分別為2.36～4.75 mm和4.75～9.50 mm，振實堆積密度分別為1 601 kg/m3和1 638 kg/m3，表觀密度都為2 909 kg/m3；外加劑為聚羧酸減水劑和纖維素醚增稠劑；拌合水為自來水。以體積法設計的配合比見表1。透水混凝土的編號以漿體編號和骨料種類表示，例如漿體B和骨料2的透水混凝土編號為B2。

1.2" 透水混凝土制備

制備方法：根據(jù)配合比稱量原材料；將水泥和粉煤灰干拌10 s；加入70%的拌合水攪拌120 s；將外加劑與剩余的水加入繼續(xù)攪拌120 s；加入骨料攪拌120 s。拌制完成后裝入100 mm立方體金屬模具成型，稱量模具與透水混凝土的總重量；室溫養(yǎng)護1 d后拆模置于標養(yǎng)箱中養(yǎng)護至28 d。

1.3" 孔結(jié)構測試

實際總孔隙率計算：根據(jù)透水混凝土的實際體積密度ρ實、設計體積密度ρ設、設計孔隙率Φ設，計算出透水混凝土的實際孔隙率Φ實，如式（1）所示。

孔結(jié)構圖像分析：將測試面切除5 mm并磨拋，涂黑實體部分并用白水泥填充孔隙，拍攝照片，使用Image pro圖像處理軟件分析孔隙率。

1.4" 透水性和抗堵塞性測試

透水性測試：使用JC/T 2558—2020《透水混凝土》[7]中的方法測試透水系數(shù)。

抗堵塞性測試：選擇堵塞性較強的0～0.6 mm連續(xù)級配泥沙作為堵塞物[8]。完成試塊的初始透水性測試后，將5 g堵塞物與1 L水混合后倒在透水混凝土試塊表面，再用10 L水進行沖洗，記為1次堵塞，每次完成堵塞后測量透水混凝土的透水系數(shù)，第n次測試的透水系數(shù)記為κn，以堵塞次數(shù)對透水的影響來表征抗堵塞性。

2" 結(jié)果與討論

2.1" 孔結(jié)構測試結(jié)果

2.1.1" 總孔隙率與連通孔隙率

透水混凝土的總孔隙率計算結(jié)果見表2，透水混凝土的實際總孔隙率普遍大于設計值，例如A1的設計孔隙率為25.4%，而實際孔隙率為32.0%，這可能是因為成型時骨料并非緊密堆積狀態(tài)。實際上只有連通孔才能起到透水作用，因此也被定義為“有效孔”。總孔隙率與連通孔隙率的差值隨水膠比的增大而增大，A1組的差值只有3.2%，而C1達到7.6%，這是因為增大水膠比后漿體黏性減弱，漿體沉降過程中更容易形成封閉孔。摻加增稠劑提高漿體黏度可以有效避免封閉孔的形成。使用骨料2的透水混凝土的連通孔率增大，這可能是因為顆粒堆積形成的孔徑增大后更難因為漿體覆蓋形成封閉孔。

2.1.2" 圖像分析

使用圖像分析法可以發(fā)現(xiàn)透水混凝土成型頂面的孔隙率普遍大于底面，例如C1的總孔隙率為27.5%，頂面孔隙率為30.4%，而底面孔隙率只有13.2%，可見減小膠凝材料用量也無法完全避免透水混凝土中漿體的沉降。增大水膠比會使透水混凝土的不均勻性提高，C2等組發(fā)生嚴重沉降，底部幾乎堵塞。骨料粒徑增大使透水性增大，但骨料表面積減小使?jié){體更難附著，導致發(fā)生沉降使底部孔隙率減小。

2.2" 透水性

透水系數(shù)測試結(jié)果如圖1所示，大部分樣品的透水系數(shù)都大于10 mm/s，部分樣品透水系數(shù)大于20 mm/s，滿足大部分條件下對透水性的要求，但也存在C1、C2等透水性遠小于其他樣品。從圖1可以看出透水混凝土的透水系數(shù)隨連通孔隙率的增大而增大，但數(shù)據(jù)離散性較大，例如A1與G2的連通孔隙率相近，但G2的透水系數(shù)為21.2 mm/s遠大于A1的12.1 mm/s，這是因為透水性不僅受到連通孔隙率的影響，也與孔徑、孔的迂回度等因素有關，粒徑較大的骨料2制備的透水混凝土孔徑更大，因此在連通孔隙率相近的情況下有更大的透水系數(shù)。

C1、C2的透水系數(shù)遠低于其他樣品，這可能是因為漿體沉降導致孔隙堵塞。從表2可以看出頂面孔隙率在29.5%～33.5%，但C1和C2因為漿體沉降導致底面孔隙率只有13.2%和12.8%，遠小于其他組。可見降低膠凝材料用量有利于提高面層透水混凝土的透水性，也能夠緩解漿體的沉降，但部分黏性小、骨料粒徑大的透水混凝土依然存在漿體沉降導致透水性遠小于設計值的情況。

2.3" 抗堵塞性

選取部分樣品用于抗堵塞性測試，抗堵塞性的測試結(jié)果如圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)透水系數(shù)都隨著堵塞實驗次數(shù)的增加而減小，且透水混凝土本身的性能會顯著影響抗堵塞性。A2組在經(jīng)過10次堵塞實驗后的透水系數(shù)為8.5 mm/s，依然具有較好的透水性，且在前5次堵塞中透水系數(shù)的下降較為緩慢，表明低膠凝材料用量透水混凝土對粒徑范圍0～0.6 mm的顆粒具有較好的抗堵塞性。D2的初始透水系數(shù)只略小于A2，但透水性損失速度顯著大于A2，在第5次堵塞后透水系數(shù)已經(jīng)降低到6.4 mm/s，第9次堵塞時已經(jīng)基本失去透水性。C2組的堵塞過程與A2、D2完全不同，前2次堵塞對透水性幾乎沒有影響，第3、4次也只是使透水性小幅度下降，但之后透水性快速減小并在第7次完全堵塞，這是因為C2組的孔結(jié)構分布不均勻，限制透水性的是底部的孔隙，頂部發(fā)生小幅度堵塞并不會使透水性顯著降低，但當堵塞物累積到一定程度后就迅速堵塞。G1的連通孔隙率、底面孔隙率都略大于A2，初始透水系數(shù)相近，但抗堵塞性遠小于A2，透水性隨堵塞次數(shù)快速減小，第5次堵塞后透水系數(shù)僅剩下3.5 mm/s，并在第8次堵塞時失去透水性。這是因為G1使用小粒徑骨料導致孔徑小于A2，堵塞物的通過性更差，更容易堵塞。綜上所述，制備效果好的低膠凝材料用量透水混凝土對0～0.6 mm的泥沙堵塞物具有良好的抗堵塞性，但漿體沉降導致的孔結(jié)構分布不均勻和小粒徑骨料導致的孔徑減小都會降低抗堵塞性。

3" 結(jié)論

根據(jù)本研究的結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

1）將面層透水混凝土的單位體積膠凝材料用量控制在300 kg能夠增大孔隙率和孔徑，使初始透水系數(shù)達到10～20 mm/s。

2）降低膠凝材料用量能夠減少漿體的沉降導致的孔結(jié)構不均勻，本研究中大部分樣品的頂面孔隙率與底面孔隙率相差不超過4%。

3）孔結(jié)構分布均勻的低膠凝材料用量透水混凝土對0～0.6 mm的泥沙具有較好的抗堵塞性，經(jīng)過10次堵塞實驗后透水系數(shù)依然有8.5 mm/s。

參考文獻：

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