透水混凝土抗堵塞性能研究

韦万峰，熊剑平，周胜波，禤炜安，谢政专

（1.广西道路结构与材料重点实验室，广西 南宁 530007；2.广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007；3.高等级公路建设与养护技术、材料及装备交通运输行业研发中心，广西 南宁 530007）

透水混凝土由骨料、胶凝材料、空隙组成，其胶凝材料的总体积要小于骨料间的空隙，故透水混凝土的内部结构中存在大量的联通空隙，一般透水混凝土的空隙率为15%～25%[1]。透水混凝土路面是一种重要的可持续城市排水系统[2-3]，其透水性的实现是基于结构中的联通空隙，这部分空隙能有效将地面的水分引入到地下，补给地下水资源，降低路面塌陷风险，并防止路面积水，减少城市的洪涝灾害[4-5]。由于透水混凝土内部存在大量相互连通的间隙或微孔，声波在透水混凝土内部传播会不断反射耗散，雨水径流中的污染物也会吸附在空隙内壁，因此透水混凝土还兼具吸声降噪[6-7]，净化水质的功能[8-9]。然而，透水混凝土的透水性会因空隙堵塞而逐渐失效，如图1所示[2]。降雨在路面上形成的径流往往含有大量的泥沙、悬浮物等杂质，这些杂质随着水流在混凝土的空隙中不断沉积、聚集，尤其是水流中含有黏性有机物的情况下，杂质会发生团聚。当堵塞物团聚到一定程度时，混凝土的空隙就会被堵塞[10]。

图1 堵塞物在透水混凝土表面及上部的沉积示意

如何保持混凝土透水的长效性是目前急需解决的问题，而透水混凝土的抗堵塞性能与透水性直接相关，通过分析混凝土堵塞机制可以更好地保障其透水的长效性，进而指导透水混凝土的设计与制备。Reiser等[11]把透水混凝土路面的堵塞分为两类：一类是因堵塞物缓慢沉积造成的堵塞；另一类是山洪暴发等背景下，地表径流中含有大量泥沙，造成透水混凝土的快速堵塞。为了研究透水混凝土的快速堵塞机制与过程，崔新壮等[1]基于电导率与联通空隙率的相关性研制了测试透水混凝土透水率的设备，分析了空隙率、砂砾粒径、地表径流对透水混凝土堵塞进程的影响，表示混凝土堵塞会经历3个过程：（1）孔隙快速堵塞；（2）孔隙部分恢复；（3）孔隙缓慢堵塞。相对于粗砂、细砂而言，全级配砂砾更容易造成透水混凝土的堵塞。蒋玮等[12]研究了多空沥青混合料的抗堵塞性能，发现空隙率、公称最大粒径的增大有利于增强沥青混合料的抗堵塞能力，沥青混合料容易发生堵塞的位置位于试件上部30 mm内，沥青混合料不同部位的关键堵塞物粒径亦不同。关于透水混凝土的堵塞机制及不同空隙状态下的关键堵塞物粒径目前仍不清楚，本文基于体积法控制混凝土空隙率，采用变水头测量装置测试混凝土的透水系数，分析混凝土空隙率与透水系数的关系；通过在透水混凝土表面均匀添加堵塞物质的方式，研究不同粒径、不同性质堵塞物对透水混凝土堵塞进程的影响，并分析不同空隙率下透水混凝土的抗堵塞能力。

1 试 验

1.1 原材料

集料：透水混凝土由10～20 mm单粒径集料组成骨架，性能参数见表1；水泥：蒲庙牌P·O42.5水泥，技术性能见表2；拌和水：自来水；减水剂：重庆振邦聚羧酸高效减水剂，固含量为10%，减水率为20%。

表1 集料的技术性能参数

表2 水泥的主要技术性能

1.2 透水混凝土的配合比及制备工艺

1.2.1 透水混凝土的配合比

透水混凝土的结构介于骨料堆积和普通混凝土状态之间，胶结料将骨料粘接在一起，形成强度。透水混凝土配合比设计过程中，要注意控制胶凝材料的用量，更应该注重胶结料浆体的流动性与混凝土孔结构的关系。如果胶结料浆体的流动性过大，透水混凝土成型时会面临很大的“堵孔”、“封底”的风险，这样成型的混凝土不具有透水功能。基于体积控制法计算透水混凝土中各种原材料的用量，实现混凝土空隙率的可控性，不同空隙率下透水混凝土的配合比见表3。

表3 透水混凝土配合比

1.2.2 制备工艺

混凝土的拌和采用水泥裹石法：先将集料和50%用水量加入搅拌机拌和30 s，再加入水泥、减水剂拌和40 s，最后加入剩余用水量拌和50 s。透水混凝土采用插捣方式成型：混凝土分2层装入模具中，每层插捣次数为25次，每层插捣完毕时，应该用橡皮锤敲击模具侧壁5次。

1.3 混凝土透水系数测试方法

混凝土透水系数的测量装置通常分为两类：一类是常水头透水系数测量装置，另一类是变水头透水系数测量装置。试验用水为自来水，考虑到采用自来水作为测试用水可能对常水头试验方法影响较大，因为自来水中的气泡会对混凝土中的空隙形成堵塞效应，随着测试的进行，可能会造成混凝土透水系数的测试数据偏小[13]，故本试验采用变水头测量装置测试混凝土的透水系数，如图2所示。

透水仪是一个透明有机玻璃框，尺寸为152 mm×152 mm×350 mm。试验具体步骤如下：（1）将标准养护28 d的150 mm×150 mm×150 mm混凝土试件嵌套进入有机玻璃框中，如图2（b）所示，然后用橡皮泥将透水混凝土顶面与有机玻璃框的缝隙密封，防止水的侧漏；（2）将水注入有机玻璃框中，加水至刻度160 mm处为止；（3）记录装置内水位高度从距试样上表面110 mm至10 mm的时间，精确至0.01 s。

图2 混凝土透水系数测试装置

混凝土试件透水系数按式（1）计算：

式中：K——试件的透水系数，mm/s；

Q——水位高度从距试样上表面110 mm至10 mm的水量，mL；

A——试件上表面透水面积，mm；

t——水位高度从距试样上表面110 mm至10 mm所消耗的时间，s。

1.4 混凝土堵塞试验设计

（1）堵塞物质：本试验堵塞物质包括玄武岩砂砾和黄泥。玄武岩砂砾：分别为0.15～0.3 mm、0.3～0.6 mm、0.6～1.18 mm、1.18～2.36 mm的单粒径砂砾以及全级配砂砾，其中全级配砂砾按m（0.15～0.3 mm砂砾）∶m（0.3～0.6 mm砂砾）∶m（0.6～1.18 mm砂砾）∶m（1.18～2.36 mm砂砾）=8∶15∶37∶40掺配；黄泥的粒径为0.6～2.36 mm。

（2）堵塞模式：堵塞次数计划为8次，每次堵塞物质质量为20 g，将堵塞物质均匀铺撒在试件表面，总计堵塞物质160 g（但有的堵塞物对透水混凝土的堵塞较严重，可能堵塞次数会小于8次，当透水混凝土的透水系数小于0.5 mm/s时，便不再往混凝土中加入堵塞物）。

（3）堵塞试验具体步骤：先将透水混凝土试样侧表面涂抹1层石蜡进行密封，再装入自制的变水头透水系数测定装置中，最后将试样与透水系数测定装置之间的缝隙用橡皮泥封堵住，防止侧漏，并在透水混凝土下方放置1个0.075 mm的筛子。

将淋浴喷头打开，采用变水头的方法测试透水混凝土的初始透水系数。待装置中的水完全流尽后，将20 g的堵塞物质均匀地铺洒在透水混凝土的上表面，然后缓慢打开淋浴喷头向试验装置中注水，注水过程中保证水的下落状态为滴落状以模拟实际雨水下落时对混凝土表面堵塞物质的冲击，该过程保持2 min，然后采用变水头的方法测试透水混凝土的透水系数，重复以上堵塞步骤，得到每次堵塞后混凝土的透水系数。

（4）堵塞率：通过定义透水混凝土的堵塞率反映渗透系数的衰减及混凝土的堵塞情况，按式（2）计算：

式中：B——堵塞率，%；

ki——透水混凝土经过i次堵塞后的渗透系数，mm/s；

KS——透水混凝土的初始渗透系数，mm/s。

2 试验结果与分析

2.1 空隙率对混凝土初始透水系数的影响

空隙率是影响混凝土透水系数最重要的因素，混凝土空隙率与透水系数的关系如表4所示。

表4 不同空隙率下混凝土的透水系数

由表4可见，随着空隙率的增大，混凝土的透水系数逐渐增大，这说明空隙率的增大有利于混凝土的透水。现阶段，CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》要求排水路面的透水系数不小于0.5 mm/s，而由表4可以看到，当混凝土的连续空隙率为15%时，其透水系数便能达到1.87 mm/s。对混凝土空隙率与透水系数进行了线性回归分析，R2达到0.9661，这说明混凝土空隙率与透水系数间存在高度的线性关系，通过混凝土连续空隙率大小就可以判断其透水性能。

2.2 不同粒径堵塞物对混凝土透水系数的影响

路面径流中含有不同粒径的泥沙、杂质，不同粒径的砂砾、杂质对混凝土的堵塞过程存在差异。图3为不同粒径堵塞物作用下，空隙率分别为15%、20%、25%混凝土透水系数的变化情况。

由图3可见：

（1）对于0.1～0.3 mm砂砾而言，其对空隙率15%的混凝土堵塞较严重，在经历5次堵塞循环后，15%空隙率混凝土的透水系数减小到0.5 mm/s以下；而对空隙率20%、25%混凝土的透水系数影响较小，随着堵塞次数的增加，混凝土的透水系数减小比较缓慢。试验中发现，0.15～0.3 mm砂砾不会残留在混凝土试件表面，而是一部分滞留在混凝土内部，其余部分随着混凝土内部联通空隙流出。0.15～0.3 mm砂砾在空隙率为15%混凝土内部滞留比例较多，这说明0.15～0.3 mm砂砾对在空隙率15%混凝土堵塞严重的原因，空隙率15%混凝土内部空隙尺寸较小，所以小粒径砂砾容易在混凝土内部形成堆积效应。

图3 在堵塞状态下混凝土的透水系数变化

（2）当堵塞物质为0.3～0.6 mm砂砾时，砂砾并没有通过混凝土的内部空隙流到筛子上，而是一部分堆积在混凝土上表面，其余部分砂砾残留在透水混凝土的空隙中，0.3～0.6 mm砂砾对3种空隙率的混凝土堵塞都较严重。

（3）0.6～1.18 mm砂砾不容易堵塞空隙率15%的混凝土，而对空隙率偏大的混凝土堵塞较严重，因为空隙率15%混凝土的内部空隙尺寸较小，0.6～1.18 mm砂砾大部分残留在试件表面，而不容易堆积在内部空隙，对于空隙率较大的混凝土，其便可以随着水流进入混凝土内部空隙，造成堵塞。

（4）1.18～2.36 mm大粒径砂砾在经历8次堵塞循环后，对3种空隙率混凝土的透水系数影响都较小，透水系数降幅较小，这是因为粒径较大的砂砾基本都残留在试件表面，堆积在试件表面的空隙，很难进入混凝土内部空隙中，而堆积的大粒径砂砾本身就具有一定的透水性。

（5）全级配砂砾对3种空隙率的混凝土堵塞都较严重，这是因为级配砂砾中含有各种不同粒径的砂砾，能形成一种填充效应，即小粒径砂砾填充在大粒径砂砾的空隙中，这样就容易堵塞空隙。在水流的作用下，大粒径砂砾会卡在试件表面的空隙中，然后小粒径砂砾对大粒径砂砾的空隙进行填充，随着堵塞次数的增加，混凝土的透水系数下降较快。

2.3 不同空隙率混凝土抗堵塞能力分析（见图4）

图4 不同空隙率混凝土的堵塞情况

由图4可见：

（1）对于空隙率为15%透水混凝土，随着堵塞次数的增加，透水混凝土的堵塞率逐渐上升。0.15～0.3 mm、0.3～0.6 mm砂砾是空隙率15%混凝土的敏感堵塞物颗粒，经过4次堵塞和8次堵塞后，混凝土的堵塞率分别达到73.11%、76.94%。从图中可以看到，当堵塞物为0.15～0.3 mm砂砾时，混凝土的堵塞率增长速度较快，说明其可以造成混凝土的快速堵塞；当堵塞物为0.6～1.18 mm砂砾、1.18～2.36 mm砂砾、全级配砂砾时，经历8次堵塞后，混凝土最终的堵塞率分别达到41.44%、25.0%、60.1%，说明0.6～1.18 mm砂砾、1.18～2.36 mm砂砾不容易造成空隙率15%混凝土的堵塞。

（2）对于空隙率为20%透水混凝土，经过8次堵塞作用后，全级配砂砾对空隙率20%混凝土的堵塞最严重，堵塞率达到75.21%。0.3～0.6 mm、0.6～1.18 mm粒径砂砾是空隙率20%混凝土的敏感堵塞物颗粒，8次堵塞后，堵塞率分别达到66.78%、67.13%。最小粒径和最大粒径堵塞物对混凝土的堵塞作用较小，当堵塞物质为0.15～0.3 mm砂砾、1.18～2.36 mm砂砾时，混凝土的最终堵塞率仅分别为30.8%、34.6%。

（3）对于空隙率为25%透水混凝土，各粒径堵塞物的堵塞情况与空隙率20%混凝土相似。0.3～0.6 mm、0.6～1.18 mm砂砾是空隙率25%混凝土的敏感堵塞物颗粒，全级配砂砾对混凝土的堵塞最严重，以上3种堵塞物都能使混凝土的堵塞率达到70%以上，而在0.15～0.3 mm、1.18～2.36 mm粒径砂砾的堵塞作用下，混凝土的堵塞率仅为30%左右。

从以上分析可知，不同空隙率的混凝土，其内部的联通空隙尺寸具有一定差异性，一般随着空隙率的增大，混凝土内部空隙的尺寸也会增大。若堵塞物粒径较小，则比较容易进入空隙，但对不同空隙率混凝土造成的堵塞程度不同。不同空隙率混凝土的敏感堵塞物粒径不同，意味着当面临同一堵塞环境（堵塞物粒径一致），不同空隙率混凝土的抗堵塞能力是具有差异性的，敏感粒径的堵塞物能造成透水混泥土的快速堵塞。当堵塞物质为全级配砂砾时，因其具有不同尺寸的砂砾，小粒径砂砾能填充大粒径砂砾的空隙，对各空隙率下的混凝土堵塞均较严重。

2.4 黏性堵塞物对混凝土堵塞过程的影响（见图5）

图5 黄泥对透水混凝土堵塞进程的影响

由图5可见，黄泥会快速堵塞混凝土内部空隙，15%空隙率混凝土经历2次堵塞作用后，其透水系数便降低到CJJ/T 135—2009要求的≥0.5 mm/s以下，而空隙率20%、25%的混凝土需经历4次堵塞作用。从堵塞率特征曲线可以发现，混凝土堵塞率增长幅度较大，混凝土在黄泥堵塞作用下，其最终的堵塞率达85%以上。

黄泥等具有黏性的堵塞物会导致透水混凝土的快速堵塞，因为黏性堵塞物会吸附在空隙内壁，在混凝土内部连续空隙中结团，而随着堵塞物的增多，团聚的堵塞物能很快将上部联通空隙密封，造成混凝土透水功能的失效。

3 结 语

（1）基于体积法设计不同目标空隙率混凝土，通过变水头测试装置测试混凝土的透水系数，发现空隙率与透水系数间存在高度的线性关系，R2达到0.9661。

（2）不同空隙率混凝土的敏感堵塞物粒径不同，当面临同样尺寸的堵塞物时，不同空隙率混凝土的抗堵塞能力具有一定差异性，敏感粒径的堵塞物能造成透水混泥土的快速堵塞。空隙率15%混凝土的堵塞物敏感粒径是0.15～0.3 mm、0.3～0.6 mm，空隙率20%、25%混凝土的堵塞物敏感粒径是0.3～0.6 mm、0.6～1.18 mm。

（3）全级配砂砾对不同空隙率的混凝土堵塞都较严重，因为级配砂砾中各种不同粒径的砂砾能形成一种填充效应，即小粒径砂砾填充在大粒径砂砾的空隙中，容易对混凝土连续空隙造成堵塞。

（4）黄泥等黏性堵塞物会在混凝土内部连续空隙中结团，导致透水混凝土的快速堵塞。