透水混凝土力学和透水性能影响因素研究

郑 东，吴荣兴，2，金佳妮，王海林

（1.宁波职业技术学院建筑工程学院，浙江 宁波315800；2.宁波大学机械与力学学院，浙江 宁波315211）

现代城市建设离不开混凝土材料，它构成了城市的主要地表，与自然地表相比，普通混凝土路面缺乏呼吸性、吸收热量和渗透雨水的能力，带来了一系列的环境问题［1-2］。透水混凝土路面可以降低城市降雨的峰值流量，并且能够使渗入的雨水得到部分净化［3-5］。因此透水混凝土的研制是解决国家“大城市”病的有效途径和构建“海绵城市”的必由之路。

透水混凝土强度的影响因素和提高强度的方法首先引起了研究人员的关注。在透水混凝土中加入各种掺料可以有效提高透水混凝土强度，但是会降低透水性［6-7］。透水性能的研究主要集中在骨料性质和成型过程对透水性能影响的分析，包括了透水混凝土空隙率和透水性能的理论分析［8-9］。与此同时，再生骨料透水混凝土的各种性能分析也得到了相应的研究［10］。

为了获得透水混凝土的最佳综合性能，这里分析了不同水灰比、骨胶比、外加剂和硅粉的透水混凝土的力学和透水性能，为透水混凝土的综合应用提供指导。

1 试验设计

1.1 原材料

试验采用水泥为上海海螺水泥有限责任公司生产的海螺P·O42.5普通硅酸盐水泥，质量符合《通用硅酸盐水泥（GB 175—2007）》要求。采用的粗骨料是来自宁波北仑某矿山的瓜子片。为了获得较高的透水性能，选用的石子粒径为5～10 mm，为不连续级配石子。采用的减水剂和硅粉分别为万山集团有限公司生产的萘系减水剂和清河县创盈金属材料有限公司生产的高纯硅粉，均符合相关国家标准。混凝土拌和用水采用宁波市北仑区当地自来水，符合《混凝土用水标准（JGJ 63—2006）》要求。

1.2 制作工艺

先将粗骨料和70%的水进行拌和并搅拌1 min，然后加入50%的胶凝材料和全部外加剂，继续搅拌1 min，最后将剩余的50%胶凝材料和30%的拌合水加入搅拌机，搅拌2 min。成型时将混凝土拌合物分三次，每次50 mm厚度装入150 mm×150 mm×150 mm的试模中，每层用钢筋或铁棒捣插约20次。试件成型后，带模覆盖养护，24 h拆模，送入标养室养护28 d。

1.3 抗压强度测定

试验参照《混凝土强度检验评定标准（GB 50107—2010）》规定测试透水混凝土试块的立方体抗压强度，试块荷载增加速度控制在0.3～0.5 MPa／s，并用下面公式计算

式中：σ、F、A分别为立方体混凝土的抗压强度、破坏荷载和受压面积。

实验设备采用宁波同和检测有限公司的全自动混凝土压力试验机。

1.4 透水性能测定

透水性能测定采用自制的简易透水性能测定装置，为两端开口的透明亚克力材质长方体。长方体侧面固定测量用的刻度尺，对试件的侧面缝隙采用滚蜡密封处理，保证水不往侧面渗漏［8］。实验过程中，往装置内加水到固定高度开始记录水柱自然下降所需的时间，透水性能用下式计算。

式中：K、H、t分别为透水系数、定水位点至透水面高度和透水时间。

2 实验结果与分析

透水混凝土的每个配合比制作3个标准试件，固定水量的透水时间取三组的平均值。首先分析水灰比对透水混凝土强度与透水性能的影响，骨胶比取1∶4，不掺任何外加剂。获得的透水混凝土抗压强度和固定水量的透水时间与水灰比关系见图1、图2。

图1 透水混凝土抗压强度与水灰比关系

图2 透水混凝土固定水量的透水时间与水灰比关系

从图1可以看出，随着水灰比的增加，透水混凝土强度先逐渐增加，当水灰比在0.26后逐渐下降。这一结果与普通混凝土的表现一致。在一定范围内，提高水灰比将增加混凝土的和易性和强度，当超过一定范围后，水灰比的提高会造成透水混凝土的自由水过多，混凝土成型后致密性降低，从而降低了透水混凝土的强度［4］。从图2可以发现，随着水灰比的增加，固定水量的透水时间先稍稍增加后逐渐减小。主要原因是随着水灰比的增加，透水混凝土的密实性能得到提高，导致透水率下降，特别是水灰比过大，稀稠的胶结浆体会堵塞透水空隙，造成封底现象。

图3和图4的透水混凝土的水灰比为0.24，不掺任何外加剂。从图3可知，随着骨胶比的增加，透水混凝土的强度先增加后下降。透水混凝土强度主要受粗骨料的影响，但是骨胶比到一定比例后，由于胶凝材料包裹不足，强度反而下降。由图4可知，随着骨胶比的增加，透水性能先增加后稍微下降，骨料的增加造成混凝土内部空隙率增加［9］。这样就确定透水混凝土的水灰比为0.24，骨胶比为1∶4，继续分析减水剂和硅粉掺量的影响。

图3 透水混凝土抗压强度与骨胶比关系

图4 透水混凝土固定水量的透水时间与骨胶比关系

这里需要指出的图5横坐标的混凝土减水剂掺量是非均值的。图5表明减水剂对透水混凝土强度还是有影响的，减水剂掺量增加后，降低水泥颗粒与粗骨料界面上水的张力，甚至消失，使得骨料间的润滑性更好，排列更紧密，从而强度得以提升。

图5 透水混凝土抗压强度与减水剂掺量关系

图6表明随着硅粉掺量的增加，透水混凝土强度得到明显提高，但是硅粉掺量在6%以后，强度出现下降趋势，该趋势和阮玉坤等在研究硅粉对低水灰比混凝土实验较为一致［11］。硅粉颗粒较水泥颗粒更为细小，比表面积更大，从而吸附了大量的自由水，使得粗骨料表面水膜变薄，改善了骨料界面的密实度；其次硅粉与水泥水化生成的Ca（OH）2反应，生成强度更高的（C－S－H）凝胶，从而增强了透水混凝土的强度。但随着硅粉含量的增加，当硅粉增加的强度不足以抵消由于水泥所提供的强度损失时，混凝土的强度便开始下降。随着硅粉掺量增加，透水性能略有增加［11］。综合考虑图1～6，可以选择水灰比为0.24，骨胶比为1∶4，添加1.5%减水剂和6%硅粉掺量的透水混凝土作为最佳配比。

图6 透水混凝土抗压强度与硅粉掺量关系

3 结 语

通过对不同水灰比、骨胶比、外加剂和硅粉掺量的透水混凝土试件的立方体抗压强度和透水性能实验，分析了水灰比、骨胶比、外加剂和硅粉对透水混凝土力学和透水性能的影响。提出了水灰比为0.24，骨胶比为1∶4，添加1.5%减水剂和6%硅粉掺量作为透水混凝土的最佳配比。