骨料对透水混凝土性能影响

俞婷婷 廖华忠 李 琴

(1.中交一公局厦门工程有限公司，厦门 361021；2.厦门产业技术研究院，厦门 361021)

0 前言

透水混凝土是由胶凝材料、粗骨料、水、外加剂等拌制而成， 由胶凝材料浆体包裹骨料粘结形成蜂窝状结构的多孔混凝土。 由于其内部的孔隙率能达到15%～25%，所以，透水混凝土具有透气、透水的特点，能够缓解城市热岛效应、保护地下水资源和改善土壤生态环境，是一种优良的路面材料。 随着海绵城市建设上升至国家战略层面，透水混凝土作为海绵城市建设的重要组成部分，透水混凝土也逐渐应用于城市非机动车道、广场、停车场等，已成为国内学者竞相研究的方向。

透水混凝土为骨架空隙结构，作为骨架的粗骨料，其粒径大小、 级配范围等指标对透水混凝土的主要性能有着很大的影响，包括强度及透水性。 一般来说，骨料的粒径越小、级配越好，骨料的堆积密度就越大，其堆积的孔隙率也就越小。 基于此，有学者研究得出这样的结论：由骨料粒径小配制的透水混凝土，其颗粒间的接触点多，则孔隙率偏小，抗压强度偏高；反之，由骨料粒径大配制的透水混凝土，其堆积密度偏小，则可以提高透水性，强度偏低。

1 试验

1.1 原材料

(1)水泥：闽福P.O 42.5 水泥，性能指标如表1 所示。

(2)粗骨料：粗骨料共有2 种，分别为碎石和卵石，骨料的粒径分别为3～5mm、5～10 mm、10～16 mm、16～20 mm和20～25mm 共5 种。

(3)减水剂：聚羧酸，其性能指标如表2 所示。

表1 水泥性能指标

表2 减水剂性能指标

(4)拌和及养护用水：饮用水。

1.2 试验方法

1.2.1 成型方法

透水混凝土为多孔结构，不宜采用机械振动的方法。如果采用机械振动方法，会导致水泥浆体沉底，造成试件底部封闭，因此，成型方法宜采用“静压力成型方法”[1]。

1.2.2 测试方法

透水系数的测试：

透水系数采用公司自主研发的实用新型专利装置[2]测定， 该装置主要是将原有的刚性套筒改换成由硅胶制成的柔性密封套筒， 同时设计有三个自锁钢扎带分别位于筒体与量筒之间、待测试件的上下端面处，通过自锁钢扎带的挤压， 柔性筒体的自由变形完成各接触面间的密封，保证了试件的有效过水面积和连接的牢固性。透水系数测试仪如图1 所示。 透水系数测试方法依据CJJ/T 135-2009 附录A 中的透水混凝土透水系数测试方法进行。

图1 透水系数装置

1.3 配合比设计

本试验采用绝对体积法来进行透水混凝土配合比设计，基准配合比如表3 所示。

表3 基准配合比(kg/m3)

2 试验结果与分析

2.1 骨料类型和粒径对透水混凝土性能影响

常见用于配制混凝土的粗骨料有碎石和卵石。 一般情况下，碎石表面粗糙，棱角分明，摩擦阻力大；而卵石没有棱角棱边，多呈球形或椭圆形，且表面光滑，摩擦阻力小。骨料的形状、表面粗糙程度是影响骨料与水泥石之间粘结强度的重要因素。 本次试验选取了粒径分别为3～5mm、5～10mm、10～16mm、16～20mm 和20～25mm 的碎石和卵石2 种骨料，研究其对透水混凝土28d 强度、透水性能的影响，试验结果如图2 和图3 所示。

图2 抗压强度

图3 透水系数

通过图2、3 可以看出： 由碎石和卵石配制的透水混凝土，其骨料对透水混凝土的抗压强度有较大的影响，对透水系数影响不大。仅看3～5mm 的粒径，可以看出，由碎石配制的透水混凝土，其28d 抗压强度为24.2MPa，而由卵石配制的，其强度为19.9MPa；两者的透水系数相差不大。 其他规格粒径，也有相同规律，这说明，在相同粒径时，碎石骨料较卵石更优于配制透水混凝土。这是因为碎石骨料较卵石摩擦力大、机械咬合作用强。

通过图2、3 可以看出：骨料粒径的大小，不仅对透水混凝土的强度有较大影响，而且对透水性能也影响显著。通过以上试验，我们得出如下结论：(1)骨料粒径越大，透水混凝土的抗压强度越低，但是随骨料粒径增大，其透水性能越好；(2)骨料粒径大于某一范围后，其抗压强度显著降低，一般情况，骨料不选择粒径大于16mm；(3)在满足透水率的情况下，最佳粒径为5～10mm。 这是因为，骨料粒径越大，骨料间接触点就越少，空隙就越多，从而导致强度降低，但透水性能会变好。

2.2 骨料压碎值对透水混凝土力学性能的影响

透水混凝土主要由粗骨料之间相互咬合形成骨架结构，粗骨料的强度之间影响了透水混凝土的力学性能。粗骨料的强度通常用压碎值表征。 本试验使用了四种不同压碎值的碎石，研究其对透水混凝土力学性能的影响，骨料粒径均为5～10mm，配合比如表4 所示。

表4 压碎值对力学性能的影响

图4 压碎值对透水混凝土力学性能的影响

通过表4 及图4 看出骨料的压碎值显著影响透水混凝土的抗压强度， 而对抗折强度影响不大， 试验结论如下：(1)随着压碎值的减小，透水混凝土抗压强度越大。 (2)随着压碎值的减小，透水混凝土抗折强度有增大趋势，但不明显。

由于制备透水混凝土主要选用单粒径级配或者间断级配， 大粒径骨料之间的孔隙没有得到小粒径骨料的有效填充，无法像普通混凝土那样，达到稳定的镶嵌效果。透水混凝土在受到外力的状态下， 其内部主要是依靠骨料之间的接触点来承受荷载，容易产生应力集中的现象，导致骨料被破坏，从而影响透水混凝土抗压强度。

2.3 骨料级配对透水混凝土性能的影响

本试验以5～10mm 碎石为基础， 通过掺入3～5mm、10～16mm、16～20mm 骨料， 分别按照100%、70%、50%、30%、0%设计五种配比关系，应用混料设计方法进行试验设计。5～10mm 碎石，掺入3～5mm 碎石的试验结果如表5和图5 所示；掺入10～16mm 碎石的试验结果如表6 和图6 所示； 掺入16～20mm 碎石的试验结果如表7 和图7 所示。

表5 掺3～5mm 试验结果

图5 掺3～5mm 对透水混凝土性能的影响

表6 掺10～16mm 试验结果

表7 掺16～20mm 试验结果

图6 掺10～16mm 对透水混凝土性能的影响

图7 掺16～20mm 对透水混凝土性能的影响

由表5～7 和图5～7 可以看出： 骨料级配显著影响透水混凝土的力学性能和透水性能。以上试验结果表明：(1)掺入骨料粒径较小时，随着掺入的增加，试块的抗压强度增大，孔隙率、透水系数减小；(2)掺入骨料粒径较大时，随着掺入的增加，试块的抗压强度有所降低，孔隙率、透水系数有所增大。

这是因为，掺入大粒径骨料时，整体骨料粒径越大，骨料间接触点就越少，空隙就越多，从而导致强度降低，但透水性能会变好。 相反，掺入小粒径骨料时，整体骨料粒径越小，从而导致强度增大，但透水性能会变差。因而，采用两种不同粒径的骨料配制透水混凝土时， 再应通过试验确定骨料的最佳配比，获得良好的强度和透水性能。本试验中骨料最佳配比为5～10∶3～5=7∶3、5～10∶10～16=5∶5、5～10∶16～20=1∶0。 说明，骨料粒径相差较大时，粒径5～10mm 和16～20mm 骨料没有形成有效的搭接骨架，因而其两种骨料复掺的效果不如单粒径5～10mm。

3 结论

通过上述研究得到以下结论：

(1)在相同粒径时，碎石骨料较卵石更优于配制透水混凝土。 选择碎石骨料时，透水混凝土的抗压强度较大；碎石和卵石对透水系数影响不大。

(2)单级配配制透水混凝土时，骨料粒径越大，透水混凝土的抗压强度越小，孔隙率和透水系数越大；在满足透水性能的情况下，小粒径骨料更适合配制透水混凝土，最佳粒径为5～10mm。

(3)骨料压碎值显著影响透水混凝土抗压强度，压碎值越小，抗压强度越大；骨料压碎值对透水混凝土抗折强度影响不明显。

(4) 采用两种不同粒径的骨料配制透水混凝土时，再应通过试验确定骨料的最佳配比， 获得良好的强度和透水性能。 本试验中骨料最佳配比为5～10∶3～5=7∶3、5～10∶10～16=5∶5、5～10∶16～20=1∶0。