基于不同骨料级配的透水混凝土试验研究

季香华

(盘山县农业水利事务服务中心，辽宁 盘锦 124100)

人与自然协调共生为配置生态友好型、环境舒适型混凝土提供了思路，透水混凝土的投入使用可以补充地下水，减缓城市地下水位下降、缓冲土壤毛细管水蒸发以及改善城市道路路面缺陷，对于维护生态圈平衡、促进地下水循环和缓解城市热岛效应发挥着积极作用，为推动海绵城市建设和自然生态系统良性循环做出突出贡献[1]。李秋实等[2]全面探讨了透水混凝土渗透性及强度受再生集料的影响，并指出透水混凝土性能与集料级配、类型密切相关；张雪丽等[3]综述了透水混凝土施工技术和研究现状等内容。

辽西地区正积极打造“海绵城市”，以应对近年来日趋剧烈的环境变化和自然灾害，城市如同海绵一样，雨季净水、吸水、渗水、蓄水，旱季“释放”，以缓解供水压力。该地区土质疏松，土层较薄，土壤颗粒间的胶结结构受雨水浸润作用发生破坏，从而影响路基的整体稳定性。因此，必须充分考虑土质特点，因地制宜的制作透水混凝土地面。文章对比分析了不同骨料级配的透水混凝土试验，探讨了透水混凝土力学和宏观性能受粗骨料级配的影响规律。

1 试验方案

1.1 原材料性能

试验所用水泥为P·O 42.5级，水泥性能指标，见表1。试验选用3种不同的骨料级配：粒径16-32mm：10-20mm=7：3的混合级配、粒径16-32mm与10-20mm的单一级配、粒径5-16mm的连续级配。卵石由商混凝土站统一提供，含泥量0.6%，堆积密度和表观密度为1635kg/m3、2780kg/m3，粉煤灰掺合料为Ⅱ级，试验用水为自来水。

表1 水泥性能指标

1.2 配合比设计

浆体流动性主要取决于水灰比，由于无法直接使用传统方法测试透水混凝土塌落度，拟利用跳桌试验检测法[4]，并掺入适量的减水剂加以调整，故设计水胶比取0.3。本试验利用体积法进行配合比设计，配合比设计，配合比设计，见表2。

表2 配合比设计

1.3 试件成型

根据配合比设计原则，利用人工搅拌的方式配制透水混凝土，操作流程为：①将1/4的用水加入粗骨料中，均匀搅拌25s；②然后把1/2水泥加入表面已湿润的骨料，匀速拌合35s；③搅拌完成后，将1/2水泥+1/4水再搅拌40s；④将剩余水加入，再次拌合45s；⑤拌合物出料后分层装入模具，机械振捣密实并放入标养室养护至规定龄期，为防止养护过程中水分蒸发，利用塑料薄膜覆盖试件表面。

2 试验方法

2.1 强度测定

依据《标准》[5]有关规定进行混凝土试件强度测试，抗折试件用钢膜成型，大小为150mm×150mm×600mm，每种级配分别制作5个抗折试件。成型后，采用薄膜覆盖并放入室温环境静置1d，然后拆模、编号并标准养护28d，结合试验要求分两组分别测定其抗压与劈裂强度。

2.2 透水系数

透水系数采用不变水头法测试，主要流程为：①制作圆柱体试件并标准养护至规定龄期，试件尺寸φ10cm×20cm；②对试件蜡封确保侧面不流出水，然后将饱水后的试件安放至测试装置，控制水头保持15cm；③密封后注水至水从透水仪出水口流出，继续注水直至顶部水位不发生变化停止操作，记录时间并利用下式计算透水系数k(cm/s)，即：

(1)

式中：h、H为试件顶面恒定水头和试件高度，cm；A为试件断面面积，cm2；Q为出水口溢出水量，cm3；t为出水测试时间，s。

保持其他条件不变，对每个试件分别测定5次透水量，记录透水量基本稳定时的数据，删去最小值与最大值后计算平均值，代入以上公式确定透水系数[6]。记录测试过程中的水温，并转换计算标温下的透水系数k15。

2.3 孔隙率

对于孔隙率利用质量法进行测定，其基本原理是计算试件饱水与烘干时的质量差值，以此作为孔隙结构饱水时的浮力[7]。该状态下可利用理论与实际浮力的差值作为孔隙率p(%)，计算表达式为：

(2)

式中：ω2为饱水；ω1为烘干时的试件质量，g；v为时间体积，cm3。

2.4 抗冻性能

目前，国内外尚未形成系统完善的透水混凝土冻融破坏机理，其与内部临界饱和度以及水分不连续迁移有关。抗冻性拟选用盐冻法测试，主要流程为：①采用标准钢膜制作试件，中间用隔板隔开；②成型后制作75mm×150mm×150mm试件，放入标养室养护至规定龄期；③采用环氧树脂进行防水处理，配置试验溶液为3%氧化钠溶液；④将处置好的试件放入冰箱中并通电开始冻融循环，定期记录剥蚀质量，计算累积损失。

2.5 收缩性能

透水混凝土抗拉强度<收缩应力时就会产生收缩裂缝，而裂缝的存在会给材料的使用造成一定程度的影响。《标准》[8]明确规定，骨料粒径超过30mm时必须用专用试模成型，即150mm×150mm×515mm试件模，每种级配分别制作3个试件。贴谱塑料薄膜以防模具内壁受收缩作用的限制，然后将测头埋置模具两端进行浇筑，安设千分表并调试置零；标准养护至3d龄期后取出测定试件的初始长度，然后每隔3d测量一次，记录变形读数并确定干缩系数，并以平均值作为最终收缩系数，计算精度1×10-6。

2.6 表观密度

振捣密实后，单位体积上的混凝土拌合物质量就是其表面密度，试验操作严格执行标准规范[8-9]，一般利用下式计算拌合物表观密度ρ(kg/m3)，即：

(2)

式中：m1为量筒质量；m2为拌合物的总质量，kg；v为量筒体积，L。

3 结果与分析

试件物理力学性能统计表，见表3。结合检测结果探讨分析不同骨料级配的影响作用。

表3 试件物理力学性能统计表

3.1 强度与粗骨料级配的关系

骨料级配是影响混凝土强度的重要因素，不同龄期与强度关系曲线，见图1。对比分析3、4曲线可知，单一级配骨料的混凝土强度随骨料粒径的增大而减小，这是由于水泥用量保持不变的情况下，粗骨料粒径越小则单位体积比表面积越大，内部骨料间的接触点越多，相应的骨架胶结作用越强，受力后破坏强度高于试件4。

图1 不同龄期与强度关系曲线

随龄期变化抗压强度表现出较小的离散型特征，其中连续级配粗骨的强度曲线变化趋势较其他三组更为明显。这是由于单一级配骨料间的接触点少、胶结作用较弱，并且成型过程中骨料粒径越大多余水泥越易沉积于底部，从而明显降低强度。

骨料级配的抗折强度，见图2。图2表明内部孔隙分布不均匀是引起透水混凝土沿脆弱断裂面破坏的关键，从而使得强度出现明显的改变，并且早期抗折强度发展较快。

图2 骨料级配的抗折强度

通过对比图3中的曲线3、4可知，龄期相同时试件3的强度略低于试件4，这种变化规律与抗折抗压强度变化不符，这主要与不均匀的孔隙分布相关。根据多项式y=ax2+bx+c，经数学计算x=-2a/b时曲线有最大值，从理论上讲试件1的劈裂强度达到峰值的时间为58d，随后逐渐平缓，而试件4的劈裂强度达到峰值的时间为78d。不同骨料级配的劈裂强度，见图3。

图3 不同骨料级配的劈裂强度

3.2 透水系数与粗骨料级配的关系

骨料粒径与透水系数关系图，见图4。图4表明：透水系数与颗粒级配之间的线性关系不明显，即曲线斜率随骨料粒径的改变(5-16mm增加到16-32mm)快速上升，由此表明单一级配的透水系数要高于混合、连续级配，并且透水系数随粒径的增大而增加。深入分析发现，骨料粒径越大则内部的接触点和胶结面积越少，所以内部的孔隙率越高，孔隙率越高则透水系数就越大，突出了透水系数受骨料粒径影响显著的特性[10-11]。采用透水仪记录的5-16mm粗骨料粒径混凝土溢出水量，溢出水量统计表，见表4。

表4 溢出水量统计表

图4 骨料粒径与透水系数关系图

3.3 孔隙率与粗骨料级配的关系

骨料粒径与孔隙率关系图，见图5。图5表明骨料粒径在一定程度上影响着孔隙率，骨料粒径越大则孔隙率越高，特别是从5-16mm增大至16-32mm时，孔隙率上升趋势明显。深入分析可知，骨料粒径越大则内部的孔隙率和孔洞尺寸就越大，接触点越少，并且单一级配的孔隙率更高，单一级配水平段曲线会引起级配不连续，无法充分填充内部孔隙导致孔隙率较高。

图5 骨料粒径与孔隙率关系图

3.4 抗冻性与骨料级配的关系

龄期与干缩系数关系图，见图6。图6表明随骨料级配以及冻融次数的增加透水混凝土质量损失累积率呈波动上升趋势，其中单一级配的质量损失累积速率较快，连续级配速率最慢。冻融初期，试件3的质量损失速率>试件4，冻融循环4-8次后逐渐慢于后者。临界状态时，试件1、4的质量损失累积为18.78g、22.41g，随骨料粒径的增加抗冻性能和冻融次数均明显增加。

图6 龄期与干缩系数关系图

3.5 收缩性与粗骨料级配的关系

龄期与干缩系数的关系同，见图7。图7表明在28d时干燥收缩达到80%，透水混凝土于90d时趋于稳定，相同条件下试件1的干缩值明显<试件3，随龄期变化混凝土干燥收缩系数变化，干缩试验结果，见表6。

水泥浆或水泥石直接决定了透水混凝土的干燥收缩性，混凝土内部存在毛细孔、凝胶孔、气孔等多种孔隙，孔隙内包含一定水分。干缩过程中，毛细孔和气孔中的水分会首先蒸发，透水混凝土干缩值不受气孔水分蒸发的影响，而毛细孔外部压力要低于内部，在负压作用下回形成收缩力。水膜失去后，凝胶颗粒间的范德华力会引起干燥收缩。因此，混凝土收缩主要受水泥用量的影响。试件1的龄期与干缩系数关系式可表示成：y=67.05lnx+5.712，其中t处于0-120d，同样可以确定其他级配的龄期与干缩系数。

图7 龄期与干缩系数的关系

表6 干缩试验结果

3.6 表观密度与粗骨料级配的关系

表观密度与骨料粒径的关系，见图8。图8表明，试件1、2的表观密度处于处于1760-1780kg/m3之间，总体上接近，而试件4为1720kg/m3，表明骨料粒径越大则表观密度越小。试件1、2孔隙率较低的原因是连续级配的小颗粒骨料填充了内部孔隙，从而增大了表观密度。因此，单一级配骨料的孔隙较大，从而降低了混凝土表观密度。

图8 表观密度与骨料粒径的关系

4 结 论

1)连续级配高于单一级配的表观密度，骨料粒径越大则单一级配混凝土的透水性越好，孔隙率越高，但强度较弱，而连续级配混凝土的强度最高、透水性最差。

2)随龄期的变化不同级配混凝土强度呈离散型分布，这与混凝土多孔性有关，随龄期发展混凝土强度曲线呈非线性。

3)通过对比盐冻与干缩试验发现，相同条件下连续级配的透水混凝土收缩性能良好，干缩系数和质量损失累积小，可在一定程度上提升其抗冻性能。