張敏特 ，朱袁潔 ，夏晗 ，何輝 ，沈嬌 ，吳慶

（1.江蘇科技大學(xué) 深藍(lán)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；3.浙江國泰建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 311200）

0 引言

近年來，隨著國家海綿城市建設(shè)的大力推進(jìn)，越來越多的城市開始利用透水鋪裝材料減少路面雨水徑流量[1]。由于普通混凝土中膠凝材料、骨料的粘結(jié)使其具有較高強(qiáng)度，但其孔隙率往往很低，造成材料無法透水；而透水混凝土由于其可透水并過濾雨水中的污染物、吸聲降噪、緩解“熱島效應(yīng)”等優(yōu)點(diǎn)逐漸被應(yīng)用于城市市政建設(shè)中[2]。傳統(tǒng)透水混凝土強(qiáng)度較低，難以滿足路面交通要求，存在透水系數(shù)與抗壓強(qiáng)度此消彼長的矛盾。如何使混凝土的孔隙率、透水系數(shù)與其抗壓強(qiáng)度間的矛盾縮小是進(jìn)行大規(guī)模鋪設(shè)透水路面的前提，也是當(dāng)前海綿城市建設(shè)中急需解決的難題[3]。迄今為止，國內(nèi)外有關(guān)透水混凝土的研究大多著眼于原材料及配合比的優(yōu)化[4]，通過提高膠凝材料對混凝土的粘接作用增強(qiáng)材料的強(qiáng)度與透水率，而對于其試塊的投料、成型、養(yǎng)護(hù)等制備工藝的研究報(bào)道較少。

本研究通過優(yōu)化透水混凝土制備工藝參數(shù)，從拌合、成型、養(yǎng)護(hù)條件等方面對標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊的透水性能與抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，探索強(qiáng)度高、透水性強(qiáng)的透水混凝土制備工藝，以期為路面透水混凝土的推廣應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：海螺牌P·O42.5水泥，主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 水泥的主要性能指標(biāo)

粗集料：南京產(chǎn)碎石，粒徑5.65~7.50 mm，堆積密度1568 kg/m3，壓碎值 5.28%，吸水率 1.2%，符合 CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》要求。

水：自來水。

減水劑：江蘇蘇博特公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，減水率為23.5%。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)CJJ/T 135—2009計(jì)算得到混凝土的配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（水）∶m（碎石）∶m（減水劑）=500∶110∶1450∶6。試驗(yàn)過程中，由于混凝土現(xiàn)場流動性較大，試塊表面易產(chǎn)生泛漿現(xiàn)象[5]，故最終將混凝土的水灰比由0.25降至0.22。

1.3 制備工藝

1.3.1 拌合工藝

固定水灰比均為0.22，通過二次投料、凈漿裹石2種投料方式，采用電動攪拌機(jī)（功率18.5 kW）攪拌，每組6個(gè)試塊，具體拌和操作如下：（1）二次投料法：先投入碎石與60%體積的水，攪拌1 min后加入剩余40%水和全部水泥，再攪拌2 min；（2）凈漿裹石法：先投入水泥與60%體積的水，攪拌1 min后投入碎石，再攪拌1 min以使石子表面包裹水泥漿，最后加入剩余40%水并攪拌1 min。

1.3.2 成型工藝

將攪拌均勻的混凝土裝入150 mm×150 mm×150 mm模具中，采用振動成型與擊實(shí)成型2種方式分別對試塊的透水性能與抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試，具體成型操作如下：（1）振動成型：將裝模后的試塊放至振動臺（功率1 kW，振動頻率50 Hz）中，每6個(gè)試塊為1組，分別振動4、8、12 s，每隔4 s暫停1次，將產(chǎn)生的空間填滿后繼續(xù)振動，最后用刮刀將模塊表面手工壓實(shí)抹平；（2）擊實(shí)成型：使用10 kg擊實(shí)錘對裝模后的試塊進(jìn)行均勻擊實(shí)，每6個(gè)試塊為1組，分別擊打10、20、30次，最后手工整平模塊表面。

1.3.3 養(yǎng)護(hù)方式

以每6個(gè)試塊為1組，分別以標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（溫度20℃，相對濕度95%）與水中養(yǎng)護(hù)（溫度18℃）的方式養(yǎng)護(hù)2組，其中第1組測試其7 d抗壓強(qiáng)度，第2組測試其28 d抗壓強(qiáng)度。

1.4 測試方法

1.4.1 力學(xué)性能測試

參照GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對透水混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)以及7 d、28 d抗壓強(qiáng)度測試，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。

1.4.2 孔隙率的測試

參照CJJ/T 135—2009，采用排水法，按照式（1）計(jì)算孔隙率n：

式中：n——混凝土試塊的連通孔隙率，%；

mw——彈簧秤測得水中試塊的質(zhì)量，g；

md——干燥混凝土試塊的質(zhì)量，g；

ρ水——自然狀態(tài)下水的密度，取1.0 g/cm3；

V——混凝土試塊自然狀態(tài)下的毛體積，cm3。

1.4.3 透水系數(shù)的測試

水泥漿與碎石間存在膠連關(guān)系，而透水混凝土中因?yàn)闊o細(xì)骨料，空隙較大，所以拌合方式與投料工藝對透水混凝土的強(qiáng)度及透水性能均有較大影響。而運(yùn)用上述排水法測試孔隙率時(shí)，試塊中的連通空隙與半連通空隙一同算入滲水量中，但透水混凝土中只有全連通空隙才可使水順利流過，造成了試塊透水性能測試上的偏差。因此，為更精確測試混凝土的透水性能，采用圖1所示定水頭透水系數(shù)測試裝置，在試塊澆筑時(shí)，每批同時(shí)用直徑100 mm、高度50 mm的模具澆筑透水系數(shù)測試試樣3個(gè)，養(yǎng)護(hù)7 d后取出。將試樣用石蠟密封后向溢流槽中加水使混凝土達(dá)到飽和，待水槽溢流孔中水流穩(wěn)定后，用量筒接水，記錄5 min內(nèi)流出的水量Q，測量3次取平均值。最后按照CJJ/T 135—2009要求計(jì)算試樣透水系數(shù)。

圖1 定水頭透水系數(shù)測試裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 成型試塊質(zhì)量對混凝土抗壓強(qiáng)度及透水性能的影響（見表2）

表2 成型試塊質(zhì)量對混凝土透水性能及抗壓強(qiáng)度的影響

混凝土制作時(shí)的成型工藝會極大地影響對其孔隙率、強(qiáng)度，并且從其單位質(zhì)量的大小可以直觀的反映出其透水系數(shù)與抗壓強(qiáng)度的變化。由表2可見，對于150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊，相同標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件與二次投料拌合工藝下，混凝土抗壓強(qiáng)度隨試塊質(zhì)量增大總體呈提高的趨勢，而透水系數(shù)隨混凝土質(zhì)量的增長而減小。根據(jù)混凝土抗壓強(qiáng)度與透水系數(shù)的要求，當(dāng)混凝土試塊質(zhì)量在6.6～7.0 kg，即試塊密度達(dá)到1.96~2.07 g/cm3時(shí)，2項(xiàng)指標(biāo)均符合路面鋪設(shè)要求，而成型工藝對混凝土的密度起著決定性作用。因此，為探究透水適量、強(qiáng)度高的透水混凝土，需通過比較控制試塊的振動與擊實(shí)來保證2個(gè)指標(biāo)的協(xié)調(diào)。

2.1.1 振動時(shí)間對透水性能的影響

振動成型可以較為均勻地加速混凝土成型過程，提升混凝土的密實(shí)度，從而提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。然而，由于振動過程中石子間孔隙較大，因此水泥漿會由于重力作用流向模塊底部，造成沉漿，使試塊的孔隙率大大降低，從而影響混凝土的透水率。因此通過控制振動時(shí)間對混凝土的沉漿與透水情況進(jìn)行試驗(yàn)觀測。表3對比了振動時(shí)間分別為4、8、12 s時(shí)試塊的透水情況。

表3 振動時(shí)間對混凝土透水性能的影響

由表3可見，振動4 s和8 s時(shí)，孔隙率較大，透水情況較好，而振動12 s時(shí)，試塊略有沉漿產(chǎn)生（見圖2），阻擋了上端水從底部滲出，故孔隙率較小。此外，當(dāng)振動時(shí)間為4 s時(shí)，試塊質(zhì)量較小，抗壓強(qiáng)度較低，所以只有振動時(shí)間為8 s時(shí)，采用振動成型的方式可同時(shí)滿足透水與強(qiáng)度要求。這主要是因?yàn)橄噍^于普通混凝土，透水混凝土的孔隙率較大，若振動時(shí)間過短，拌合物不能充分密實(shí)，導(dǎo)致試件的抗壓強(qiáng)度較低，但此時(shí)透水性較好；若振動時(shí)間過長，水泥漿體順著骨料間的空隙流走，雖然骨料之間的漿體會變少，但流走的漿體沉積在底部，導(dǎo)致底部大量碎石間隙被水泥漿填滿，影響混凝土的透水性能[6]。此外，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)采用振動成型容易使試塊邊緣部位壓實(shí)不均勻，導(dǎo)致進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試時(shí)混凝土由于邊緣開裂發(fā)生破壞，從而影響抗壓強(qiáng)度的測試。

圖2 振動成型下透水混凝土及底部沉漿

2.1.2 擊實(shí)次數(shù)對抗壓強(qiáng)度的影響

相較振動成型而言，通過擊實(shí)的方式可使試塊均勻成型，避免密實(shí)度不均勻。相關(guān)資料表明[7]，當(dāng)混凝土擊實(shí)次數(shù)低于40次時(shí)，由于混凝土內(nèi)部處于連通或半連通狀態(tài)，混凝土孔隙率能滿足透水鋪裝要求，因此重點(diǎn)研究擊實(shí)次數(shù)對混凝土強(qiáng)度的影響。在采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件與凈漿裹石拌合工藝時(shí)，擊實(shí)次數(shù)對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見表4。

表4 擊實(shí)次數(shù)對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由表4可見，隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯提高，當(dāng)擊實(shí)次數(shù)達(dá)到30次時(shí)，抗壓強(qiáng)度最高，可滿足透水鋪裝要求。主要原因是隨著擊實(shí)次數(shù)增加，顆粒在碎石空隙中相互鑲嵌，強(qiáng)化了顆粒間的機(jī)械咬合力[8]，包裹在集料表面的水泥漿粘結(jié)面增大并且擠壓密實(shí)，使水泥水化后的混凝土強(qiáng)度得到提升[9]。

2.2 拌合工藝對混凝土抗壓強(qiáng)度與透水性能的影響（見表5）

由表5可以看出：在相同標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)與8 s振動成型條件下，采用凈漿裹石拌合工藝的混凝土強(qiáng)度較二次投料工藝而言有著顯著的提高，并且此類投料方法試制的混凝土透水系數(shù)仍滿足透水鋪裝要求。主要原因在初拌合時(shí)，碎石表面較為干燥，且表面的毛細(xì)孔洞可以從水泥漿中吸收一些水，使第1次攪拌時(shí)生成“灰裹石”的顆粒，在第2次攪拌時(shí)，水泥漿直接與先前的顆粒相粘結(jié)，而且在此階段顆粒間可流動的水泥漿水灰比較總體水灰比有所降低，故能使混凝土顆粒的粘結(jié)力更強(qiáng)，達(dá)到一種相互搭嵌的效果（見圖3）。此外由于采用凈漿裹石，集料的吸水過程被延后，減小了混凝土的需水量，在一定程度上增加了強(qiáng)度，但是混凝土容易由于集料吸水減少了混凝土的凝固時(shí)間，這對路面鋪設(shè)有一定影響。二次拌合則使集料在早期即吸附大量的水分，拌合后易發(fā)生泌水現(xiàn)象，使得其強(qiáng)度明顯降低。

表5 拌合工藝對混凝土透水系數(shù)與抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 混凝土內(nèi)部“灰裹石”顆粒組合結(jié)構(gòu)

2.3 養(yǎng)護(hù)方式對混凝土抗壓強(qiáng)度與透水性能的

影響

混凝土在水化硬化中強(qiáng)度的發(fā)展在很大程度上受養(yǎng)護(hù)條件的影響，尤其對于孔隙率較大的透水混凝土[10]。在8 s振動成型和二次投料拌合工藝下，養(yǎng)護(hù)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)與水中養(yǎng)護(hù)對混凝土透水系數(shù)和抗壓強(qiáng)度的影響見表6。

表6 養(yǎng)護(hù)方式對混凝土透水系數(shù)與抗壓強(qiáng)度的影響

由表6可見，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的抗壓強(qiáng)度較水中養(yǎng)護(hù)的高，這主要是由于在水中水分不流失，水泥水化速度較快，對于普通混凝土而言會使骨料結(jié)合更緊密，而透水混凝土無細(xì)骨料，孔隙較大，因此對石子的相互粘接起著相反的作用[11]。

3 結(jié)論

（1）通過凈石裹漿的拌合工藝，配合擊實(shí)法成型，使試塊密度達(dá)到1.96~2.07 g/cm3，最后經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)蒸汽養(yǎng)護(hù)28 d后可使試塊透水系數(shù)達(dá)到3 mm/s以上，抗壓強(qiáng)度達(dá)到20~22 MPa，滿足一般交通路面使用要求。

（2）拌合混凝土?xí)r，通過水泥凈漿預(yù)先與石塊包裹拌勻，可提高混凝土顆粒的嵌實(shí)度，在保證混凝土孔隙率的同時(shí)不影響石粒間的粘接。

（3）混凝土試塊成型時(shí)，采用擊實(shí)法可避免試塊產(chǎn)生沉漿現(xiàn)象，避免底部水泥漿阻擋水分的滲透，使孔隙率達(dá)到15%~20%。

（4）在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，水泥水化速度較水中養(yǎng)護(hù)相對較慢，可使混凝土之間粘結(jié)更加緊密，避免水泥漿堵塞顆粒中的空隙。