吳晗?李慧?陳吳璇

摘 要：本文通過選用不同品種及不同粒徑的粗骨料制備混凝土，研究粗骨料品種及其粒徑大小對(duì)透水混凝土力學(xué)性能和透水性能的影響。研究結(jié)果表明天然粗骨料配制的透水混凝土不論是力學(xué)性能還是透水性能都要優(yōu)于再生骨料配制的透水混凝土;相同來源的骨料粒徑越大則抗壓強(qiáng)度越低，透水性能越好。期望在此研究基礎(chǔ)上能優(yōu)化骨料在透水混凝土中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：粗骨料;粒徑;透水混凝土

隨著城市化建設(shè)的不斷推進(jìn)，混凝土已經(jīng)成為建筑工程領(lǐng)域中最為常見的一種建材，傳統(tǒng)混凝土總是密實(shí)不透水，由此帶來的城市水環(huán)境問題和熱島效應(yīng)等問題愈發(fā)突出顯著。透水混凝土因其具有高滲透、吸聲降噪等性能，克服了傳統(tǒng)混凝土透水性能差的問題，使得其在國內(nèi)外眾多工程中得以應(yīng)用。本文以透水混凝土的兩個(gè)主要性能指標(biāo)：力學(xué)性能和透水性能為研究對(duì)象，從粗骨料種類、品質(zhì)來對(duì)混凝土兩大性能進(jìn)行研究。

1 原材料

1.1 骨料：骨料粒徑為 4.75mm～9.5mm 的單級(jí)配石灰?guī)r碎石，達(dá)州碎石廠。物理性能如下表1：

1.2 水泥：PII52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其中石灰的摻雜量低于5%，南京小野田水泥有限公司。其主要技術(shù)性質(zhì)如下表2：

1.3 減水劑：巴斯夫 F10 三聚氰胺減水劑，上海鍇源化工科技有限公司。性能指標(biāo)如下表3：

2 配合比的確定

在本試驗(yàn)中，需要找出一個(gè)使得混凝土具有相對(duì)較高的強(qiáng)度及較好的透水性的配合比作為該試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)。通過參考其他學(xué)者的研究成果之后，將試驗(yàn)對(duì)照組的配合比確定為：集灰比為4.3，水膠比為0.25，骨料粒徑為4.75mm～9.5mm，以此組配合比作為整個(gè)試驗(yàn)的基準(zhǔn)， 在此配合比的基礎(chǔ)上通過改變水膠比進(jìn)行進(jìn)一步探究。

3 實(shí)驗(yàn)過程

采用分詞投料法使水泥能夠均勻包裹在骨料表面，投料之前先用濕抹布潤(rùn)濕攪拌機(jī)，然后將稱好的減水劑加入水泥中攪拌均勻。再將骨料和膠凝材料與外加劑的混合物加入攪拌機(jī)中攪拌 60 秒使骨料與石子充分混合。為了使拌合物中水分比較均勻故水的加入則分三次進(jìn)行，三次加水的時(shí)間間隔為 40 秒。待最后一次水加入后再攪拌 60 秒。

攪拌結(jié)束后，立即將新拌的透水混凝土裝入試模中，采用分層振搗與重力擊實(shí)相結(jié)合的方法，用搗棒從外側(cè)向中心螺旋插搗20次，然后用制的擊實(shí)儀對(duì)混凝土進(jìn)行擊實(shí)，考慮到每層澆筑時(shí)要使分層處也緊密粘結(jié)，決定將一、二、三層的擊實(shí)次數(shù)定為 3，3，6 次，保證透水混凝土的密實(shí)性，最后抹平收面，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)24h后拆模，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)28d。后測(cè)定透水混凝土各類性能：力學(xué)性能和透水性的測(cè)定。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定方法

4.1 抗壓強(qiáng)度：根據(jù)我國《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2002） 中的規(guī)定，普通混凝土的抗壓強(qiáng)度應(yīng)按照下式計(jì)算：

式中，

fcc，透水混凝土試件的抗壓強(qiáng)度，MPa;

F，透水混凝土試件的破壞荷載，N;

A，試件的承壓面積即橫截面積，m2。

由于本試驗(yàn)制作得的試件為底面直徑 100mm，高 200mm 的圓柱體試塊，由于與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)立方體試150mm×150mm×150mm 不同，根據(jù)學(xué)者辛雁清的研究，在相同配比及制作工藝的條件下，高度h與最大底面長(zhǎng)度d會(huì)對(duì)抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生影響。同樣，內(nèi)維爾也在大量的試驗(yàn)及其分析中建立了抗壓強(qiáng)度與不同尺寸及不同形狀試塊之間抗壓強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換，即內(nèi)維爾公式：

式中：

P，所測(cè)得的抗壓強(qiáng)度，MPa;

P0，轉(zhuǎn)化得標(biāo)準(zhǔn)立方體試件的抗壓強(qiáng)度，MPa;

h，試件底面直徑，in;

d，試件高度，in;

V，試件的總體積，in3。

抗壓強(qiáng)度采用抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)測(cè)得再根據(jù)內(nèi)維爾公式轉(zhuǎn)換即可的到圓柱形試件的抗壓強(qiáng)度。

4.2 有效孔隙率：使用質(zhì)量法測(cè)定透水混凝土的有效孔隙率是實(shí)驗(yàn)室甚至是現(xiàn)場(chǎng)最常用的透水混凝土有效孔隙率的測(cè)定方法，根據(jù)楊婷惠的研究，測(cè)定方法如下： 首先，將整個(gè)試件完全浸沒到水中，等到無氣泡產(chǎn)生并且質(zhì)量無變化及讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)，讀出試件的質(zhì)量記作m1;其次將試件取出放置在空氣中至少24小時(shí)晾干，之后每間隔2小時(shí)測(cè)量一次試件的質(zhì)量，待連續(xù)兩次質(zhì)量無變化時(shí)，測(cè)出透水混凝土試件的質(zhì)量記作m2。再根據(jù)體積公式計(jì)算出透水混凝土試件的總體積記作V，則可求出該試件的有效孔隙率Qe為：

式中：

m1，試件在水中的質(zhì)量，g;

m2，試件在空氣中的質(zhì)量，g;

V， 試件的總體積，cm3;

ρw，水的密度，g/cm3。

4.3 透水系數(shù)：一般來說，滲透系數(shù)的測(cè)定方法分為固定水頭法和變水頭法兩種，通常情況下，滲透性很差的材料（一般滲透性小于 0.001cm/s）因?yàn)榱髁刻?huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差過大，而只由粗骨料為骨架的透水混凝土透水系數(shù)較大，一般大于 0.3cm/s，因此采用固定水頭法測(cè)定。

要想求得透水混凝土試件的滲透系數(shù)，則需要計(jì)算出水力梯度 i 以及透水混凝土試件中水流的滲透速度，水流的滲透速度又可根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)透過試件的過水量 Q 求出，其計(jì)算公式為：

式中，

Q，測(cè)定時(shí)間 t 內(nèi)試件的過水量，cm3;

試件的截面面積，cm2;

t，測(cè)定時(shí)的時(shí)間段，s。

根據(jù)上式計(jì)算出滲透系數(shù) v 之后，可根據(jù)下式計(jì)算出透水系數(shù)：

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 粗骨料種類對(duì)透水混凝土性能的影響

本次試驗(yàn)以三種不同的粗骨料但構(gòu)造相同的顆粒級(jí)配（粒徑范圍在5mm-10mm設(shè)計(jì)的集灰比4.3，水膠比分別為0.25，0.30，0.35），分別對(duì)這幾種不同粗骨料設(shè)計(jì)的透水混凝土力學(xué)性能和透水指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，分別得到28d 抗壓強(qiáng)度和有效孔隙率、透水系數(shù)數(shù)據(jù)如下表所示：

結(jié)合以上三表和三個(gè)數(shù)據(jù)分析圖可以看出：種類不同，粒徑相同的粗骨料在不同水膠比下制備的混凝土對(duì)混凝土力學(xué)性能和透水性能的影響趨勢(shì)相同，即天然骨料的抗壓強(qiáng)度大于再生骨料A大于再生骨料B，天然骨料的有效孔隙率大于再生骨料A大于再生骨料B，天然骨料的透水系數(shù)大于再生骨料A大于再生骨料B。

從針片狀含量看，天然骨料的針片狀含量高于A的針片狀含量高于B的針片狀含量，由于骨料中針片狀的顆粒會(huì)使混凝土的空隙率變大，受力后還容易被折斷，使得混凝土強(qiáng)度降低。這是摻入再生骨料A和再生骨料B制備的混凝土抗壓強(qiáng)度低的原因。

從吸水率看，由于再生骨料的吸水率高于天然骨料，使得骨料的可用凈水灰比降低，導(dǎo)致在攪拌混凝土?xí)r，水泥漿因?yàn)閮羲冶鹊慕档投兊酶捎?，與骨料不能充分粘結(jié)，致使堵塞了骨料之間的間隙，使之不能形成上下聯(lián)通的透水通道，最終導(dǎo)致了透水性能差。

根據(jù)相關(guān)研究論述，在一般粗骨料配置的混凝土中，力學(xué)性能主要由水泥漿體強(qiáng)度來決定，但是在粗骨料強(qiáng)度偏低時(shí)則取決于骨料強(qiáng)度。本實(shí)驗(yàn)中天然骨料的壓碎指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于再生骨料，再生骨料的強(qiáng)度低于天然骨料，從而可能導(dǎo)致了再生骨料制備的混凝土由再生骨料強(qiáng)度決定從而偏低，天然骨料配制的透水混凝土強(qiáng)度主要取決于水泥漿的強(qiáng)度。

5.2 粗骨料粒徑對(duì)透水混凝土性能的影響

本次試驗(yàn)以骨料種類相同而顆粒級(jí)配不同的再生骨料配制透水混凝土，（其中集灰比4.0，水膠比分別為0.25，0.30，0.35），對(duì)這幾種不同粗骨料設(shè)計(jì)的透水混凝土力學(xué)性能和透水指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，分別得到28d 抗壓強(qiáng)度、有效孔隙率、透水系數(shù)數(shù)據(jù)如下表所示：

從以上三表和三圖分析，不同配合比設(shè)計(jì)對(duì)透水混凝土力學(xué)性能和透水性能影響十分大，其中水膠比越大，透水混凝土力學(xué)強(qiáng)度稍微降低，但透水系數(shù)和聯(lián)通孔隙率都相應(yīng)上升。在相同配合比下，骨料粒徑對(duì)透水混凝土的力學(xué)性能和透水性能影響顯著，粒徑越小則透水混凝土強(qiáng)度越高，透水性能越差。這主要是因?yàn)樗嘤昧恳欢〞r(shí)：

5.2.1 骨料粒徑越小，比表面積越大，骨料間接觸面積越大，膠結(jié)面積越大，力學(xué)性能越好。

5.2.2 從再生骨料本身性質(zhì)來看，骨料粒徑越大，孔隙率越大，透水性越好，從而導(dǎo)致了抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能越差。

6 結(jié)語

6.1 骨料種類對(duì)透水混凝土性能影響較大，天然粗骨料配制的透水混凝土不論是力學(xué)性能還是透水性能都要優(yōu)于再生骨料配制的透水混凝土，

6.2 不同再生骨料中品質(zhì)好的再生骨料所配制的混凝土透水性能和力學(xué)性能較之于品質(zhì)差的再生骨料所配制的混凝土更加優(yōu)異。

6.3 相同品質(zhì)的骨料，骨料粒徑對(duì)透水性能和力學(xué)性能有所影響，粒徑越大，透水性能越好，力學(xué)性能越差，同時(shí)不同配合比對(duì)透水混凝土力學(xué)性能和透水性能影響較大，其中水膠比越大，力學(xué)性能降低，透水性系數(shù)和有效孔隙率增加。

作者簡(jiǎn)介：吳晗，男，漢，出生日期1999.11.28，學(xué)生，本科在讀，? 就讀于金陵科技學(xué)院。