周書林 ， 王 華， 王祺順 ， 王文盛, 張 偉

(1.廣西壯族自治區(qū)公路發(fā)展中心， 廣西 南寧 530028； 2.廣西交科集團有限公司， 廣西 南寧 530007； 3.湖南省交通科學研究院有限公司, 湖南 長沙 410015； 4.吉林大學， 吉林 長春 130022； 5.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司， 貴州 貴陽 550000)

隨著城市化進程的推進，城市地表被不透水鋪裝大面積覆蓋，造成了城市內澇、熱島效應、地下水位下降和交通噪音污染等城市問題[1-3]。透水混凝土是一種環(huán)境友好型的路面材料，具有透水、透氣、吸聲降噪等優(yōu)點[4-6]。透水混凝土主要是由開級配材料(粗骨料和水泥)組成，不含或含有少量的細骨料，具有多孔結構，以滿足滲透性要求，但隨著滲透性的增加，透水混凝土的強度降低[7-9]。并且由于透水混凝土的多孔結構，與密實混凝土相比，耐久性較差，這阻礙了透水混凝土在季凍區(qū)的應用[10-13]。因此，改善透水混凝土的力學性能和凍融耐久性能是十分必要的。

部分學者研究了砂率對透水混凝土強度和滲透性能的影響。王慶利[14]等研究了不同砂率條件下再生透水混凝土的強度和滲透性能，結果表明，隨著砂率的增加再生透水混凝土的強度增加而滲透性能降低。KANT SAHDEO[15]等報道了添加少量的細砂能有效地改善透水混凝土的抗壓強度、抗折強度和抗硫酸鹽腐蝕性。BONICELLI[16]等研究表明在透水混凝土中加入骨料質量5%的細砂有助于提高透水混凝土的強度和表面性能，但會降低透水混凝土的滲透性能。

部分學者研究了透水混凝土的凍融耐久性。陳春[17]等采用10%、30%和50%的再生骨料替代天然骨料，進行了凍融耐久性研究，結果表明，隨著再生骨料摻量增加，透水混凝土的凍融耐久性下降。ZOU[18]等針對含再生骨料的透水混凝土耐久性較差的問題，采用2種硅烷乳液對再生骨料表面進行改性，結果表明，改性劑可以有效地提高含再生骨料透水混凝土的抗壓強度和凍融耐久性。王子[19]等在透水混凝土中加入了不同粒徑(20目、60目和80目)和不同摻量(6%、8%和12%)的橡膠粉，進行了凍融耐久性研究，結果表明，橡膠粉的加入略微降低了滲透性和強度，但顯著地提高了凍融耐久性，并建議加入6%和80目的橡膠粉。

雖然有學者對透水混凝土的性能進行了研究，但很少關于低砂取代率透水混凝土(Low-Sand Replacement Rate Pervious Concrete，SPC)的凍融耐久性的研究。本研究采用等質量替代法，研究不同砂取代率(0%、2%、4%、6%、8%和10%)對SPC強度、滲透性和凍融耐久性的影響，并得出最佳砂取代率，為SPC在季凍區(qū)的工程應用和后續(xù)研究提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

粗骨料采用玄武巖粗骨料(4.75～9.5 mm)，其性能指標如下：粒徑4.75～9.5 mm，表觀密度2 786 kg/m3，堆積密度1 534 kg/m3，堆積孔隙率44.9 %，壓碎值9.7%，針片狀含量7.1%，吸水率1.63%。細骨料采用表觀密度為2 552 kg/m3的河砂，細度模量為2.7。采用42.5級普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料，其性能指標如表1所示。采用減水率為25%的聚羧酸高效減水劑來提高混合料的和易性。拌和水為自來水。

表1 水泥性能指標Table 1 Basic properties of portland cement密度/(kg·m-3)比表面積/(m2·kg-1)凝結時間/min抗壓強度/MPa抗折強度/MPa初凝終凝3 d28 d3 d28 d測定結果2 96034218225121.847.64.77.5

1.2 配合比設計

以0%、2%、4%、6%、8%和10%的中砂等質量替代粗骨料，分別記為SPC0、SPC2、SPC4、SPC6、SPC8 和SPC10?；诂F有的研究，水膠比為0.3，設計孔隙率為15%，減水劑用量為水泥質量的0.5%[20]。SPC的配合比如表2所示。

表2 配合比Table 2 Mix proportionkg/m3編號粗骨料水泥水減水劑砂SPC01 503.32486.56145.962.430.00SPC21 473.25486.56145.962.4330.07SPC41 443.19486.56145.962.4360.13SPC61 413.12486.56145.962.4390.20SPC81 383.05486.56145.962.43120.27SPC101 352.99486.56145.962.43150.33

1.3 試件制備

本研究采用水泥裹石攪拌法和插搗成型法制作了90個100 mm×100 mm×100 mm立方體試件和18個100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試件。試件成型后，采用塑料膜覆蓋表面，防止水分蒸發(fā)。靜置24 h后脫模，在標準條件下(溫度(20±2)℃，相對濕度95%)養(yǎng)護28 d，養(yǎng)護結束后立即進行孔隙率、透水系數和力學性能試驗。凍融循環(huán)試件在標準養(yǎng)護24 d后浸水養(yǎng)護4 d，再進行凍融循環(huán)試驗。

1.4 實驗方法

1.4.1有效孔隙率

SPC的有效孔隙率采用排水法，采用100 mm×100 mm×100 mm的立方試件來測試，計算公式如下:

(1)

式中：P為有效孔隙率，%；m1為試件水中重，g；m2為試件飽和面干質量，g；ρw為20 ℃水的密度，g /cm3；Vo為試件的毛體積，cm3。

1.4.2滲透系數

根據《透水水泥混凝土路面技術規(guī)程》(CJJ/T 135-2009)，采用定水頭法測定SPC的滲透系數[21]。試件側面采用塑料薄膜包裹，試件上下表面與儀器側壁間的縫隙采用輕質黏土密封，以保證垂直滲流，滲透系數實驗裝置示意圖如圖1所示。滲透系數計算公式如下:

圖1 滲透系數試驗裝置示意圖

(2)

式中：kT為滲透系數，mm/s；Q為時間t內的出水量，mm3；L為試件高度，mm；A為試件上表面積，mm2；H為水頭高度，mm；t為集水時間，t=300 s。

1.4.3力學性能

根據《普通混凝土力學性能實驗方法標準》(GB/T 50081-2002)，對SPC的抗壓強度和抗彎強度進行了測試[22]?？箟簭姸仍嚰叽鐬?00 mm×100 mm×100 mm，抗壓強度試驗如圖2所示?？拐蹚姸炔捎萌c彎曲試驗，支點距離為300 mm，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，抗折強度試驗如圖3所示?？箟簭姸群涂拐蹚姸扔嬎愎饺缦?

圖2 抗壓強度實驗

圖3 抗折強度實驗

(3)

(4)

式中：fc為抗壓強度，MPa；ff為抗折強度，MPa；F為破壞荷載，N；A為試件的承壓表面積，mm2；

L為2支撐點的距離，L=300 mm；b為試件截面寬度，b=100 mm；h為試件截面高度，h=100 mm。

1.4.4凍融耐久性

根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB/T (50082-2009)，采用快冷凍法進行凍融耐久性試驗[23]。每25次凍融循環(huán)觀察試件表面裂縫和剝落情況，并測定抗壓強度。

2 結果與分析

2.1 有效孔隙率和滲透系數

滲透系數是透水混凝土的關鍵指標，有效孔隙率對透水混凝土的透水性能有影響，在本文中分析了SPC的有效孔隙率和滲透系數。有效孔隙率、滲透系數與其標準差的試驗結果見表3。砂取代率對有效孔隙率和滲透率系數的影響如圖4所示。透水混凝土的有效孔隙率與滲透系數的關系如圖5所示。

圖5 SPC有效孔隙率與滲透系數的關系

由圖4可知，隨著砂取代率的增加，SPC的有效孔隙率和滲透率先下降而后增長。當砂取代率達到8%時，SPC的有效孔隙率和滲透系數達到最低值，其中，有效孔隙率從14.53%下降到6.99%，滲透系數從3.93 mm/s下降到2.47 mm/s。其原因

表3 SPC的有效孔隙率和滲透系數Table 3 Effective porosity and permeability coefficient of SPC編號有效孔隙率/%滲透系數/(mm·s-1)平均值標準差平均值標準差SPC014.530.293.930.07SPC214.280.263.820.11SPC413.310.243.610.08SPC611.240.183.230.10SPC86.990.132.470.09SPC108.520.162.780.06

圖4 砂取代率對有效孔隙率和滲透系數的影響

是砂取代部分粗骨料，導致SPC級配更加合理，砂填充了粗骨料之間的部分孔隙，從而導致SPC的有效孔隙率和滲透系數的降低。當砂取代率超過8%時，SPC的有效孔隙率和滲透系數隨著砂取代率的增加而增加，當砂取代率增加時，砂的填充作用逐漸減弱，從而導致SPC有效孔隙率和滲透系數的增加。由圖5可知，隨著有效孔隙度的增加，SPC的滲透系數增大。滲透率系數與有效孔隙度呈正相關，這表明有效孔隙率對SPC的透水性有較大的影響。同時也解釋了圖4中滲透系數隨砂取代率的增加呈先下降而后上升趨勢的原因。

2.2 抗壓強度和抗折強度

強度是透水混凝土在土工程應用中的技術指標，在本文中采用抗壓強度和抗折強度表征透水混凝土的強度。SPC的抗壓強度和抗折強度見表4。砂取代率對SPC抗壓強度的影響如圖6所示。砂取代率對SPC抗折強度的影響如圖7所示。

表4 SPC的抗壓強度和抗折強度Table 4 Compressive strength and flexural strength of SPC編號抗壓強度/MPa抗折強度/MPa平均值標準差平均值標準差SPC022.370.414.850.09SPC223.500.334.960.06SPC424.010.515.090.05SPC627.280.285.230.07SPC829.280.315.390.09SPC1027.650.345.260.10

圖6 砂取代率對SPC抗壓強度的影響

從圖6中可以看出，SPC的抗壓強度隨著砂取代率的增加先增加而后降低。當砂取代率增加到8%時，SPC抗壓強度達到最高為29.28 MPa，與砂取代率為0的PC相比，砂取代率8%的SPC抗壓強度增加了30.89%。砂取代了部分天然粗骨料，SPC混合料中添加了細骨料，使混合料的級配更加合理，此外，砂填充了粗骨料之間的孔隙，從而提高了SPC的抗壓強度。當砂取代率超過8%時，隨著砂取代率的增加，SPC的抗壓強度降低，這與砂取代過多的天然粗骨料有關，粗骨料在SPC混合料中起主要承載作用，粗骨料的減少會導致透水混凝土的強度降低。從SPC抗壓強度的變化趨勢中可以看出，當砂取代率小于4%時，SPC抗壓強度的增加不明顯；砂取代率大于4%時，SPC的強度出現明顯增加，這表明添加一定量的砂才能有效地提高透水混凝土抗壓強度。

SPC的抗折強度隨著砂取代率的變化如圖7所示。由圖7可知，隨著砂取代率的增加，SPC的抗折強度先增加而后減少，這與砂取代率對抗壓強度的影響是一致的。當砂取代率為8%時，SPC的抗折強度達到5.46 MPa，與砂取代率為0的透水混凝土相比，砂取代率8%的SPC抗折強度增加了11.13%。SPC抗折強度的增加也是由于砂填充了孔隙并且使級配更加合理，抗折強度的降低的原因與抗壓強度也是相同的。與抗壓強度相比，抗折強度變化的趨勢與抗壓強度略有不同，當砂取代率小于8%時，透水混凝土的抗折強度是逐漸增加的，沒有明顯的突變。

圖7 砂取代率對SPC抗折強度的影響

2.3 凍融耐久性

凍融循環(huán)對暴露在自然環(huán)境中的透水混凝土的使用壽命有負面影響，在本節(jié)中以抗壓強度和抗壓強度損失率作為評價指標，表征SPC的凍融耐久性。25、50、75、100個凍融周期后SPC的抗壓強度與其損失見表5。凍融循環(huán)對SPC抗壓強度的影響如圖8所示。SPC在凍融循環(huán)下的抗壓強度損失如圖9所示。

圖8 抗壓強度隨凍融循環(huán)的變化

圖9 凍融循環(huán)后的抗壓強度損失

表5 凍融循環(huán)后SPC的抗壓強度與抗壓強度損失Table 5 Compressive strength and compressive strength loss of SPC after freeze-thaw cycle編號凍融循環(huán)后的抗壓強度與其損失25 次50次75次100次抗壓強度/MPa損失/%抗壓強度/MPa損失/%抗壓強度/MPa損失/%抗壓強度/MPa損失/%SPC020.169.8818.5716.9916.0528.2514.3735.76SPC221.488.6019.8115.7017.3426.2115.5034.04SPC422.317.0820.8113.3318.4123.3216.7130.40SPC625.685.8724.2811.0021.5820.8919.8827.13SPC828.014.3426.738.7124.1617.4922.0224.80SPC1026.175.3525.169.0122.4618.7720.3326.47

在凍融循環(huán)次數相同時，SPC的抗壓強度隨著砂取代率的增加先增加而后降低。經過100次凍融循環(huán)后，砂取代率8%的SPC的抗壓強度為22.02 MPa，與未添加砂的透水混凝土相比提高了53.23%。此外，在相同凍融循環(huán)次數下，添加砂的SPC的抗壓強度均高于未添加砂的透水混凝土，這表明，加砂有助于提高透水混凝土的凍融耐久性。

由圖9可知，隨著凍融循環(huán)次數的增加，SPC的抗壓強度損失率逐漸增大，在凍融循環(huán)次數相同的情況下，抗壓強度損失率隨著砂取代率的增加先增加而后降低。與未加砂的透水混凝土相比，SPC的抗壓強度損失率更低，其中，砂取代8%的SPC抗壓強度損失率最低，這表明，8%的砂取代率能夠有效地提高SPC的凍融耐久性。SPC凍融耐久性的增加與砂填充混凝土間的孔隙有關，使SPC內部的凍脹力降低，從而降低了抗壓強度損失率。當砂取代率過多時，有效孔隙率增加，產生較強的凍脹力，導致抗壓強度損失率的增加。

3 結論

在本文中，采用砂等質量取代粗骨料制備了SPC，研究了砂取代率(0%、2%、4%、6%、8%和10%)對SPC有效孔隙率、滲透系數、抗壓強度、抗折強度和凍融耐久性的影響，根據試驗結果，可以得出以下的結論。

a.SPC的滲透系數主要取決于有效孔隙率。隨著砂取代率的增加，SPC的有效孔隙率和滲透系數先降低而后增加。

b.加砂能夠有效地提高SPC的抗壓強度和抗折強度。隨著砂取代率的增加，抗壓強度和抗折強度先增加而后降低，當砂取代率為8%時，抗壓強度和抗折強度達到最高值，分別為29.28和5.39 MPa。

c.SPC的凍融耐久性隨著凍融循環(huán)次數的增加而降低。當凍融循環(huán)次數相同時，SPC的抗壓強度損失率隨著砂取代率的增加先增加而后降低，其中，砂取代率為8%時SPC的抗壓強度損失率最低，表明砂取代率8%的SPC的抗凍融能力最強。

d.綜合考慮滲透系數、抗壓強度、抗折強度和凍融循環(huán)試驗的試驗結果，推薦的砂取代率為8%。