裹浆厚度和水灰比对净浆透水混凝土性能影响的试验研究

许林涛

(临沂市水利水电工程建设监理中心，山东 临沂 276300)

1 概 述

随着我国经济社会的迅速发展，城市规模迅速扩张。在当前的城市建设中，大多数地表被普通混凝土、石材等不透水材料覆盖[1]。在这种情况下，不仅会造成地表径流的迅速增加，引发城市内涝，同时也阻断了地下水的降雨入渗补给，给区域水循环造成十分不利的影响[2]。显然，要解决上述问题，利用透水混凝土进行城市地面铺装是直接和有效的工程措施。透水混凝土又被称为无沙混凝土、多孔混凝土或大孔混凝土，是由粗骨料和胶凝材料以及大量没有被填充的孔隙构成，具有一定的强度和良好的透水性[3]。透水混凝土的使用最早可以追溯至1852年的英国，上世纪60代开始美国、日本等西方发达国家对其进行了深入研究，并在城市地面铺装和水利工程建设领域得到十分广泛的应用。我国对透水混凝土的研究起步较晚，直到上世纪90年代才全面展开。由于透水混凝土的理论和制备工艺方面缺乏深入研究，特别是强度和透水性方面的矛盾至今未能得到彻底解决，因此限制了其应用和推广[4]。

2 试验设计

2.1 试验材料

试验用水泥为P·O42.5普通硅酸盐水泥，经过对试样的检测，其各项物理力学性能指标符合相关规范的要求，可以用于本次试验研究。试验研究使用的粗骨料是人工碎石，粒径为5～10 mm，粗骨料为石灰岩岩质，碱性，质地坚硬，在加热至最高拌和温度过程中没有出现开裂和分解现象，同时与水泥浆之间具有良好的黏附力，坚固性好，满足相关技术要求[5]。试验用硅粉型号为920U的半加密硅粉，试样的检测结果显示其密度、含水率、亲水系数均满足相关规范要求，可以用于本次试验研究[6]。试验用矿粉为高炉矿渣矿粉；试验用胶粉为防水胶粉；试验用减水剂为聚羧酸高效减水剂。

2.2 试验方案

为了提高透水混凝土的强度，在降低水灰比的同时，还需要加入一定量的减水剂对浆液的稠度进行调节。本次研究中进一步掺入一定量的矿粉、硅粉和胶粉，以提升水化反应度和黏结性能。基于研究的目的，试验中将裹浆厚度和浆液的水灰比作为试验参数，正交试验方案见表1。

表1 正交试验设计表

2.3 试验过程

按照上节设计的正交试验方案，每种方案制作3个试件，共25组，75个试件。试件制作的模具为内径100 mm、高100 mm的圆柱形钢模。试验过程中将模具清理干净，放在烘箱内加热后，在其内侧涂刷一层脱模剂，然后将按照试验设计标准利用水泥裹石法制备的透水混凝土倒入模具，并插捣密实。试件按层高50 mm分上下两层单面击实，再自然冷却至常温后脱模[7]。脱模后的试件在标准养护条件下养护至相应的龄期，然后进行后续实验。

2.4 试验方法

研究中透水混凝土的抗压强度在试块28d龄期测定，测定标准按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)进行，试验测定中对试块受压破坏时的最大荷载进行记录，并将每组3个试件的均值作为本组试验的最终结果。试件的透水系数利用上海东方试验仪器厂生产的透水系数测定仪器测定，测定过程中每个试件测试两次，将其均值作为该试件的结果，将所有3个试件结果的均值作为本组试验的最终结果。

3 试验结果与分析

3.1 抗压强度试验结果与分析

对抗压强度试验结果进行整理，结果见图1。由试验结果可知，在裹浆厚度保持不变的情况下，试件的抗压强度值随着试件水灰比的降低呈现出先减小后增大的变化特征，但是总体而言其变化幅度并不大，且当混凝土的水灰比为0.28时，试件的抗压强度最大。另一方面，如果试件的水灰比不变，试件的抗压强度值会随着裹浆厚度的增加而明显增大，说明裹浆厚度会对试件的抗压强度值产生显著影响。总体来看，试件的抗压强度值在水灰比为0.28、裹浆厚度为0.40 mm的条件下取到，为43.67 MPa。究其原因，在水灰比一定的情况下，裹浆厚度越大，混凝土中的水泥浆数量越多，而透水混凝土试件中的孔隙比例减小，从而使试件的整体密实度明显增高，因此造成抗压强度值的明显增大。另一方面，在裹浆厚度不变的情况下，水灰比的增加会显著提升浆液的工作性能，提高粗骨料的连接度，因此也可以提高试件的抗压强度。

图1 不同裹浆厚度和水灰比条件下的试件抗压强度值

3.2 透水系数试验结果与分析

对透水系数测定数据进行整理，结果见图2。由试验结果可知，在裹浆厚度保持不变的情况下，试件的透水系数会随着试件水灰比的降低呈现出先减小后增大的变化特征，但是总体而言其变化幅度并不大，且当混凝土的水灰比为0.28时，试件的抗压强度最大。另一方面，如果试件的水灰比不变，试件的透水系数会随着裹浆厚度的增加而明显减小，说明裹浆厚度会对试件的透水系数产生显著影响。总体来看，试件的透水系数的最小值在水灰比为0.28、裹浆厚度为0.40 mm的条件下取到，为0.99 mm/s。试件的透水系数的最大值在水灰比为0.24、裹浆厚度为0.20 mm的条件下取到，为1.50 mm/s。究其原因，在水灰比一定的情况下，裹浆厚度越大，混凝土中的水泥浆数量越多，而透水混凝土试件中的孔隙比例减小，从而使试件的整体密实度明显增高，因此造成透水系数明显减小。另一方面，在裹浆厚度不变的情况下，水灰比的增加会显著提升浆液的工作性能，提高粗骨料的连接度，因此也可以降低试件的透水系数。

图2 不同裹浆厚度和水灰比条件下的试件透水系数

3.3 抗压强度和透水系数之间的相关性分析

从上文的分析可知，制备的透水混凝土透水系数会随着抗压强度的增大而降低，因此本节对上述两个参数之间的相关性进行进一步的分析。结果显示，透水混凝土的透水系数与抗压强度之间的相关性系数为-0.878 6，说明两者之间存在明显的负相关关系，说明透水混凝土强度的增长和透水系数的降低之间存在比较显著的相关性。根据相关性分析的结果，对两者之间的关系进行多模型拟合，结果见图3。

图3 抗压强度和渗透系数之间的拟合结果

拟合得到的回归方程为：

(1)

式中：Z1为透水系数，mm/s；Z2抗压强度，MPa。

鉴于透水混凝土的抗压强度和透水性之间的负相关关系，在配合比的具体设计过程中，不可忽视上述两个参数之间的紧密联系，也就是利用透水性和抗压强度相互表征。因此，可以将其中的一个参数视为主要目标参数进行透水混凝土配合比优化研究，降低研究的复杂性，提高优化试验的效率。

4 结 论

随着生态理念工程建设领域的广泛应用，透水混凝土必将在城镇建筑和水利工程领域得到广泛应用。采用正交试验的方法，对裹浆厚度和水灰比对净浆透水混凝土性能的影响进行试验研究，获得的主要结论如下：

1) 在裹浆厚度不变的情况下，试件的抗压强度值随着试件水灰比的降低呈现出先减小后增大的变化特征，但是总体而言其变化幅度并不大；在水灰比不变的情况下，试件的抗压强度值会随着裹浆厚度的增加而明显增大，说明裹浆厚度会对试件的抗压强度值产生显著影响。

2) 在裹浆厚度不变的情况下，试件的透水系数会随着试件水灰比的降低呈现出先减小后增大的变化特征，但是总体而言其变化幅度并不大；在水灰比不变的情况下，试件的透水系数会随着裹浆厚度的增加而明显减小，说明裹浆厚度会对试件的透水系数产生显著影响。

3) 相关性分析结果显示，透水混凝土透水系数和抗压强度之间存在明显的负相关关系，可以将其中的一个参数视为主要目标参数进行透水混凝土配合比优化研究，选择合适的水灰比和裹浆厚度。