0 引言

　　透水混凝土采用粗骨料作为骨架，采用水泥浆体或掺加少量细骨料的砂浆薄层作为胶结层，包裹粗骨料颗粒，形成骨架-孔隙结构^[1,2]。透水混凝土作为高透水性、高透气性材料，具有排除道路积水、净化雨水、减缓城市热岛效应、吸声降噪等作用^[3,4,5,6]，在市政绿化、轻型道路、污水净化及生态护坡等领域得到广泛应用^[7,8]。

　　已有学者对透水混凝土进行了较深入的研究，相关成果已应用于北京奥运村广场和上海世博园等重点项目中^[9,10]。大量研究表明，透水混凝土性能与水灰比、灰骨比、骨料种类和粒径、孔隙率、胶凝材料种类、成型方式等因素密切相关^{[11,12,13,14]}。张朝辉等^[15]研究发现透水混凝土抗压强度随着集灰比的减小而增大，随着水灰比的增加先增大后减小;张国强等^[16]研究发现砂率和设计孔隙率对透水混凝土强度、透水系数的影响较大;徐行军等^[17]研究发现静压成型方式较振动成型方式更利于透水系数的提高;Gaedicke等^[18]研究得到透水混凝土透水性与孔隙率的关系，透水性随着孔隙率的增加而增强;程娟^[19]选择目标孔隙率为15%、水灰比为0.25制备抗压强度>25MPa、透水系数>1mm/s的透水混凝土;霍亮^[20]采用静压(3MPa)成型方式制备抗压强度为32.9MPa、透水系数为5.7mm/s的高性能透水混凝土。

　　为此，以粒径5～16mm连续级配碎石、P·O52.5普通硅酸盐水泥为原材料，研究水灰比目标孔隙率、成型方式等对透水混凝土性能的影响，分析透水性能与抗压强度的关系，为高性能透水混凝土制备提供技术支持。

　　1 原材料与试验方法

　　1.1 原材料

　　1)水泥

　　试验用P·O52.5普通硅酸盐水泥各项性能指标均满足GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》要求，不掺加高活性掺合料、黏结剂等其他材料，标准稠度用水量为26.4%,3,28d抗压强度分别为34.1,58.4MPa。

　　2)粗骨料

　　试验用粒径5～16mm连续级配碎石表观密度2 810kg/m³，紧密堆积密度1 680kg/m³，含泥量0.7%，泥块含量0.0%，压碎值15.9%，表观密度、含泥量及泥块含量均满足SL 677—2014《水工混凝土施工规范》要求，骨料压碎值为15.9%，虽满足规范要求，但试验过程中发现用捣棒轻轻敲击骨料易碎裂。

　　3)其他

　　采用聚羧酸减水剂，推荐折固掺量为0.16%～0.30%，减水率≥28%。拌合水为当地自来水。

　　1.2 试验方法

　　1.2.1 试件制备

　　1)参照CJJ/T 253—2016《再生骨料透水混凝土应用技术规程》进行混凝土配合比设计，按水灰比的增加，目标孔隙率10%的试件编号依次为A1～A5，目标孔隙率15%的试件编号依次为B1～B5，目标孔隙率20%的试件编号依次为C1～C5，如表1所示。

　　  

　　表1 透水混凝土配合比 

　　 

　　 

　　

　　表1 透水混凝土配合比

　　2)首先将骨料、胶材等加入搅拌机内干拌30s混合均匀，然后边搅拌边均匀加水(预先掺加减水剂并混合均匀)，搅拌180s后出料装模。通过试拌使拌合物调至标准状态，即混凝土拌合物表面发亮、有光泽，但浆体不在骨料下方积聚;用力反复涂抹拌合物表面至微浆析出，此时浆体量及孔隙状态合适，如图1所示。

　　

　　图1 透水混凝土拌合物状态  

　　 

　　3)分别采用人工插捣方式和机械振动方式成型，采用人工插捣方式成型时，将拌合物分2层入模，每层均匀插捣15次，最后抹平表面(可用配重块适当碾压);采用机械振动方式成型时，将装好混合料的模具置于振动台上振动10s(低频、短时间振动)后抹平表面，试验过程中应控制振动时间，成型的透水混凝土试件如图2所示。

　　1.2.2 连续孔隙率测定

　　参照《再生骨料透水混凝土应用技术规程》中的试验方法测定透水混凝土连续孔隙率，试件尺寸为100mm×100mm×100mm。

　　1.2.3 透水系数测定

　　成型试件尺寸为100mm×200mm，养护7d后将其切割成100mm×60mm试件，如图3所示。参照CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》中定水头法测定透水混凝土透水系数，以3块试件透水系数平均值作为结果，精确至1.0×10^-2mm/s。

　　

　　图2 透水混凝土试件 

　　 

　　

　　图3 透水系数测定试件  

　　 

　　1.2.4 抗压强度测定

　　参照SL 352—2006《水工混凝土试验规程》制作成型尺寸为100mm×100mm×100mm的混凝土试件，带模放入(20±1)℃标准养护室中养护，24h拆模后继续养护至指定龄期后取出，在微机控制电液伺服万能试验机上加载，压力机精度不低于±2%。每组测试3个试件，然后确定强度代表值。

　　2 透水混凝土性能

　　2.1 连续孔隙率C_void

　　透水混凝土透水性能取决于有效孔隙率，本试验实测孔隙率均为连续孔隙率。

　　2.1.1 水灰比、目标孔隙率的影响

　　采用人工插捣方式成型，不同水灰比和目标孔隙率下，透水混凝土连续孔隙率C_void如图4所示。由图4可知，不同条件下，实测连续孔隙率均大于目标孔隙率;相同水灰比下，目标孔隙率越大，连续孔隙率越大;相同目标孔隙率下，连续孔隙率随着水灰比的减小而增大，且与目标孔隙率的差值越大。这是因为水灰比越小，拌合物越干硬，透水混凝土越难成型，骨料表面胶结料黏结状态越差，混凝土含有较多孔隙。

　　2.1.2 成型方式的影响

　　不同成型方式制备的透水混凝土连续孔隙率如表2所示，由表2可知，相同条件下，采用机械振动方式制备的透水混凝土连续孔隙率均小于采用人工插捣方式时，可知振动成型的透水混凝土更密实，连续孔隙率与目标孔隙率更接近;目标孔隙率一定时(P=15%)，水灰比越小，拌合物越干硬，振动成型时连续孔隙率降低越明显;水灰比一定时(W/C=0.21)，目标孔隙率越小，振动成型时连续孔隙率降低越明显。这是因为混合料受振动时引起颤动，改变了颗粒间的黏结力和机械咬合力，使混合料内阻力降低，进而使混凝土堆积结构更密实。但振动时间不宜过长，否则会使浆体过多地沉积在混凝土底部，堵塞透水通道，使混凝土失去透水性。

　　

　　图4 不同水灰比、目标孔隙率下的连续孔隙率  

　　 

　　  

　　表2 不同成型方式的连续孔隙率 

　　 

　　 

　　

　　表2 不同成型方式的连续孔隙率

　　综上所述，成型方式对透水混凝土连续孔隙率具有一定影响，采用机械振动方式制备的透水混凝土更密实，且对低目标孔隙率、低水灰比的混凝土连续孔隙率降低作用更明显。

　　2.2 透水系数k_T

　　透水系数是表征透水混凝土透水性能的主要技术参数，采用人工插捣方式成型，不同水灰比和目标孔隙率下，透水系数k_T如图5所示。由图5可知，不同水灰比下，透水系数基本随着目标孔隙率的增大而增大;目标孔隙率一定时，存在最优水灰比使透水系数最大，且不同条件下最优水灰比不同，即当目标孔隙率为10%时，最优水灰比为0.21，此时透水系数达最大值3.18mm/s，目标孔隙率为15%,20%时的最优水灰比均为0.24，此时透水系数分别达最大值4.46,5.34mm/s;当目标孔隙率为15%,20%时，不同水灰比下混凝土透水系数均>1mm/s;目标孔隙率为10%时，水灰比越大，拌合物流动性越好，混凝土越密实，透水系数越小。

　　

　　图5 不同水灰比、目标孔隙率下的透水系数  

　　 

　　2.3 28d抗压强度f_cc

　　2.3.1 水灰比、目标孔隙率的影响

　　采用人工插捣方式成型，不同水灰比和目标孔隙率下，透水混凝土28d抗压强度f_cc如图6所示。由图6可知，相同水灰比下，目标孔隙率越大，混凝土抗压强度越低，这是因为目标孔隙率直接影响水泥浆体相对用量，目标孔隙率越大，水泥浆体越少，包裹骨料的水泥浆体黏结面积越小;目标孔隙率一定时，混凝土抗压强度基本随着水灰比的增加而增大，这是因为水灰比越大，水泥浆体流动性越好，越利于包裹骨料的水泥浆体黏结;目标孔隙率为20%时，不同水灰比下混凝土抗压强度均<25MPa;目标孔隙率为10%时，水灰比为0.33的混凝土抗压强度最大，达38.7MPa，而此时透水系数仅为0.35mm/s;目标孔隙率为15%时，水灰比为0.30的混凝土抗压强度最大，达30.1MPa。综上所述，透水混凝土抗压强度不仅与水灰比有关，还与孔隙率有关。

　　

　　图6 不同水灰比、目标孔隙率下的抗压强度  

　　 

　　2.3.2 成型方式的影响

　　不同成型方式制备的透水混凝土28d抗压强度f_cc如表3所示，由表3可知，相同条件下，采用机械振动方式制备的透水混凝土28d抗压强度均大于采用人工插捣方式时，这是因为振动成型时水泥浆体包裹骨料状态更佳，增大了骨料间接触点的黏结面积，且拌合物中骨料堆积更密实，增大了骨料间嵌挤、机械咬合作用;水灰比一定时(W/C=0.21)，目标孔隙率越小，振动成型时抗压强度提高越明显;目标孔隙率一定时(P=15%)，水灰比越小，振动成型时抗压强度提高越明显;振动成型时抗压强度均>25MPa。

　　  

　　表3 不同成型方式下的抗压强度 

　　 

　　 

　　

　　表3 不同成型方式下的抗压强度

　　综上所述，成型方式对透水混凝土抗压强度具有一定影响，在保证连续孔隙率的条件下，可优先考虑采用机械振动方式成型，且低目标孔隙率、低水灰比条件下，振动成型对抗压强度提高作用更明显。

　　3 透水性能与抗压强度的关系

　　对不同条件下制备的透水混凝土连续孔隙率、透水系数、抗压强度进行拟合分析，确定不同参数间的相互关系。

　　3.1 连续孔隙率与透水系数的关系

　　采用人工插捣方式成型，透水混凝土连续孔隙率与透水系数的关系如图7所示，由图7可知，连续孔隙率与透水系数存在明显的相关性，相关系数R²=0.846，并非简单的线性关系，拟合关系式为:

　　

　　 

　　

　　图7 连续孔隙率与透水系数的关系  

　　 

　　由拟合曲线可知，如果透水系数满足≥1mm/s的要求，连续孔隙率应≥15%。

　　3.2 连续孔隙率与抗压强度的关系

　　3.2.1 插捣成型

　　采用人工插捣方式成型，透水混凝土连续孔隙率与28d抗压强度的关系如图8所示，由图8可知，连续孔隙率与抗压强度并非线性关系，相关系数R²=0.897，拟合关系式为:

　　

　　 

　　由拟合曲线可知，如果使抗压强度≥25MPa，连续孔隙率应≤21%。

　　3.2.2 振动成型

　　采用机械振动方式成型，透水混凝土连续孔隙率与28d抗压强度的关系如图9所示，由图9可知，相关系数R²=0.863，拟合关系式为:

　　

　　图8 连续孔隙率与抗压强度的关系(插捣成型)  

　　 

　　

　　 

　　

　　图9 连续孔隙率与抗压强度的关系(振动成型)  

　　 

　　由拟合曲线可知，如果使抗压强度≥25MPa，连续孔隙率应≤25%。

　　3.3 透水系数与抗压强度的关系

　　采用人工插捣方式成型，透水混凝土透水系数与28d抗压强度的关系如图10所示，由图10可知，透水系数与抗压强度并非简单的线性关系，相关系数R²=0.876，拟合关系式为:

　　

　　 

　　

　　图1 0 透水系数与抗压强度的关系  

　　 

　　由拟合曲线可知，当透水系数≥1mm/s时，混凝土抗压强度最大值为26.8MPa;当抗压强度≥25MPa时，透水系数最大值为1.16mm/s。仅有少数点满足透水系数≥1mm/s，且抗压强度≥25MPa的条件。

　　抗压强度匹配关系如图11所示，由图11可知，透水系数与抗压强度为矛盾变量，透水系数越大，抗压强度越低，二者存在负相关关系，透水混凝土制备与应用的关键技术难点为协调透水性能与力学性能的匹配性。

　　本试验未测定机械振动方式制备的透水混凝土透水系数，借鉴插捣成型时透水系数与连续孔隙率的关系，如果使混凝土同时满足透水系数≥1mm/s、抗压强度≥25MPa的条件，连续孔隙率可控制为15%～25%。

　　

　　图1 1 透水系数与抗压强度匹配关系  

　　 

　　综上所述，在原材料种类不变的条件下，可通过调整原材料配合比、选择合适成型工艺的方式，控制透水混凝土连续孔隙率处于特定值或范围，可使透水性能、力学性能均满足要求。

　　4 结语

　　1)一定条件下，目标孔隙率越大，透水混凝土连续孔隙率越大，透水系数越大，28d抗压强度越低;目标孔隙率一定时，随着水灰比的减小，连续孔隙率增大，28d抗压强度增大;水灰比存在最优值，使透水系数最大。

　　2)相比人工插捣方式，通过低频、短时间机械振动方式制备的透水混凝土连续孔隙率较小，28d抗压强度较高。在低目标孔隙率、低水灰比的条件下，连续孔隙率减小，抗压强度提高作用更明显。

　　3)采用本试验用原材料，并通过人工插捣方式成型，透水混凝土连续孔隙率与透水系数的拟合关系式为:k_T=0.004C_vo^2._id⁰³⁶，相关系数R²=0.846;连续孔隙率与28d抗压强度的拟合关系式为:f_cc=2 197C^-1_voi._d⁴⁷³，相关系数R²=0.897;透水系数与28d抗压强度的拟合关系式为:f_cc=26.81k_T^-0.470，相关系数R²=0.876。

　　4)采用本试验用原材料，当采用人工插捣方式成型时，透水混凝土连续孔隙率控制为15%～21%，当采用机械振动方式成型时，连续孔隙率控制为15%～25%，可使制备的透水混凝土同时满足透水系数≥1mm/s,28d抗压强度≥25MPa的要求。