透水混凝土是由粗骨料、水泥和水拌制而成的一种非封闭性多孔混凝土, 其内部含有很大比例的贯穿性孔隙, 因而具有透气、透水、吸声和质量小的特点, 对改善城市热环境、地表土壤生态环境、吸声降噪等方面效果显著, 在城市透水性路面、水工建筑、排水系统反滤层等方面的应用备受关注。作为绿色生态混凝土, 透水混凝土的研究开发受到越来越多的重视^[1]。

抗压强度和透水系数是衡量透水混凝土性能的两个重要指标。目前国内外学者已做了大量的透水混凝土相关研究^[2,3,4,5,6], 但较少有以多孔火山岩为粗骨料制作的透水混凝土为研究对象, 试件几何尺寸对透水系数影响的研究也鲜有报道。本文以多孔质火山岩透水混凝土为研究对象, 通过对不同孔隙率、不同水灰比和不同几何尺寸试件进行透水试验和回归分析, 建立了多孔质火山岩透水混凝土孔隙率与抗压强度和透水系数的函数关系, 得到了透水厚度和试件形状对透水系数的影响结论。

水泥:P·O42.5级普通硅酸盐水泥, 其物理性能:密度3.1g/cm³;初凝149min, 终凝240min;3d抗压强度23.5MPa, 28d抗压强度47.0MPa;3d抗折强度4.8MPa, 28d抗折强度7.5MPa。骨料:多孔质火山岩碎石, 粒径为5~10mm, 表观密度为2 785kg/m³, 堆积密度为1 267kg/m³;高效减水剂:HSC聚羧酸高性能减水剂, 掺量1%时减水率为25%;水:自来水。

根据经验值, 水灰比为0.3左右时透水混凝土强度和透水系数达到比较好的结合点^[7], 本次试验选取的水灰比分别为0.28, 0.30, 0.32。透水混凝土的配合比设计依据CJJ/T135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》^[8]确定, 如表1所示。

本次试验采用3种试模尺寸:100mm×100mm×100mm, 100mm×100mm×150mm和Φ113mm×150mm, 其横截面面积相同, 因此具有相同的透水面积。每组配合比成型1组边长100mm立方体试件, 每组试件为9个;每种试模成型1组水灰比为0.3、孔隙率为15%的试件, 每组试件为6个。透水混凝土制备使用强制搅拌机对混合料进行搅拌, 搅拌时间为180s, 保证拌合物中水泥浆体均匀地包裹在混凝土骨料表面, 以出机的透水混凝土拌合物表面有类似金属光泽为准。成型方法为用Φ16钢筋由外至中心均匀地插捣15下, 然后用Φ40铁棒“滚压”成型面直至平整, 并用抹刀将成型面抹平。成型24h后拆模, 在标准条件下养护至7d或28d龄期。

每组配合比取3个边长100mm立方体试件依据GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行抗压强度试验^[9]。

每组配合比取3个边长100mm立方体试件进行孔隙率测定。将试件在水中浸泡24h, 在水中称量试件的质量m₁, 然后将试件放在60℃的烘箱中烘24h后称量试件的质量m₂, 根据式 (1) 计算孔隙率:

式中:P为孔隙率 (%) ;ρ_水为水的密度;V为试件的体积 (cm³) ;m₁为试件在水中的质量 (g) ;m₂为试件烘干后的质量 (g) 。

通过自制的透水试验装置依据DB11/T775—2010《透水水泥混凝土路面技术规程》的定水头法^[10]测定透水系数, 试验装置如图1所示。测试前对试件侧面四周进行蜡封处理, 确保水流仅从透水面通过, 试件与透水装置之间的缝隙用玻璃胶进行密封, 待玻璃胶固化后, 将试件浸泡在水中30min, 使试件在测试时处于吸水饱和状态。水从进水口注入, 当水量达到固定水头处, 多余水量从排水管排出, 待水流稳定后, 用量筒计量出水口处透过混凝土的出水量, 同时记录出水时间t, 测量3次后取平均值, 根据式 (2) 计算透水系数:

式中:k为透水系数 (cm/s) ;Q为溢出口流出的水量 (cm³) ;L为试件的厚度 (cm) ;A为试样的上表面积 (cm²) ;H为水位差 (cm) ;t为时间 (s) 。

表2给出了目标孔隙率为15%、水灰比为0.3, 尺寸为100mm×100mm×100mm, 100mm×100mm×150mm, Φ113mm×150mm试件的透水系数值。表3给出了不同配合比的边长100mm立方体试件的实测孔隙率、7d透水系数和28d抗压强度值。

边长100mm立方体试件的实测孔隙率平均值如表4所示。

图2给出了目标孔隙率与实测空隙率的折线图, 可以看出试件的实测孔隙率均略小于目标孔隙率, 达到预期效果, 说明采用体积法进行透水混凝土试验配合比设计是合理的。

分别对不同水灰比的边长100mm立方体试件试验数据进行线性拟合得到关系方程, 如表5所示。由回归方程可见, 水灰比为0.3的试件孔隙率与透水系数关系方程的相关系数最高, 水灰比为0.28的试件孔隙率与抗压强度关系方程的相关系数最低, 且孔隙率与透水系数关系方程的相关系数均比孔隙率与抗压强度关系方程的相关系数大。如图3所示。对不同水灰比的边长100mm立方体试件进行综合分析, 其线性拟合关系方程如表6所示。

本次试验采用的粗骨料为海南本地的火山岩碎石, 其强度较平常拌合普通混凝土使用的花岗岩、玄武岩等低些。另外, 由于测得的火山岩的紧密堆积密度为1 267kg/m³, 比一般粗骨料的1 600kg/m³减小约20%, 因此进行配合比设计时1m³的粗骨料用量也相应减少了约20%。这使得本次试验的透水混凝土强度比同类型透水混凝土强度小, 因此骨料类型对透水混凝土强度具有重要影响。

从拟合曲线来看, 孔隙率与抗压强度呈现出线性递减关系, 随着孔隙率的增加, 抗压强度逐渐减小。这是因为透水混凝土强度与骨料和胶凝材料密切相关, 孔隙率的增加减少了透水混凝土中的材料用量, 同时加大了骨料颗粒之间的空隙, 使得骨料之间的黏结面积和黏结点减少, 因而使得抗压强度降低。28d立方体抗压强度与实测孔隙率关系式如下:

本次孔隙率与抗压强度的线性拟合相关系数较低, 还需进一步研究。

孔隙率与透水系数在本次试验中呈现出线性递增关系, 两者之间具有很好的相关性。透水系数随着孔隙率的增加而逐渐增加。这是因为在同等条件下, 孔隙率的增加使得透水混凝土内部孔隙更多, 形成的贯通孔道也增加, 水通过透水混凝土也更加容易。7d透水系数与实测孔隙率关系式如下:

同时注意到不同水灰比的拟合曲线具有差异性, 表明水灰比对孔隙率与抗压强度和透水系数的关系有影响。

图4为透水厚度为150, 100mm的透水混凝土试件透水系数之间的关系。经线性拟合后关系式如下:

式中:0.05与实测透水系数值相比很小, 略去后可得关系式y=x, 即两者透水系数相等。这是因为在水位差相同的情况下, 水头保持不变, 透水厚度的增加, 使得水流通道变长, 水从试件顶部穿过底部流出所受到的阻碍增大, 则相同时间内流出来的水量减少, 透水厚度和流量之间存在相关性, 因此由公式 (2) 计算出来的透水系数基本相同, 所以透水系数与透水厚度无直接关联。

图5为具有相同透水厚度、透水面积的圆柱体试件透水系数K_c与立方体试件透水系数K_s之间的关系。经线性拟合后关系式如下:

式中:0.01略去可得关系式K_c=1.1K_s, K_c为K_s的1.1倍, 即圆柱体试件的透水系数比立方体试件透水系数高10%, 因此透水混凝土试件的形状与透水系数有关。其主要原因: (1) 由于圆形边界的特性, 水在流经边界时更加平滑、顺畅, 使得流量增加; (2) 面积相同时, 方形的周长比圆形周长大, 因此在透水面积、透水厚度相同的情况下, 立方体试件侧面积比圆柱体试件侧面积大, 试件侧面被蜡封的孔隙也更多, 当试件体积相同时, 圆柱体试件内部的贯通性孔隙更多。

1) 多孔质火山岩透水混凝土28d立方体抗压强度与实测孔隙率呈线性递减关系。随着孔隙率的增加, 抗压强度持续降低, 且满足下式:

相关系数为0.775 14。

2) 多孔质火山岩透水混凝土的7d透水系数与实测孔隙率呈线性递增关系。随着孔隙率的增加, 透水系数也持续增大, 且满足下式:

相关系数为0.962 41。

3) 经试验验证, 透水混凝土试件的透水厚度与透水系数没有直接关联。在透水面积、试件形状等条件相同时, 试件的透水系数基本相等。

4) 透水混凝土试件的形状与透水系数有关。在透水面积、透水厚度相同的情况下, 圆柱体试件的透水系数比立方体试件的透水系数高约10%。