高强透水性混凝土材料试验研究

[摘　要] 　透水性混凝土材料具有绿色、环保等特点，可应用于人行道、停车场、透水性路面、土工结构排水系统反滤层等，有很好的发展前景，但因强度低影响了其应用范围。本文对透水性混凝土材料进行了试验研究，讨论了影响透水性混凝土材料强度和渗透性的因素，提出了增强透水性混凝土材料强度的措施。研究认为，水灰比、粗骨料的种类和级配、矿物掺合料以及其它增强材料是影响透水性混凝土材料强度的主要原因，并对这些因素对强度的影响进行了定量分析。试验还对透水性混凝土材料的渗透性进行了测试。根据试验结果推荐的原材料、配比和试验方法，可以得到强度达到30MPa ，渗透性在1mm/ s 以上的透水性混凝土，满足一般工程需要。研究成果已经应用于铁道部某项目并取得成功。

[关键词] 　透水性混凝土： 　高强： 　渗透性

1 　引言

     透水性混凝土是由粗骨料、水泥和水拌制而成的一种多孔性混凝土材料，有时也掺入少量细骨料。由于透水性混凝土透水，透气和重量轻等特点，在绿色生态混凝土[1 ] 、透水性路面材料[2 ] ，水工建筑和排水系统反滤层[3 ]等方面有重要用途。随着环境问题日益得到人们重视，透水性混凝土材料的特殊功能越来越引起人们的兴趣，然而采用通常方法制作透水性混凝土，在保证一定透水性情况下其强度通常不超过20MPa[4 ，5 ] ，这严重影响了透水性混凝土的应用范围。本文通过试验，研究了水灰比、粗骨料的种类和级配、胶骨比、矿物掺合料以及其它增强材料对透水性混凝土材料强度的影响，试验还测定了透水性混凝土的透水性。

2 　透水性混凝土的结构模型和破坏特征

　　透水性混凝土可以看作由三部分组成，即粗骨料形成的骨架、水泥浆体形成的胶结层及它们之间的孔隙。按照密实程度的不同，透水性混凝土可以用以下五种模型来表示[6 ] 。如表1 所示，当透水性混凝土处于第二类小孔状态时是比较理想的，此时水泥净浆或加入少量细骨料的砂浆薄层包裹在粗骨料表面，作为骨料之间的胶结层，形成骨架———孔隙结构。作为骨架的粗骨料和作为胶结薄层的水泥浆紧密相连，它们之间的孔隙也是连通的，此时的透水性混凝土具有较好的透水性，也可以得到相对较高的强度。当处于密实或毛细孔状态时，接近于普通混凝土，具有较高强度，但是没有形成可以透水的孔隙：当处于第一类小孔状态时，虽然形成了孔隙，但是由于孔隙不连通，也不能有很好的透水性：而当处于大孔状态时，由于胶结材料太少且不连续而不能有较好的强度。

　　当透水性混凝土受到力作用时，主要通过粗骨料之间的胶结点传力，由于水泥胶结层很薄，水泥凝胶体和粗骨料界面之间的胶结面积很小，因此破坏时主要是骨料颗粒之间的连接点破坏，从而使混凝土散裂，失去强度。

3 　试验方案

3.1 　试件成型

      试验采用原材料为: 河北唐山“盾石”牌P ·O 42.5R 水泥：卵石连续粒级及单粒级，碎石连续粒级及单粒级：河砂，中砂，细度模数2.5 ：自来水：高效减水剂。试验时先把除水之外的其他材料干拌约30s ， 混合均匀，然后加入水及高效减水剂，搅拌约90s。观察发现水泥浆在骨料颗粒表面包裹均匀后停止搅拌。成型后适当振捣，不过不欠，确保混凝土组成均匀，性能稳定。

3.2 　配合比设计

      目前透水性混凝土的配合比设计还没有成熟的计算方法，根据透水性混凝土理想模型的结构特点， 可以认为透水性混凝土的外观体积由骨料堆积而成， 混凝土所需的水泥浆以能够包裹粗骨料表面，形成一定厚度的胶结层和在骨料之间形成连通的孔隙为宜。通常透水性混凝土的水灰比介于0.25～0.40 之间， 水泥用量在250kg/ m3～350kg/ m3 范围内。

3.3 　抗压强度

      试件尺寸为100mm ×100mm ×100mm ，按普通混凝土试验规程，成型后24 小时拆模，在标准条件下养护至28 天龄期进行试验。

3.4 　透水系数

      依据陈志山[7 ]引自日本混凝土协会的测试方法进行改进，如图1 所示。试验时，将养护至龄期的混凝土试块置于透水套筒中，采用一定胶结材料保证试块和套筒四周紧密接触不透水。此时从透水套筒上部注水，水通过透水性混凝土然后进入定位水桶，然后从出水管排出。当注入的水量和从出水管排出的水量达到平衡状态后，启动秒表，同时计量从水管排出的水量，并测量当时的水温，通过公式(1) 可计算得透水性混凝土的透水系数。

3 边长100mm大孔混凝土：4 底座，上置定位水桶：5 量筒：6 溢水管

KT = QD /AH(t2 - t1)      (1)

式中　KT ———水温T 摄氏度时的透水系数，cm/ s ；

Q ———从时间t1 到t2 透过混凝土的水量，cm3 ；

D ———透水性混凝土试件的厚度，cm ；

A ———混凝土透水面的面积，cm2 ；

(t2 - t1) ———测定时间，s。

4 　试验结果与讨论

4.1 　水灰比对抗压强度的影响

　　试验设计了7 种不同的水灰比，如表2 所示。当水灰比较小时加入适量高效减水剂，保证拌合物有较好的流动性。从表中数据可知，当水灰比较小时，强度也较小，这是因为此时由于水泥浆太少而不能完全包裹骨料的表面，骨料之间的胶结层较薄而且不连续，因此强度较低。当水灰比达到0.31 时强度达到最大值，此时形成的透水性混凝土拌合物粗骨料表面包裹了一层胶结层，骨料之间通过胶结层连接，形成了上述第二类小孔状态时的结构形式。当水灰比再增大时，混凝土强度又开始降低，这是因为水灰比太大时水泥浆开始下滴，形成的试件下部较密实、没有孔隙，而上部则只是粗骨料堆积在一起，缺少胶结，因此整体强度也较低。

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4.2 　粗骨料种类和级配对强度的影响

　　如图2 为采用4 种不同的骨料类型，相同水灰比时透水性混凝土的强度。从图中可以看出，采用卵石时强度要稍小于采用碎石时强度，采用单粒级骨料强度要远小于采用连续粒级骨料强度，这和以往的研究是相同的[8 ] 。其原因是因为骨料越粗糙，骨料粒径连续、大小不同，可以有效地提高骨料之间的接触点数量从而提高其强度，但透水性会相应降低。

4.3 　掺合料对透水性混凝土强度的影响

　　如图3 为掺加不同种类及掺量的矿物掺合料对透水性混凝土强度的影响。从中可以看出，掺加掺合料A 可以提高透水性混凝土的强度，当内掺10 %时效果最好，当掺量继续增大时效果并不明显。这是因为掺合料A 粒径细微，在水泥凝胶体中具有微填充作用，使骨料与水泥浆体的界面强度得到改善，宏观上则表现出整体强度的增加。掺合料B 对透水性混凝土强度也表现出有利影响，而且掺加掺合料B 的透水性混凝土拌合物更容易搅拌，工作性能好，是一种比较理想的掺合料。掺合料C 对透水性混凝土强度没有明显作用，而D 则降低了透水性混凝土的强度，这两种掺合料都不宜用于透水性混凝土材料。

4.4 　透水系数

　　试验测定了部分透水性混凝土的透水性，如表3 所示。从中可以看出，试验制备的透水性混凝土都具有一定透水性。在适宜的水灰比范围内，混凝土的透水性随水灰比增大而减小： 对于水灰比一定的混凝土，采用连续粒径骨料的混凝土透水性要小于单粒级骨料的透水性：通常，如果透水性混凝土强度提高，其透水性会有一定程度的降低。实际工程中要根据需要调整配比，制备具有适宜强度和透水性的混凝土。

5 　结论

1 水灰比是影响透水性混凝土强度的主要因素之一，当水灰比在0131 左右时可以形成较理想的透水性混凝土结构，具有较高的强度和一定的透水性。

2 碎石骨料比卵石骨料具有更高的强度，连续粒级骨料比单一粒级骨料具有更高的强度。

3 通过掺加掺合料A 和B 可以改善骨料与水泥浆体的界面强度，从而提高透水性混凝土的强度：掺合料C 和D 则达不到这种效果。

4 在适宜的水灰比范围内，透水性混凝土的透水性随水灰比增大而减小，采用单一粒径骨料可以改善混凝土透水性。

5 通常透水性混凝土强度和透水性成反比，实际工程中应根据需要选用合适的配比，满足工程要求。

[参考文献]

[1 ]陈志山. 用于水污染治理的生态混凝土技术[ J ] . 建筑材料学报， 2001 ， (3) :60 - 64.

[ 2 ]王武祥，谢尧生，夏桂清. 透水性混凝土的性能与应用[J ] . 中国建材科技，1994 ， (3) :1 - 5.

[ 3 ]徐立新. 无砂混凝土在道桥工程中的应用[J ] . 公路，2000 ， (6) :28 - 310.

[ 4 ]Sung2Bum Park ，Mang Tia. An experimental study on the water2purification properties of porous concrete [ J ] . Cement and Concrete Research ，2004 ， (34) :177 - 184.

[5 ]孟宏睿，徐建国，陈丽红，尚建丽. 无砂透水混凝土的试验研究[J ] . 混凝土与水泥制品，2004 ， (2) :43 - 44.

[6 ]H. Fujiwara ，R. Tomita ， T. Okamoto ，et . Properties of high - strength porous concrete. Recent Advances in Concrete Technology ，Fifth CANMET/ ACI International Conference on Recent Advances in Concrete Technology[J ] . J uly2August ，2001 ，Singapore :173 - 187.

[7 ]陈志山. 大孔混凝土的透水性及其测定方法[J ] . 混凝土与水泥制品，2001 ， (1) :19 - 20.

[ 8 ]王武祥. 透水性混凝土强度的研究[J ] . 中国建材科技，1997 ， (3) :25 - 28.

[作者简介] 　刘叶锋，1979 年生，男，硕士研究生，结构工程专业：朋改非，1966 年生，男，教授，博士，建筑材料专业。

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