成型方式對(duì)透水水泥混凝土性能的影響

王 昆，朱仁景，譚佳琪

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067； 2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074)

成型方式對(duì)透水水泥混凝土性能的影響

王 昆1，朱仁景1，譚佳琪2

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067； 2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074)

目前透水水泥混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法尚不成熟，成型方式更是復(fù)雜多樣。通過(guò)合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，綜合分析各種成型方法對(duì)透水水泥混凝土強(qiáng)度、透水系數(shù)的影響，以得到適合于透水水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)的最佳成型方法。試驗(yàn)結(jié)果表明：以靜壓法(2 MPa)成型方式制備的透水水泥混凝土試件其抗壓強(qiáng)度最高；不同成型方法對(duì)透水水泥混凝土的有效孔隙率、透水系數(shù)的影響較?。煌杆嗷炷恋耐杆禂?shù)與有效孔隙率呈2次多項(xiàng)式的關(guān)系。

道路工程；透水；水泥混凝土；成型方式；強(qiáng)度透水系數(shù)

隨著全球氣候的惡化，低開(kāi)發(fā)、低影響的建設(shè)理念逐漸得到建筑、交通行業(yè)的認(rèn)可。在尋求建設(shè)與自然和平共處、維護(hù)生態(tài)平衡的道路過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)透水水泥混凝土路面進(jìn)行了積極研發(fā)，其中大孔隙水泥混凝土路面材料為其典型代表。透水水泥混凝土屬于生態(tài)型、環(huán)保型混凝土，道路路面鋪筑透水水泥混凝土能夠增加城市透水、透氣的空間，有利于調(diào)節(jié)城市的微氣候，減小“熱島效應(yīng)”，解決城市地下水位降低、城市內(nèi)澇等問(wèn)題。

在國(guó)內(nèi)，目前對(duì)于透水水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)還不成熟，尤其是室內(nèi)成型方法沒(méi)有確切、統(tǒng)一的規(guī)定，成型方法可謂是百花齊放，如東南大學(xué)的陶卓輝[1]建議采用插搗法成型透水水泥混凝土；長(zhǎng)安大學(xué)的侯紅青[2]采用改制平板振動(dòng)器制備透水水泥混凝土試件；合肥工業(yè)大學(xué)的時(shí)嘯林[3]推薦采用振動(dòng)—碾壓方式制備試件；湖南環(huán)達(dá)公路橋梁建設(shè)總公司的彭進(jìn)[4]則建議以2 MPa的壓力靜壓成型試件。為此，本文綜合現(xiàn)有透水水泥混凝土的成型方法，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比分析各成型方法對(duì)透水水泥混凝土性能的影響，并提出適合于透水水泥混凝土性能設(shè)計(jì)的室內(nèi)成型方法。

1 材料設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的透水水泥混凝土性能如下：抗壓強(qiáng)度25 MPa，抗折強(qiáng)度3.0 MPa，目標(biāo)孔隙率18%。原材料采用山水牌P42.5級(jí)硅酸鹽水泥、10～15 mm粒徑的石灰?guī)r以及北京德昌偉業(yè)的水泥混凝土高效早強(qiáng)減水劑、增強(qiáng)劑。原材料各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1～3。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)

表3 減水劑技術(shù)指標(biāo)

由表1～3可以看出，原材料各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。10～15 mm粒徑粗集料的緊密堆積孔隙率為43.64%，采用體積法中的填充裹覆理論[5]，以18%目標(biāo)孔隙率對(duì)透水水泥混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，具體見(jiàn)表4。

2 成型方式對(duì)透水水泥混凝土性能的影響

透水水泥混凝土屬于干硬性混凝土，不同的成型方法致使其結(jié)構(gòu)組成、孔隙結(jié)構(gòu)不同，其各項(xiàng)性能也不盡相同。為此，本文通過(guò)研究不同成型方式對(duì)透水混凝土強(qiáng)度和透水系數(shù)的影響來(lái)確定其最佳成型方式。

表4 透水水泥混凝土配合比

注：VD為集料緊密堆積孔隙率；P為目標(biāo)空隙率；WC為水灰比。

2.1 成型方式對(duì)透水水泥混凝土強(qiáng)度的影響

分別采用振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)、插搗、插搗+靜壓、靜壓及平板振動(dòng)器振動(dòng)5種成型方式成型透水水泥混凝土試件，分別養(yǎng)生7、28 d后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，變化規(guī)律見(jiàn)圖1、圖2。

表5 采用不同成型方式的透水水泥混凝土強(qiáng)度 MPa

圖1 采用不同成型方式的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

圖2 采用不同成型方式的抗折強(qiáng)度變化規(guī)律

由表5及圖1、圖2可知，透水水泥混凝土成型方式不同，其強(qiáng)度存在一定的差異性。齡期相同條件下，無(wú)論是抗壓強(qiáng)度還是抗折強(qiáng)度，采用不同成型方式成型的試件其強(qiáng)度排序?yàn)殪o壓>靜壓+插搗(0.5 MPa)>插搗>平板振動(dòng)器振動(dòng)>振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)。

無(wú)論7 d還是28 d強(qiáng)度，靜壓方式成型試件的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均最大，即以2 MPa壓力成型試件時(shí)，集料可發(fā)生移動(dòng)，使裹覆水泥的集料緊密嵌擠，形成骨架結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度由集料間的較大嵌擠、摩擦力和水泥、外加劑的粘結(jié)作用2方面形成[6]。另外，就試件外觀看，靜壓方式成型試件底部無(wú)沉漿現(xiàn)象，水泥膠漿完全包裹在集料表面。

以振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)方式成型試件的強(qiáng)度最低，且試件底部存在較多水泥漿，這是由于在振動(dòng)作用下，粘附在集料表面的水泥漿下沉嚴(yán)重，致使集料包裹的水泥漿數(shù)量減少、厚度變薄，導(dǎo)致振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)成型試件的強(qiáng)度最低。

插搗與插搗+靜壓(0.5 MPa)方式成型試件的強(qiáng)度相差無(wú)幾，說(shuō)明將插搗完成后的試件再以0.5 MPa的壓力靜壓，集料移動(dòng)困難，即0.5 MPa的壓力不足以使插搗完成的混合料發(fā)生更加緊密的咬合。

綜上所述，若僅考慮透水水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度，則推薦采用靜壓方式(2 MPa)成型試件，其次為平板振動(dòng)器振動(dòng)方式。

2.2 成型方式對(duì)透水水泥混凝土透水系數(shù)的影響

透水水泥混凝土的成型方式影響其孔隙的大小、類型等，從而會(huì)導(dǎo)致孔隙率發(fā)生變化。本文將測(cè)試按5種不同成型方式成型試件的有效孔隙率、透水系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，變化規(guī)律見(jiàn)圖3。

由表6及圖3可知，配合比相同的條件下，采用不同成型方式成型的試件其有效孔隙率、透水系數(shù)有一定差異，且透水系數(shù)的變化規(guī)律與有效孔隙率的變化規(guī)律一致。采用不同成型方式成型的試件其有效孔隙率(透水系數(shù))的排序?yàn)椋赫駝?dòng)臺(tái)振動(dòng)>平板振動(dòng)器振動(dòng)>插搗>靜壓+插搗(0.5 MPa)>靜壓。

表6 采用不同成型方式的透水水泥混凝土有效孔隙率、透水系數(shù)測(cè)試結(jié)果

圖3 采用不同成型方式成型的透水水泥混凝土有效孔隙率、透水系數(shù)的變化規(guī)律

但從試件的外觀看，振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)致使水泥漿下沉嚴(yán)重，雖然鉆芯檢測(cè)試件的有效孔隙率最大，但底部存在一定的封堵，排水性能存在一定程度的降低。而靜壓成型試件基本無(wú)沉漿現(xiàn)象，水泥漿包裹在集料表面，但其有效孔隙率、滲透系數(shù)最小，這是由于靜壓成型的試件其集料能夠充分移動(dòng)，集料之間機(jī)械咬合緊密，容易形成封閉孔、“布袋孔”[7]。另外，靜壓成型試件的過(guò)程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)集料被壓碎的現(xiàn)象，致使試件有效孔隙率、透水系數(shù)降低[8]。但相對(duì)而言，采用不同成型方式成型的試件其有效孔隙率、透水系數(shù)相差不大，且均滿足CCJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面的技術(shù)規(guī)程》的技術(shù)要求[9]。

就透水水泥混凝土路面而言，在透水性能滿足要求的前提下，應(yīng)盡可能提升其強(qiáng)度。因此，結(jié)合本文研究成果，推薦采用靜壓方式(2 MPa)成型透水水泥混凝土試件。

2.3 透水水泥混凝土透水系數(shù)與有效孔隙率的相關(guān)性分析

有效孔隙率指透水水泥混凝土內(nèi)部上下連通的孔隙，是水自上而下流出的通道，即有效孔隙率的存在是透水水泥混凝土能夠透水的基礎(chǔ)。而有效孔隙率與透水系數(shù)之間是否存在某種關(guān)系，知道其一可否預(yù)估另外一個(gè)，值得深思。因此，本文根據(jù)表4的試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合分析兩者的相關(guān)性，具體見(jiàn)圖4。

由圖4可知，在試驗(yàn)研究范圍內(nèi)，透水水泥混凝土的透水系數(shù)與有效孔隙率存在2次多項(xiàng)式關(guān)系，即K= 0.016V2- 0.461V+ 4.023。式中：K為滲水系數(shù)；V為有效空隙率。該式擬合度較高，相關(guān)系數(shù)R2=0.919。故實(shí)際工程中，可鉆芯取樣測(cè)試透水

圖4 透水系數(shù)隨有效孔隙率的變化規(guī)律

水泥混凝土的透水系數(shù)以得出有效孔隙率，反之亦可。

3 結(jié)論

本文主要研究了不同成型方式對(duì)環(huán)保型、生態(tài)型透水水泥混凝土強(qiáng)度、透水系數(shù)的影響，分析透水系數(shù)與有效孔隙率的相關(guān)性，并得出以下結(jié)論：

1) 基于成型方式對(duì)透水水泥混凝土強(qiáng)度、透水系數(shù)的影響規(guī)律，推薦采用靜壓方式(2 MPa)成型透水水泥混凝土試件。

2) 成型方式對(duì)透水水泥混凝土的有效孔隙率、透水系數(shù)的影響不大。

3) 透水水泥混凝土的透水系數(shù)與有效孔隙率存在2次多項(xiàng)式關(guān)系，即K=0.016V2-0.461V+4.023。

[1]陶卓輝.多孔水泥混凝土路面材料設(shè)計(jì)及性能研究[D].南京：東南大學(xué)，2006.

[2]侯紅青.大孔隙水泥混凝土路面材料溫度響應(yīng)特征[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2010.

[3]時(shí)嘯林.隧道路面高性能多孔水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)方法的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

[4]彭 進(jìn).多孔隙水泥穩(wěn)定碎石基層施工技術(shù)[J].湖南交通科技，2008，34(2)：46-48.

[5]趙 海.多孔混凝土材料組成設(shè)計(jì)方法研究[J].公路交通技術(shù)，2008(4)：8-12.

[6]吳洪洋.低噪聲水泥混凝土路面的適應(yīng)性研究[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003(1)：79-81.

[7]霍 亮.透水性混凝土路面材料的制備及性能研究[D].南京：東南大學(xué)，2005.

[8]李增宏，車 法.多孔混凝土結(jié)構(gòu)特性與強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律研究[J].公路交通科技，2009(4)：32-34.

[9]江蘇省建工集團(tuán)有限公司.透水水泥混凝土路面的技術(shù)規(guī)程：CJJ/T135—2009[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

Influence of Forming Methods on Properties of Permeable Cement Concrete

WANG Kun1,ZHU Renjing1,TAN Jiaqi2

At present,the mixing ratio design for permeable cement concrete is not optimized,and the forming mode is complex and diverse. In this paper,through rational experiment design,the influence of each forming mode on the strength and permeability of permeable cement concrete is analyzed comprehensively to get the optimum forming method suitable for mixing ratio design of the permeable cement concrete. The results show that the compressive strength of permeable cement concrete specimen prepared by static pressure method (2MPa) is the highest; and the effect of different forming modes on the effective porosity and permeability coefficient of permeable cement concrete is relatively small; And the permeability coefficient and the effective porosity of the permeable cement concrete are quadratic polynomials.

road project; permeable; cement concrete; forming mode,strength permeability coefficient

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.003

2016-08-25

王 昆(1989-)，男，河南省平頂山市人，碩士，助工。

1009-6477(2016)06-0010-04

U416.216

A