李盛嘉 張 輝 馮 龍 唐科偉 林煜桂

中國建筑第八工程局有限公司南方公司深圳分公司 廣東 深圳 518048

混凝土透水磚因其制備時選用較低的水膠比，且采用級配較為均勻的骨料，使得其具有多孔的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的透水、透氣性能，能夠起到減少城市內(nèi)澇的作用，被廣泛應(yīng)用于市政工程，特別是人行道或消防通道等道路的路面。同時，混凝土透水磚在具有高透水性的同時，也兼?zhèn)湟欢ǖ膹姸取?/p>

混凝土透水磚的主體是透水混凝土，傳統(tǒng)的透水混凝土大多數(shù)都是無砂混凝土，以期最大限度地減少細骨料對透水混凝土孔隙率的影響。但是采用水泥作為膠結(jié)材料且不摻加砂的配合比方案，會出現(xiàn)骨料間黏結(jié)面積小、有效孔隙率低、界面結(jié)構(gòu)缺陷多等缺點。

基于以上原因，本文進行了相關(guān)試驗研究，并嘗試在透水混凝土中加入適量的中砂，進而探究砂率對混凝土透水磚性能的影響[1-6]。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

水泥采用華新牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；骨料采用深圳當?shù)厣a(chǎn)的粒徑為5～10 mm連續(xù)級配瓜米石，測得其表觀密度達2 800 kg/m3；砂子采用深圳當?shù)匕b的黃砂；減水劑采用聚羧酸高性能減水劑（陜西秦奮建材公司生產(chǎn)），具有25%的減水率；水采用廣東省深圳市自來水，符合混凝土透水磚對拌和水的要求。

1.2 試驗方法

1.2.1 混凝土透水磚制備工藝

混凝土透水磚采用以下的制備工藝：先將骨料和50%用量的水預(yù)攪拌1 min；再加入水泥與剩余的水拌和1 min；最后將所量取的減水劑加入，再攪拌30 s后進行裝模；采用人工振搗方式成形，將新拌好的骨料分3次裝入模具中，每次用振搗棒振搗20下，將模具裝滿后，再施加4 MPa左右的壓力使其成形?；炷镣杆u成形后，立即用塑料薄膜進行包裹以防止水分蒸發(fā)。24 h后進行脫模，并放置在養(yǎng)護池中繼續(xù)養(yǎng)護至28 d。養(yǎng)護結(jié)束后，將試件取出并立即開始進行透水性能的測試，之后再進行強度的試驗?；炷镣杆u的原材料相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 混凝土透水試驗相關(guān)參數(shù)

1.2.2 透水系數(shù)測試方法

本試驗采用CJJ/T 135－2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》附錄A推薦的常水頭法測試。常水頭法即進水口和排水口具有恒定的水頭差，常水頭法測定透水系數(shù)的試驗裝置如圖1所示。

圖1 透水系數(shù)試驗裝置示意

根據(jù)規(guī)范要求，本試驗透水系數(shù)測試方法的具體步驟如下：

1）取3個長100 mm、寬100 mm、高100 mm的透水磚試件，表面擦拭干凈后用鋼尺測出其長、寬和厚L，分別測2次，取平均值后計算出其橫截面面積A。

2）將試件的四周用石蠟密封好，使水僅從試件的上下表面進行滲透。

3）待密封材料固化后，將試件放入水中浸泡，待無氣泡冒出后將其取出并放入透水系數(shù)測定試驗裝置。然后將其放入水槽，打開供水閥，將容器中充滿水直至水槽中有水開始溢出時，調(diào)整進水量，使得透水圓筒內(nèi)保持一定的水頭（大約150 mm）。待水槽的溢流口和圓筒的溢流口穩(wěn)定后，用量筒從水槽的溢流口接水，記錄5 min內(nèi)的出水量Q，測量3次，取平均值。

4）用直尺測出透水圓筒以及溢流水槽之間的水頭差H，精確至1 mm。

5）用溫度計測量試驗中溢流水槽中水的溫度T，精確至0.5 ℃。

根據(jù)規(guī)范，用常水頭法測得的透水系數(shù)計算公式具體如下：

式中：KT——水溫為T ℃時試件恒定水頭的透水系數(shù)；

Q——時間t秒內(nèi)流出的水量；

L——試件的厚度；

A——試件的上表面積；

H ——水位差；

t ——測試的時間；

ηT——T ℃時水的動力黏滯系數(shù)；

η15——15 ℃時水的動力黏滯系數(shù)。

1.2.3 抗壓強度試驗

抗壓強度采用TSY-2000電液式壓力試驗機進行試驗。根據(jù)規(guī)范JG/T 376－2012《砂基透水磚》附錄A要求，以0.4～0.6 MPa/s的速度均勻連續(xù)地施加荷載。選用尺寸為200 mm×100 mm×60 mm的混凝土透水磚進行抗壓強度試驗，因此換成力的形式施加荷載，即8～12 kN。開啟試驗機加載，計算機系統(tǒng)自動記錄試驗中的垂直力和垂直變形直至試驗結(jié)束。

抗壓強度按照式（2）進行計算：

式中：P ——試件的抗壓強度；

F ——試件破壞前承受的最大荷載；

A——試件上墊壓板面積或試件受壓面積。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 混凝土透水磚的強度及其影響因素

混凝土透水磚的抗壓強度一直是衡量混凝土透水磚質(zhì)量的一項重要指標。因此，在保證一定透水系數(shù)的同時，應(yīng)盡可能提高混凝土透水磚的抗壓強度。本試驗在設(shè)計過程中考慮了水膠比和砂率對混凝土透水磚抗壓強度的影響。最終各組試件的試驗結(jié)果如表2所示。部分抗壓試驗結(jié)果如圖2所示。

2.1.1 砂率對抗壓強度的影響

根據(jù)表2，可以得出在同一水膠比下，不同砂率的混凝土透水磚抗壓強度（圖3）。

從其抗壓強度曲線可以發(fā)現(xiàn)：

1）當混凝土透水磚的水膠比為0.26時，混凝土透水磚的抗壓強度隨著砂率的增大，先增大后減小，20%砂率的抗壓強度達到最大，為18.2 MPa。砂率由0增加到20%，抗壓強度增長率為10.30%；砂率由20%增加到30%，抗壓強度增長率為－24.18%。

表2 各組混凝土透水磚抗壓強度

圖2 部分抗壓試驗結(jié)果

圖3 不同砂率的混凝土透水磚抗壓強度曲線

2）當混凝土透水磚的水膠比為0.28和0.30時，混凝土透水磚的抗壓強度隨著砂率的增大，先增大后減小，10%砂率的抗壓強度達到峰值。

試驗結(jié)果說明，隨著砂率的增大，相同水膠比的混凝土透水磚的抗壓強度都是先增大后減小的，存在最優(yōu)的砂率。分析其中原因，與傳統(tǒng)的無砂透水混凝土相比，隨著砂率的增大，混凝土透水磚內(nèi)的黏結(jié)材料由強度更高的水泥砂漿取代了單純的水泥漿體，骨料表面被高強度的水泥砂漿均勻地包裹，形成有效的膠結(jié)面。水泥砂漿填充在骨料之間咬合處的孔隙當中，增大了骨料之間咬合處的受力面積，使骨料與骨料之間的應(yīng)力分散，降低了透水混凝土在骨料之間接觸點處破壞的可能性，提高了透水混凝土的強度。但是，當砂率超過一定量時，透水混凝土中水泥含量不變，骨料間的表面積增大，水泥漿不足以完全包裹所有砂子的外表面，不能形成工作性能良好的水泥砂漿，從而導(dǎo)致混凝土透水磚內(nèi)部的膠結(jié)性能降低，同時在這種水泥漿體不足的情況下，砂子也難以與骨料膠結(jié)牢固，共同發(fā)揮強度。因此當水泥含量一定時，砂率超過一定量，混凝土透水磚的強度開始下降。

2.1.2 水膠比對抗壓強度的影響

根據(jù)表2，可以得出不同水膠比的混凝土透水磚在同一砂率情況下的抗壓強度（圖4）。

圖4 不同水膠比的混凝土透水磚抗壓強度曲線

從其抗壓強度曲線可以發(fā)現(xiàn)：

1）無砂混凝土透水磚與含砂混凝土透水磚相比，其抗壓強度隨著水膠比的增大而逐漸減小，存在最優(yōu)水膠比為0.26。

2）當砂率不為0時，混凝土透水磚的抗壓強度隨著水膠比的增大，先增大后減小，存在最優(yōu)水膠比為0.28。砂率由10%增大到30%，其最優(yōu)水膠比的抗壓強度峰值分別為21.8、18.6、16.2 MPa。

3）當水膠比為0.26時，20%砂率的混凝土透水磚的抗壓強度為最優(yōu)，達18.2 MPa。

4）當水膠比為0.28和0.30時，10%砂率的混凝土透水磚的抗壓強度為最優(yōu)，分別為21.8 MPa和16.7 MPa。

試驗結(jié)果說明，無砂混凝土透水磚隨著水膠比的增大，其抗壓強度會隨著減小。原因是隨著水膠比的降低，水泥含量會增多，在減水劑的幫助下，水泥漿體有良好的流動性和黏聚性，骨料表面能夠被水泥漿體充分包裹，擁有足夠的接觸點和黏結(jié)能力。水泥硬化的強度足夠高，能夠承受較大的壓力，不易在受力時產(chǎn)生裂紋，使得混凝土透水磚的抗壓強度較大。

試驗結(jié)果還說明，同一砂率的混凝土透水磚，隨著水膠比的增大，其抗壓強度先增大后減小。原因是隨著水膠比的增大，水泥含量會減少，水的含量會增多，水泥漿體和易性出色，水泥砂漿能夠充分包裹骨料，骨料與骨料之間擁有足夠多的接觸點和良好的黏結(jié)能力，水泥硬化后強度較高，能夠承受較大的壓力，不易在受力時產(chǎn)生裂紋，使得混凝土透水磚的抗壓強度較大。隨著水膠比越來越大，水泥的含量越來越少，而水的含量越來越多，水泥過少導(dǎo)致水泥砂漿即使在高效減水劑的拌和下仍不能很好地完全包裹所有砂子的外表面，導(dǎo)致混凝土透水磚中的膠結(jié)性能降低。在這種水泥砂漿和易性與砂率不匹配的情況下，砂子也難以與骨料膠結(jié)牢固，共同發(fā)揮強度。因此當水膠比大到水泥砂漿和易性峰值后，混凝土透水磚的抗壓強度會開始下降。

2.2 混凝土透水磚的透水性能及其影響因素

混凝土透水磚的透水性是決定其性能優(yōu)劣的重要指標。評價混凝土透水磚透水性能的一個重要指標就是其透水系數(shù)。結(jié)合具體情況以及本試驗的特征，混凝土透水磚的透水系數(shù)測試選用常水頭法來進行。最終各組試件的透水系數(shù)試驗結(jié)果如表3所示。

表3 各組混凝土透水磚的透水系數(shù)

2.2.1 砂率對透水性能的影響

根據(jù)表3，可以得出在同一水膠比下不同砂率混凝土透水磚的透水系數(shù)（圖5）。

從其透水系數(shù)曲線可以發(fā)現(xiàn)：

1）隨著砂率的增長，混凝土透水磚的透水性呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。

2）同一砂率的情況下，0.26水膠比的混凝土透水磚的透水性要優(yōu)于0.28和0.30水膠比的混凝土透水磚。

3）0.26水膠比的無砂混凝土透水磚在所有混凝土透水磚組次中，透水性最優(yōu)。

根據(jù)試驗結(jié)果，分析其中原因是傳統(tǒng)無砂混凝土透水磚骨料的堆積孔隙較大。在混凝土透水磚中摻入中砂后，中砂能夠有效地填充到骨料之間，進而形成更穩(wěn)定的鑲嵌結(jié)構(gòu)，減少內(nèi)部有效孔隙，導(dǎo)致混凝土透水磚中更多連通孔隙被堵塞，連通孔隙變少，孔隙率急劇下降，透水系數(shù)也隨之降低。

2.2.2 水膠比對透水性能的影響

根據(jù)表3，可以得出不同水膠比的混凝土透水磚在同一砂率時的透水系數(shù)（圖6）。

從其透水系數(shù)曲線可以發(fā)現(xiàn)：隨著水膠比的增大，混凝土透水磚的透水系數(shù)沒有明顯的升高或降低趨勢，曲線趨于平緩。

圖5 不同砂率的混凝土透水磚透水系數(shù)曲線

圖6 不同水膠比的混凝土透水磚透水系數(shù)曲線

試驗結(jié)果說明，隨著水膠比增大，同一砂率的混凝土透水磚的透水系數(shù)沒有明顯的差異，說明砂率對透水系數(shù)的影響要大于水膠比。當砂率為30%時，隨著水膠比的提高，水泥含量會隨之減少，中砂表面不能夠被水泥漿體充分包裹，導(dǎo)致中砂填充在骨料之間，混凝土透水磚中的連通孔隙被堵塞，透水系數(shù)會隨之減小。

綜上可知，同砂率、孔隙率相比，水膠比對透水性的影響可以說是很小的。

3 結(jié)語

為研究混凝土透水磚的性能，以砂率和水膠比為試驗變量設(shè)計不同試驗組，進行了抗壓強度試驗和透水系數(shù)試驗。根據(jù)試驗結(jié)果得到以下結(jié)論：

1）高砂率導(dǎo)致低的孔隙率，使得混凝土透水磚的透水性能降低，提高了其抗壓強度。最優(yōu)的砂率為10%，此時混凝土強度較高。

2）低水膠比的混凝土透水磚中水泥含量增加。砂率為10%時，混凝土透水磚中的水泥砂漿增多，骨料表面能夠充分被水泥漿體包裹，其抗壓強度顯著提高。砂率為10%時，建議水膠比為0.28。

3）砂率對混凝土透水磚透水性能的影響遠大于水膠比，水膠比對透水性能的影響可忽略不計。