不同级配下体积砂率对透水混凝土性能的影响_宁雪莲.pdf

绿 色 建 材 Green Building Materials绿色建筑2023年 第2期082不同级配下体积砂率对透水混凝土性能的影响不同级配下体积砂率对透水混凝土性能的影响宁雪莲（苏州工业园区建设工程质量安全监督站，江苏 苏州 215027）摘要：随着城市化进程的加速，不透水的混凝土路面加剧了城市内涝灾害。透水混凝土得益于其特殊的性能，在海绵城市建设中有着不可替代的作用。研究人员对透水混凝土性能和其配合比参数做了大量的研究，然而关于体积砂率对透水混凝土性能影响的研究不多，因此开展体积砂率对透水混凝土性能影响的研究，对全面建立透水混凝土技术体系有重要的意义。在试验条件内，不同级配下体积砂率对透水混凝土性能影响的研究结果表明：随着体积砂率的增加透水混凝土的抗压强度呈现先升后降的趋势，透水系数呈现增加趋势。通过拟合体积砂率和强度关系公式，得到粗集料为 5 10 mm 碎石、10 20 mm 碎石以及当 2 种粒径 5 10 mm：10 20 mm 3 7 时，其最佳体积砂率取值分别为 4.3%、6.3%、10.4%。同时根据试验数据拟合了有效孔隙率和透水系数的关系公式。关键词：透水混凝土；体积砂率；孔隙率；拟合公式中图分类号：TU521.1 文献标志码：A 文章编号：1674-814X（2023）02-082-04随着交通建设的快速发展，水泥路面材料给交通带来极大方便的同时也带来一系列负面影响。不透水透气的水泥路面材料阻挡了空气和土壤之间的热量和水分交换，造成城市温湿度紊乱，然后出现城市“热岛效应”和“雨岛效应”1。透水混凝土一词从出现到如今已有几十年的研究应用历史，具备透气透水优良性能的透水混凝土吸引了大量研究人员，目前在配合比设计、生产工艺和施工工艺等方面已经取得了一系列研究成果，许多成果也被陆续应用到海绵城市建设当中。其中，关于体积砂率对透水混凝土性能和孔隙参数影响的研究偏少，所以笔者系统研究了不同级配下体积砂率对透水混凝土性能的影响。1 原材料及试验方法1.1 胶凝材料本次试验采用安徽海螺水泥集团股份有限公司生产的 PO42.5 水泥，其技术性能与指标如表 1 所示。表 1 水泥的性能指标密度/（gcm-3）标准稠度用水量/%烧失量/%凝结时间/min比表面积/（m2kg-1）抗压强度/MPa抗折强度/MPa初凝终凝3 d28 d3 d28 d3.0527.84.415024042625.244.66.39.71.2 集 料粗集料为 510 mm 与 1020 mm 单粒级碎石，其技术性能与指标如表 2 所示。细集料为某河砂厂生产的水洗砂，其紧密堆积密度为 1 660 kg/m，表观密度为 2 620 kg/m，细度模数为 3.0。表 2 粗集料的性能指标集料密度/(kgm-)紧密堆积密度/(kgm-)压碎指标/%510 mm 石子2 7201 51091020 mm 石子2 7201 55091.3 外加剂外加剂由聚羧酸粉体和羟丙基甲基纤维素、淀粉醚加水复合而成，含固量为 40%。2 体积砂率对透水混凝土性能影响本文中的体积砂率指砂子等体积取代水泥的比率。在透水混凝土中使用适量细集料等体积取代部分水泥，可以在保证透水混凝土强度和透水性能的情况下，起到降低生产成本、减少资源损耗等作用。Green Building Material 绿 色 建 材绿色建筑2023年 第2期083笔者选用在 3 种不同级配下，体积砂率分别为 0%、5%、10%、15%、20%，目标孔隙率为 20%，水灰比为 0.28，采用体积法计算得到其配合比，如表 3 所示。其中 SL1 代表级配为 510 mm 单粒级碎石的透水混凝土，SL2 代表级配为 510 mm 单粒级的碎石与 1020 mm 单粒级的碎石比为 37 的透水混凝土，SL3 代表级配为 1020 mm 单粒级碎石的透水混凝土。表 3 试验原材料用量及配合比 单位：kg/m3编号体积砂率/%水泥水水灰比外加剂石子砂子510 mm1020 mmSL1-104131160.284.951 48000SL1-254011120.284.821 480018SL1-3103901090.284.681 480037SL1-4153771060.284.531 480057SL1-5203651020.284.371 480078SL2-103721040.284.464601 0800SL2-253621010.284.344601 08016SL2-310351980.284.214601 08034SL2-415340950.284.084601 08052SL2-520328920.283.944601 08070SL3-103891090.284.6701 5200SL3-253781060.284.5401 52017SL3-3103671030.284.4101 52035SL3-4153561000.284.2701 52054SL3-520344960.284.1201 520742.1 不同级配下体积砂率对透水混凝土强度的影响本试验采用二次投料法，成型采用分 3 层插捣最后一层辅以锤击，试块成型后覆膜养护至拆模，随后在标准养护条件下养护至 28 d。测得不同级配、体积砂率透水混凝土性能如表 4 所示，不同级配下体积砂率对抗压强度的影响如图 1 所示。表 4 不同级配、体积砂率的透水混凝土性能编号体积砂率/%不同粒径碎石比例（510mm）：（1020mm）湿表观密度/(kgm-3)抗压强度/MPa透水系数/（mms-1）有效孔隙率/%SL1-10102 05024.22.6310.6SL1-25102 07027.83.6311.5SL1-310102 01022.24.0012.0SL1-415102 00019.24.0912.1SL1-520102 01015.96.5813.6SL2-10372 06024.03.6412.1SL2-25372 15028.24.1413.0SL2-310372 16030.14.6313.5SL2-415372 15027.95.0114.2SL2-520372 08016.14.5113.5SL3-10012 09020.34.6614.0SL3-25012 12024.25.3615.1SL3-310012 08021.55.8615.2SL3-415012 06019.96.9117.2SL3-520012 08013.46.9917.4绿 色 建 材 Green Building Materials绿色建筑2023年 第2期084注：3 条细实线为基线。图 1 不同级配下体积砂率对抗压强度的影响 由图 1 可知，3 种不同级配的透水混凝土强度均随体积砂率的增加呈先升后降的趋势。在透水混凝土中，用水泥砂浆代替水泥净浆作为胶结材料，虽然水泥的用量减少，但是可以有效改善孔结构，提高胶结材料的刚度。水泥砂浆主要作用是将粗集料胶结为一个整体，水泥砂浆在均匀包裹集料之后，各包裹集料之间的空隙处由水泥砂浆进行胶结，可以有效提高集料之间接触点个数，从而有效提高混凝土的强度2。随着体积砂率的增高，水泥的用量减少，体积砂率提高到一定程度，透水混凝土的强度就有所下降。这是因为随着砂取代水泥量增加，使得水泥砂浆的流动性能和胶结能力下降，集料很难达到紧密堆积状态，集料与集料之间的接触点个数和黏结力降低。因此，当透水混凝土的体积砂率提高到一定程度之后，其强度开始降低。对不同级配下体积砂率与抗压强度关系选择相关系数较大的拟合方式，得如式（1）式（3）的结果。YSL1 0.005 9x30.21x21.411 7x24.41（R20.963）（1）YSL20.004 9x30.042 9x20.694 5x24.053（R20.998 4）（2）YSL30.001 1x30.090 3x21.007 4x20.496（R20.957 7）（3）式中：YSL1、YSL2、YSL3不同级配下的抗压强度，MPa；x体积砂率，%；R2相关指数。对目标曲线进行 3 次多项式拟合相关度最高，通过计算曲线最大值预测各个级配下最佳体积砂率可得，当粗集料使用 510 mm 粒径的碎石、1020 mm 粒径的碎石、510 mm 粒径的碎石与 1020 mm 粒径的碎石比为 37，体积砂率分别为 4.0%、6.3%、10.4%时，强度达到最大。2.2 不同级配下体积砂率对透水混凝土有效孔隙率及透水系数的影响透水混凝土是由水泥浆体包裹粗集料胶结形成的具有大量孔隙结构的体系。作为一种骨架孔隙结构的复合材料，其内部孔隙结构决定了性能。本节主要研究不同级配下体积砂率对透水混凝土透水系数及孔隙率的影响，笔者根据数据绘制不同级配下体积砂率对透水混凝土透水系数及孔隙率的影响变化图，如图 2、图 3 所示。1011121314151617180 5 10 15 20 SL1SL2SL3图 2 体积砂率对有效孔隙率的影响图 3 体积砂率对透水系数的影响由图 2 可知，当使用 510 mm 单粒级碎石拌和透水混凝土时，有效孔隙率随体积砂率增大而增大，当体积砂率为 10%15%时，增长幅度较小；当使用 1020 mm 单粒级碎石拌和透水混凝土时，有效孔隙率随体积砂率的增大而增大，当体积砂率为 15%20%时，增长幅度较小。当粗集料使用 510 mm 单粒级的碎石与 1020 mm 单粒级的碎石比为 37 拌和透水混凝土，体积砂率为 0%15%时，有效孔隙率随体积砂率增大而增大，且当体积砂率为 15%时，有效孔隙率达到最大，当体积砂率为15%20%时，有效孔隙率随体积砂率的增大而减小。由图 3 可知，当使用 510 mm 单粒级碎石拌和透水混凝土时，透水系数随体积砂率增加而增加，当体积砂率为 10%15%时，增长幅度较小；当使用 1020 mm 单粒级碎石拌和透水混凝土时，透水系数随体积砂率的增大而增大，当体积砂率为 15%20%时，透水系数增长幅度较小；当粗集料使用 510 mm 单粒级的碎石与 1020 mm 单粒级的碎石比为 37，体积砂率为 0%20%时，透水系数随体积砂率增大先增加后减小，当体积砂率为 15%时，透水系数达到最大。12345670 5 10 15 20 SL1SL2SL3Green Building Material 绿 色 建 材绿色建筑2023年 第2期085透水混凝土的透水系数随着孔隙率的增大而增大，对于透水混凝土，决定透水性能的关键因素是其内部连通孔隙的分布与数量。当孔隙率增大时，连通孔隙将相对增多，透水过水面积增大，孔壁对水的阻力相应减小，最终透水系数增大3-4。笔者设计的配合比目标孔隙率固定在 20%，在不改变集料粒级的条件下，只是改变体积砂率，随之变化的是原材料的用量，总的浆体体积保持不变，透水混凝土中的部分水泥被砂子替代，所以水泥浆体的质量会有所提高，因此其透水系数的变化幅度较小；但是，当体积砂率提高到一定数值以后，虽然透水混凝土的设计孔隙率保持不变，随着体积砂率的提高，混凝土试块连通的孔被堵塞的概率也随之提高，最终导致产生大量的封闭孔，减少了有效孔隙率。根据试验结果，透水混凝土的透水系数与有效孔隙率的变化趋势基本一致，有效孔隙率和透水系数关系如图 4 所示。图 4 有效孔隙率和透水系数关系笔者通过现有数据探究了透水系数与有效孔隙率的关系，透水系数与有效孔隙率成正比关系，因为当孔隙率增加时，相应的透水混凝土内部连通的透水通道增加，水流通的面积增加且流动受到的阻力减小，所以透水系数相应增加5。由图 4 可得幂函数拟合透水系数和有效孔隙率的关系式见式（4），相关系数为 0.934 3。K0.048 3P1.749(R20.929 6)（4）式中：K透水系数，mm/s；P有效孔隙率，%。3 结 语基于前文分析与试验结果，可得如下结论。（1）随着体积砂率的增加，透水混凝土的抗压强度呈先上升后下降的趋势，透水系数则呈增加趋势。（2）通过对拟合体积砂率和