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【來 源】 《大學物理實驗》 2017年第3期P9-13頁
【分 類 號】 O 4-34
【關 鍵 字】 透水混凝土 滲透系數 有效孔隙率 靜壓成型
【摘 要】 對透水混凝土滲透系數測量裝置進行改進，并利用改進后的實驗裝置研究了5～10 mm和10～20 mm兩種不同骨料粒徑的透水混凝土試件，在不同成型條件下的滲透系數、有效孔隙率和飽和含水量進行測量。
透水混凝土是一種可以減輕環境負擔、與環境協調共生，能為人類構造舒適生活環境的綠色環保材料。是一種由骨料，水泥和水拌制而成的具有連續孔隙的混凝土，既有一定的強度，又有一定的透氣透水性能。其經常使用于鋪筑道路、廣場、人行道路等，能夠擴大城市的透水透氣面積，增加行人、行車的舒適性和安全性，減輕城市內澇，降低交通噪音，能調節城市空氣的溫度和濕度，對于生態平衡有著重要的作用。目前國內對透水性混凝土已經做了一定的研究，但是理論的研究還不夠系統和深入[1-4]；透水性能測試的技術、設備以及應用技術還不夠完善，要達到廣泛大面積的應用還需要做大量的工作。本文在改進了現有的透水混凝土滲透系數測量儀器設備的基礎上，研究了兩種骨料粒徑、不同成型方法對透水混凝土滲透系數以及孔隙率的影響[5-11]。
1 方形透水混凝土滲透系數測試裝置
在實驗執行前，在規范和文獻的基礎上對線性設備進行改造，引入傳感器技術到實際測量中來提高相關精度。相關改進如下：
1.為了方便測量水的流量和流速，在供水水管和溢流導流管處均設置流量計來讀數[12]。
2.為了方便測量和控制測量筒內液面高度，在測量筒外壁一側伸出一個帶刻度的聯通管，其最小刻度單位是0.5 mm。在連通管內部內置輕質有色小球，試驗時小球高度所示刻度即為圓筒內液面高度。
3.為了方便控制變量以減小誤差，溢流水槽一側上部開設有三個不同高度的溢流口，每個溢流水槽溢流口均設有控水閥門。
通過以上三點的改進，可以方便操作的進行，并使得測量數據更加精準可靠。
圖1 滲透系數測試裝置
2 試件原材料及試驗方法
2.1 原材料及配合比設計
測試中原料用水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥；為考慮不同粒徑對透水混凝土性能的影響，分別選用粒徑為5～10 mm、10～20 mm的片狀礫石，試件水灰比設計參見表1。
表1 透水混凝土配合比數據表
2.2 試樣制備工藝
試樣制作中先將石料與50%用水量加入強制式攪拌機拌合30 s，再加入水泥拌合40 s，最后加入剩余的用水量拌合50 s后出料。
各組試件取其中一組自然放置，余下七組分別采取振動和靜壓的方式來成型具體參數如下：振動(時間分別為：5S、10S、15S)、靜壓(500N靜壓10S和20S、1000N靜壓10S和20S)。
3 相關參數及其測定標準
3.1 滲透系數的測定
滲透系數的測定方法參考中華人民共和國城鄉建設部發布的《透水水泥混凝土路面技術規程》 CJJ/T 135-2009進行。其中透水系數計算公式如下[1]：
kT=
(1)
式中：kT水溫T℃時試樣的滲透系數，mm/s；Q為時間t秒內的滲透水量，L為試樣的厚度，mm； A為試樣的上表面積，H為水位差，mm；t為時間，s。
3.2 有效孔隙率的測定
由于透水性混凝土中的孔隙有三種，即：封閉的孔隙、開口但是不連續的孔隙(“布袋型”孔隙)、貫穿混凝土且連續的有效孔隙。其中第三種貫穿型的孔隙為混凝土透水的最主要原因。
對透水有效的有效孔隙(貫穿孔隙及與之相連的布袋型孔隙)是實際功能孔隙，因此需要對有效孔隙率進行的測量可以有效的判斷出實際透水性能的優劣，相關測量方法如下：
(1)直接將吸水飽和的透水混凝土試塊放入盛滿水的水槽中，用量筒接取從溢水口溢出的水，讀取量筒內讀數即為試塊材料體積及其中的封閉型孔隙體積之和，記為v1；
(2)用加熱融化后的石蠟密封裹吸水飽和的透水混凝土試樣四周，并將試件表面找平后，將試件放置于盛滿水的水槽中，用量筒接取從溢水口溢出的水，讀取量筒內讀數即為透水混凝土試樣的體積，記為v0；
(3)按下式計算試件的有效孔隙率P(精確到0.1%)：
P=(
)×100%
(2)
3.3 飽和含水率的測定
本研究中含水率的測定方法如下：
(1)將已經養護完全的透水混凝土試塊完全浸泡在水中24 h，使其吸水飽和后，測量其質量，記為m1。
(2)將吸水飽和后的透水混凝土試件放在高溫烘箱中烘烤24 h，使其達到面干狀態，烘烤溫度65 ℃。完成后測量其質量，記為m2。
(3)按下式計算飽和透水混凝圖的含水率W(精確到0.1%)；
W=(
)×100%
(3)
4 實驗結果與分析
根據以上的方法測定試塊的滲透系數、孔隙率、含水率，將試驗所得數據進行處理得到數據表以及骨料粒徑、成型工藝與滲透系數，有效孔隙率和飽和含水量見表2。
表2 實測參數表
4.1 試件滲透系數變化及其規律
由于透水混凝土是一種斷級配混凝土材料，其中粗骨料是構成透水混凝土骨架的主要組成材料，骨料的粒徑大小對透水混凝土的透水性能有著非常重要的影響。通過前人的研究發現，不同的成型方式對透水混凝土同樣有著重要的影響。本次實驗中測得的滲透系數見表2，通過比較表格2中滲透系數的數據可以繪制出圖2。由圖2可知：
從圖2-A中可以明顯看出，在相同骨料粒徑、配合比的情況下，隨著振動時間的增長，透水混凝土的滲透系數減小，滲透性能降低。
A.振動成型試塊
B.10～20 mm粒徑靜壓成型試塊
C.5～10 mm粒徑靜壓成型試塊
圖2 不同成型條件試塊滲透系數變化圖
注：圖2B、C中1、2、3分別代表未靜壓構件、靜壓10 s構件和靜壓20 s構件。
由圖2-B、2-C可知，在骨料粒徑、配合比及成型壓力相同的情況下，隨著靜壓時間的增長，透水混凝土的滲透系數減小，滲透性能降低。對比500N和1000N壓力成型試件發現靜壓力也會影響滲透性能，但其影響程度小于靜壓時間的影響。
對比圖2-A、2-B、2-C可知，在配合比及成型工藝相同的情況下，大粒徑骨料制備的透水混凝土試件，其滲透系數大于小粒徑骨料制備的透水混凝土試件。這是因為大粒徑骨料之間的間隙大于小粒徑骨料。從透水性能角度來看，大粒徑骨料是制備高透水性混凝土的第一選擇。
通過表2中滲透系數的數據結合圖2的變化規律可以發現，在比對成型工藝的和滲透系數的關系下，靜壓成型比振動成型對滲透系數的影響程度更大，在10 s的成型時間下，1 000 N的靜壓力作用的試件滲透性能最小，而此時振動成型構件的滲透系數接近靜壓構件的2.5倍。
4.2 構件有效孔隙率變化及其原因
孔隙是透水混凝土透水的直接原因，由于成型技術的不同，產生的連通型的有效孔隙的程度也不一樣。通過比較表2中有效孔隙率的數據可以繪制出圖3。有圖可知：
由圖3-A可以看出，在相同的骨料粒徑級配下的情況下，伴隨振動試件的增加，透水混凝土試件的內部連通的有效孔隙率減小。
由圖3-B、3-C可以看出，相同的骨料級配的試件，在靜壓力成型的條件下，伴隨著靜壓力的提高和靜壓時間的增長，透水混凝土的有效孔隙率降低。
對比圖3-A、3-B、3-C可知，在配合比及成型工藝相同的情況下，大粒徑骨料所制成的透水混凝土的有效孔隙率明顯大于小粒徑骨料所制成的透水混凝土。
A.振動成型試塊
B.10-20mm粒徑靜壓成型試塊
C.5～10 mm粒徑靜壓成型試塊
圖3 不同成型條件試塊有效孔隙率變化圖
注：圖B、C中1、2、3分別代表未靜壓構件、靜壓10 s構件和靜壓20 s構件。
結合表2中關于有效孔隙率的數據和土3中變化規律也可以發現在級配不變的情況下，成型工藝的不同對有效孔隙率的影響也是存在的。靜壓成型條件下的孔隙率明顯小于振動條件的試件。取10 s情況下的數據發現振動成型試件的有效孔隙率不超過靜壓成型構件的1.5倍。
4.3 骨料粒徑以及成型工藝對飽和含水率的影響
圖4 不同成型條件試件的飽和含水率
由圖4可以看出，不管是成型工藝的改變還是粒徑的改變，在選材批次相同的情況下透水混凝土試件的飽和含水率維持在6.2%以內，成型工藝以及骨料粒徑的不同對其飽和含水率的影響不超過0.9%。在材料確定的情況下，混凝土自身的密實程度會對材料的吸水性能有影響，但相對于整體的含水率而言影響程度不大。
4.4 變化原因分析
圖2-A、圖3-A都顯示在振動條件下伴隨成型試件的增加，滲透系數和有效孔隙率呈降低趨勢，考慮其原因是在振動成型過程中，呈半流動狀態的水泥漿因為振動的作用，順著粗骨料孔隙流到試塊下部并填充下部孔隙。這個填充過程伴隨著振動成型的全過程，成型時間越長，試塊下部的填充程度越大。對滲透系數的性能影響也越大。
圖2-B、2-C、3-B、3-C是靜壓成型試件的滲透系數和有效孔隙率變化情況圖。由于在靜壓力作用下，骨料之間發生相對錯動，使骨料與骨料之間的結合越緊密，透水混凝土試件越密實，其內孔隙越少，滲透系數和有效孔隙率降低；并且在相同骨料粒徑、配合比以及靜壓時間的情況下，隨著靜壓力的增大，透水混凝土的孔隙率減小。
比較滲透系數和有效孔隙率的變化規律不難發現在確定骨料級配的情況下，有效孔隙率和滲透系數伴隨著成型條件的改變規律大致是相同的，但是從細節上來看有效孔隙率的變化程度緩于滲透系數的變化，但是由于試件數量和實驗條件的限制此次未能對兩者之間的關系進行深入研究。
5 結 論
透水性混凝土是順應國家節能減排號召情況下的一種新型的建筑材料，本文對兩種粒徑級配的構件在不同成型條件下透水性能進行了研究，通過研究可以得出如下結論：
(1)試件的滲透系數、有效孔隙率和飽和含水量都伴隨成型時間的增加降低。在同等時間條件下靜壓成型試件的相關參數要小于振動成型試件；
(2)同等成型條件下骨料粒徑為10～20 mm試件的透水性能要優于5～10 mm粒徑的試件；
(3)級配和成型工藝相同的情況下，滲透系數、有效孔隙率和飽和含水量變化趨勢相同，但有效孔隙率的變化明顯緩于滲透系數的變化。
參考文獻：
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