透水混凝土摻加聚羧酸高性能減水劑的試驗研究

李秀飛

（中核華泰建設有限公司 深圳 518055）

0 引言

隨著城市化進程的推進以及受氣候變化影響，城市內澇問題日益凸顯。海綿城市理念作為系統性水資源優化調配理論受到廣泛重視，并在國內多個城市和項目中應用［1］。海綿城市要求人行道、停車場和廣場的透水鋪裝率不低于50%，公共區域甚至要達到70%［2］。城市透水路面是海綿城市建設的重要組成要素，透水材料性能直接影響到雨水的下滲能力。透水混凝土與常規混凝土相比具有多孔特點，多孔性在增加透水能力的同時會造成混凝土力學強度下降。要同時滿足強度和透水性要求，透水混凝土的水泥用量相對較高，但水泥用量偏高時多余的漿體在影響滲透性的同時，會導致透水混凝土路面產生早期裂縫。作為建設海綿城市的重要綠色建筑材料，國內大量市政工程都設計有透水混凝土路面；如何在提高透水混凝土強度、透水性能（連續孔隙率、透水系數）的前提下，同時減少透水混凝土的工程成本，是目前大多數工程需要解決的問題。

對透水混凝土性能的改進，可通過在微觀尺度上改善骨料之間的黏結強度和接觸面積，從而提升透水混凝土的工作性能。外加劑是影響透水混凝土性能的主要因素［3-4］。聚羧酸減水劑作為新一代減水劑，具有環保無污染、摻量少減水率高的特點，聚羧酸減水劑在水泥中的作用機理以靜電斥力作用、空間位阻效應以及水化膜潤滑作用為主［5］。目前，日本、德國等國家生產的聚羧酸系減水劑質量穩定，用量已占到其國內減水劑總量的60%以上［6］。王玲等人［6-10］研究了聚羧酸減水劑對混凝土性能影響?，F有對透水混凝土的研究主要集中在骨料級配、外加劑用量等因素的影響，基于工程實際需求，系統考慮透水混凝土目標性能與設計參數、最優孔隙率及減水劑摻量的研究較少。

本文結合具體工程實例探討透水混凝土最佳設計孔隙率、最優減水劑摻量的確定方法，在滿足透水性能前提下保證強度最大原則，提升透水混凝土應用經濟性。

1 技術路線

本研究對透水混凝土摻加聚羧酸高性能減水劑時強度、透水性能（連續孔隙率、透水系數）進行研究，技術路線為：

⑴ 擬定5 組設計孔隙率10.0%、12.5%、15.0%、17.5%、20.0%，計算理論配合比。

⑵按照各配合比制作試件，開展試驗，測定對應不同設計孔隙率的強度、連續孔隙率、透水系數。

⑶根據透水混凝土路面的性能指標要求，滿足透水性前提下盡量保證強度最大，確定最優孔隙率。

⑷選定水泥凈漿流動度，測定對應不同減水劑摻量的減水率。

⑸以最優孔隙率為基準，分別探討保持水泥用量不變及減少水泥用量保持水膠比不變兩種情況下，減水劑對透水混凝土性能的影響。

⑹根據透水混凝土路面性能指標要求，綜合考慮透水性及強度要求，確定水泥用量及減水劑摻量。

2 配合比計算

2.1 性能參數

該道路設計圖紙對透水混凝土路面的主要性能要求如表1、表2所示。

表2 集料性能指標Tab.2 Aggregate Performance Index

2.2 基準配合比設計步驟

原材料種類及性能如下：PO42.5 水泥的表觀密度為3 000 kg/m3；碎石為5～10 mm，級配合格，表觀密度2 700 kg/m3，堆積密度1 550 kg/m3；外加劑為混凝土聚羧酸高性能減水劑（液體），含固量20%，廠家建議普通混凝土摻量1.8%，拌和用水為自來水。以上材料經檢檢均合格。

2.3 拌和及成型工藝

本次試驗拌和選用預拌水泥凈漿法；采用王敏等人［11］的擊實法成型，該方法可保障透水混凝土透水率，同時提升力學性能。成型24 h 后拆模置于標準養護室內養護。

2.4 理論配合比計算

配合比設計根據《透水混凝土路面技術規程：CJJ/T 135—2009》［12］進行：

⑴計算單位體積粗骨料用量

式中：Wg為1 m3透水混凝土中粗骨料質量（kg）；ρs'為粗骨料緊密堆積密度（kg/m3）；α為粗骨料用量修正系數，取0.98。

⑵計算膠結料漿體體積

式中：Vp為1 m3透水混凝土中膠結料漿體體積（水、砂與膠凝材料的混合物的漿體體積）（m3）；α為粗骨料用量修正系數，取0.98；Rvoid為設計孔隙率（%）；νg為粗骨料緊密堆積空隙率（%）；ρs'為粗骨料緊密堆積密度（kg/m3）；ρs為粗骨料表觀密度（kg/m3）。

⑶計算單位體積膠凝材料用量

式中：mb為1 m3透水混凝土中膠凝材料（水泥+摻合料）質量，路面透水混凝土約為300～450 kg；mc為1 m3透水混凝土中水泥質量；mf為1 m3透水混凝土中摻合料質量；mw為1 m3透水混凝土中水的質量；βf為礦物摻合料的取代率（%）；RW/C為水膠比；ρp為水泥漿液密度；ρc、ρw為水泥、水的密度；

⑷計算單位體積用水量

式中：mw為1 m3透水混凝土中水的質量（kg）。

⑸計算外加劑用量

式中：ma為1 m3透水混凝土中外加劑用量（kg）；Rs為外加劑的摻量（%）。

⑹根據各材料的計算用量進行試拌，當透水混凝土表面具有金屬光澤且經振動后漿體不堆積為宜。

⑺根據試拌情況調整各材料的用量，確定最終配合比。

⑻配合比設計計算

求解設計孔隙率10%，水膠比0.3 時的計算配合比。文獻［12］建議水膠比選擇范圍控制在0.25～0.35，根據摻配試驗選定為0.3。

原材料種類及性能如下：42.5 級普通硅酸鹽水泥，表觀密度為3 000 kg/m3；Ⅰ級粉煤灰，表觀密度為2 250 kg/m3；石灰巖碎石：5～10 mm，級配合格，表觀密度2 700 kg/m3，堆積密度1 550 kg/m3。

由式⑴～式⑼可得設計孔隙率0.1 對應的各材料配合比，同理可計算出對應孔隙率0.125、0.150、0.175、0.200對應的配合比，如表3所示。

表3 透水混凝土配合比Tab.3 Pervious Concrete Mix Ratio

3 透水混凝土試驗

3.1 確定不加減水劑情況下的最優配合比

未添加減水劑情況下，透水混凝土強度、連續孔隙率、透水系數與設計孔隙率的試驗數據關系如圖1～圖3所示。

圖1 設計孔隙率-強度關系Fig.1 Designed Porosity - Strength Relationship

圖2 設計孔隙率-連續孔隙率關系Fig.2 Designed Porosity - Continuous Porosity Relationship

圖3 設計孔隙率-透水系數關系Fig.3 Designed Porosity - Permeability Coefficient Relationship

試驗結果表明，在設計孔隙率為12.5%時，透水混凝土的連續孔隙率為15%，透水系數為0.843，滿足連續孔隙率≥10%、透水系數≥0.5 的透水性能要求，此時抗壓強度為34.69 MPa，滿足≥30.0 MPa 強度要求。透水混凝土強度隨著孔隙率增大而降低，根據強度最大原則，設計孔隙率12.5%為最優孔隙率。

在試驗過程中，發現拌和料水分丟失過快，僅1 h左右，拌和料表面水泥漿水分即丟失嚴重，表面呈干硬狀態，雖然試驗室試塊能順利成型，但無法滿足施工現場施工工序時長要求。一方面是由于透水混凝土的多孔性造成水分散失速度比常規混凝土快，另一方面應該和拌和配合比中水泥用量超過了推薦用量300～450 kg 有關。因此，需要添加聚羧酸高性能減水劑改善透水混凝土混合料性能。

3.2 聚羧酸高性能減水劑摻量對強度、連續孔隙率及滲水系數的影響

3.2.1 水泥用量不變，減少用水量

選定最優設計孔隙率（12.5%）、水膠比0.3，研究保持水泥用量不變的前提下，加入減水劑減少用水量對透水混凝土強度、連續孔隙率及滲水系數性能的影響。減水劑摻量選取0.0%、0.9%、1.5%、2.1%、2.7%共5種摻量。

以235 mm 作為水泥凈漿流動度標準值，采用水泥凈漿流動度試驗，測得減水劑摻量為0.9%、1.5%、2.1%、2.7% 時，減水率分別為0.275、0.300、0.325、0.340。結合前述計算方法，得到對應減水劑摻量0.0%、0.9%、1.5%、2.1%、2.7%的5 組配合比（見表4）?？梢?，隨著減水劑摻量的增加和用水量的減少，水膠比逐漸減少。

表4 透水混凝土配合比Tab.4 Pervious Concrete Mix Ratio

添加減水劑后，透水混凝土強度、連續孔隙率、透水系數試驗數據與減水劑摻量的試驗數據關系如圖4～圖6所示。

圖4 減水劑摻量-強度關系Fig.4 Water Reducer Content - Strength Relationship

圖5 減水劑摻量-連續孔隙率關系Fig.5 Water Reducer Content - Continuous Porosity Relationship

圖6 減水劑摻量-透水系數關系Fig.6 Water Reducer Content - Permeability Coefficient Relationship

試驗結果表明，隨著減水劑的增加，同時減少相應用水量，透水混凝土的7 d 及28 d 強度均有明顯的增加，7 d 抗壓強度從28.54 MPa 漸變至37.08 MPa，28 d抗壓強度從34.69 MPa 漸變至43.25 MPa，同時連續孔隙率從15%增大至16.7%，透水系數從0.843 增大至0.924。由此可見，保持水泥用量不變的前提下加入減水劑，各組配合比均滿足透水混凝土性能指標要求，從工程經濟性角度考慮，有必要進一步探討加入減水劑、減少水泥用量下的透水混凝土性能。

3.2.2 同時減少水泥用量和用水量

按5%、10%、15%、20%減少配合比中水泥的用量，按照減水劑摻量0.9%、1.5%、2.1%、2.7%計算減水劑用量，保持水灰比不變，得到5組配合比（見表5）。

表5 透水混凝土配合比Tab.5 Pervious Concrete Mix Ratio

水泥用量逐步減少后，透水混凝土強度、連續孔隙率、透水系數試驗數據與水泥減少百分率的關系如圖7～圖9所示。

圖7 水泥減少百分率-強度關系Fig.7 Cement Reduction Percentage - Strength Relationship

圖8 水泥減少百分率-連續孔隙率關系Fig.8 Cement Reduction Percentage - Continuous Porosity Relationship

圖9 水泥減少百分率-透水系數關系Fig.9 Cement Reduction Percentage - Permeability Coefficient Relationship

試驗結果表明，隨著水泥用量的減少和減水劑的增加，在水膠比保持0.3不變前提下，透水混凝土的7 d及28 d強度均有明顯的降低，7 d抗壓強度從35.85 MPa減小至30.06 MPa，28 d 抗壓強度從41.87 MPa 漸變至35.02 MPa，同時連續孔隙率從16.7%增大至17.9%，透水系數從0.924 增大至1.043。這是因為透水混凝土水泥用量減少時，填充混凝土內部空隙的漿體減少，孔隙增多，增加了混凝土的滲透性。

根據實驗數據，水泥用量減少15%情況下，強度、連續孔隙率、透水系數滿足性能要求。

4 試驗結果及經濟性分析

加入聚羧酸高性能減水劑能減少透水混凝土的水泥用量并增大滲透性，同時提升拌和料的粘聚性、保水性，骨料間出現明顯的拉絲現象，拌和料放置2.5 h 仍呈現濕潤及明顯的金屬光澤，如圖10所示。通過試驗發現加入減水劑后能使水泥用量在推薦用量300～450 kg 內。試驗過程中發現7 d 強度均超過了28 d 強度的80%，應該是拌和料中水泥用量較普通混凝土高及成型后孔隙率較大，養生時水分能進入內部造成。

圖10 混合料拌合效果Fig.10 Mixture Mixing Effect

該PO42.5 水泥市場報價為540 元/t；混凝土聚羧酸高性能減水劑（液體），含固量20%，市場報價為1 800元/t。僅摻加水泥時，單方水泥用量為493.275 kg，透水混凝土單價為441.47 元/m3；水泥用量減少15%時，每m3透水混凝土減少的水泥用量為73.991 kg，費用為39.955元；增加的聚羧酸高性能減水劑為10.359 kg，費用為18.646 元，減少的水量費用忽略不計，在提高透水混凝土的各項性能的同時能減少4.22%的工程成本。

5 結論

聚羧酸高性能減水劑的作用極大程度地改善了新拌透水混凝土的物理性能。加入聚羧酸高性能減水劑可以顯著降低透水混凝土單方用水量，降低水膠比，在同等膠材用量下，相當于提高了混凝土強度等級；或在保證強度等級不變的前提下，節省膠材用量，降低生產成本。

聚羧酸高性能減水劑對水泥性能的影響存在多重作用，使用減水劑相比于未加入減水劑的透水混凝土透水性有一定的提高。

透水混凝土孔隙率大，水分散失快，水泥漿體因過于干燥而不易均勻包裹在骨料表面，骨料之間粘結不牢，不利于強度的提高。聚羧酸高性能減水劑的加入使得透水混凝土路面施工時不致水分過早流失，保證透水混凝土的粘聚性及保水性，不容易出現泌水離析等現象，保證施工各工序時長要求。

試驗過程發現聚羧酸減水劑對骨料含泥量要求較高，施工中應重點控制；聚羧酸減水劑為高效減水劑，摻量低，施工中應計量準確；施工中應嚴格按標準要求進行充分拌和。

本文確定透水混凝土配合比及減水劑摻量的方法可為類似工程提供借鑒。