透水混凝土渗透衰减规律的试验研究.pdf

2 0 1 4 年 第 1 2期 (总 第 3 0 2 期 ) Nu mbe r 1 2 t r 2 01 4 ( To t a l NO3 0 2) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 T HEOR ETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 1 2 0 1 8 透水混凝土渗透衰减规律的试验研究 黄建栋 ，赵方冉 ( 中国民航大学 机场学院，天津 3 0 0 3 0 0 ) 摘要 ： 透水混凝土是一种绿色化新型材料 ， 在其发挥其 自渗水功能的同时不可避免的一些杂质会下渗到透水混凝土中， 影响透 水功能的正常使用。 为更好地评价透水混凝土渗透衰减性能， 提出渗透衰减率的概念， 通过设计多组不同骨料粒径配合 比的试验 进 行透水系数测定试验， 分析评价渗透衰减率 ， 最终得出透水混凝土渗透衰减与骨料粒径 、 比例、 分布之问的关系。 关键词 ： 透水混凝土；透水系数 ；骨料粒径；渗透衰减率 中图分类号 ： T U5 2 8 2 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 1 2 0 0 6 9 0 4 Exper i m ent al st udy of per vi ous conc r e t e penet r a t i on at t e nua t i on r ul es HUANG J i a n do n g， ZHA0Fa n gr a n ( A i r p o r t C o l l e g e ， C i v i l A v i a t i o n U n i v e r s i t y o f C h i n a ， T i a n j i n 3 0 0 3 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： P e r v i o u s c o n c r e t e i s t h e g r e e n fl e w ma t e r i a l f r o m wa t e r s e e p a g e i n t h e i r p l a y t o t h e i r c a p a b i l i t i e s ， wh i l e s o me o f t h e i n e v i t a b l e i mp u r i t i e s i n fil tr a t i o n i n t o p e r v i o us c o n c r e t e， pe r me a bl e f e a t u r e s a f f e c t t h e n o rm a l u s eTo b e t t e r e v a l u a t e t he pe r f o rm a n c e o fp e r v i o us c o n c r e t e p e r me a b i l i t y d e c a y， t he d e c a y r a t e of pe ne t r a t i o n o f t h e c o n c e p t p u t f o r wa r d by d e s i g ni n g mul t i pl e d i f f e r e n t a g gre g a t e s i z e r a t i o t e s t ， c o nd uc t e d pe r me a b i l i t y c o e ffi c i e n t me a s u r e me nt t e s t ， a n a l y s i s a n d e v a l u a t i o n o f pe r me a b i l i t y d e c a y r a t e， a nd ul t i ma t e l y C Oll i e t o pe rvi o u s c o nc r e t e i nfil t r a t i on a t t e n u a t i o n a n d be t we e n a g g r e g a t e s i z e a n d s c a l e Key wor ds ： p e rvi o us c on c r e t e ； pe r me a b i l i t y c oe ffi c i e n t ； a g gre g a t e s i z e； p e n e t r a t i o n a t t e nu a t i o n r ul e s 0 引 _-g - 体结构如图 1 所示。 随着 目前合理环保的城市化进程的推进 ， 透水混凝土 作为一种绿 色化 的新型建筑材料逐步体现出其发展优势 ， 出现在人们 的视野 中。 一方 面通过铺设 透水 混凝土 ， 能够 将大雨后地表径流渗入地下 ，减轻市政排水设施 的压力 ， 另一方 面透水混凝 土能够将地表水渗入土壤中 ， 补充土壤 中的水分 ， 调节城市生 态环境 。 然而在透水混凝土发挥其 下渗功能 的同时 ， 不可避免 的会有一些 灰尘 、 砂砾等小颗 粒伴 随水分下渗 到透水混 凝土 中 ， 随着水下 渗次数 的增 多 ， 透水混凝土能否继续发挥其 自渗水功能成为 目前透水 混凝土研究的重要 问题。 1 透水混凝土渗透性特点 作为能够用于实际工程建设 的路面铺设材料 ， 透水混 凝土经过多年的试 验研究 ， 其设 计强度 已基本满足工程实 际要求 ， 目前影 响其工程大量实践应用 的主要 因素 ， 集 中 体现在透水混凝土耐久性方面 。 透水混凝土 由粗骨料 、 水 泥 、 水 、 减水剂组成 ， 以粗骨 料为骨架， 水泥浆包裹在粗骨料外部， 将粗骨料颗粒黏接 ， 形成空 间的点 接触或面接触 ， 在三维空间 内， 堆积形成立 收稿 日期 ：2 0 1 4 0 6 0 4 基 金项 目 ：中国民航机场工程研 究基地开放 基金项 目( MHJ C J D 2 0 1 4 0 6 ) 图 1 透水 混凝 土 的平面 投 影 由于透水混凝土结构的特殊性 ， 致使其 内部包含大量 的孔隙 ， 相对普通的混凝土结构 ， 这是透水混凝 土的优点 ， 也 是不利 之处。 孔 隙结构 的存在 ， 造成透水混凝土骨架并 非连续的整体结构 ， 使得外部介质， 特别是水分 、 空气 、 小颗 粒灰尘等可 自由进入 ， 这对透水混凝 土的耐久 I生 非常不利 。 2 透水混凝 土渗透性 衰减规律 的试验 2 1 原材料 水泥 ： P O 4 2 5 级 ， 其物理力学性能指标表 l 所示 。 粗骨料： 5 2 0 m l T l 的单粒级碎石， 物理指标如表2 所示。 6 9 表 1 水泥物理力学指标 表 2 粗骨料物理指标 外加剂 ： 萘系高效减水剂。 水 ： 普通 自来水。 2 2 材料 用量及 配合 比 为 了充分反映试件中骨料粒径变化对混凝 土渗透 系 数变化的影 响及其抵御外界颗粒物质侵袭的能力 ， 即渗透 衰减性， 并且参考先前试验资料， 特设计以下配合比试验， 进行研究。 根据透水混凝土的结 构体积 特征并联 系实际施 工经 验 ， 确定各试验 因素( 骨料粒径百分比 、 透水混凝土厚度 ) ， 其 中骨料粒径 以各骨料成分的百分值进行表征 ， 以骨料粒 径划分 界 限 2 5 i l r fl 、 5 - 1 0 m m、 1 0 1 6 m m、 1 6 2 0 r n l T l ， 并 以 、 、 、 表 征四种粒 径范围 内骨料所 占百分 比， 其 4 设计 限制条件为 ： X 1 ； 0 1 ， i = 1 ， 2 ， 3 ， 4 ； A + B + i = 1 X c + X D = I 并设计 以下级配粒径配合 比试验 ， 见表 3 。 表 3 透水混凝土配合比 2 3试验 方 法 根据对透水材料渗透衰减性能 的研究分析 ， 拟定透水 混凝土的渗透性能损失率 的概念 ， 一般而言 ， 对于评价某 系统 耐久性 的优 劣通 常通 过功 能性 减退 的速 率来进 行 体现， 而透水混凝土的渗透衰减性能是通过透水混凝土渗 透性能逐渐衰弱进行体现的 ， 为此提 出了渗透衰减率的计 算式 。 = 二 ( n 1 ) ( 1 ) 。 k 式 中： 田 第 n 次渗透的渗透衰减率 ； n 渗透次数 ； 第 12 次的渗透 的渗透 系数。 渗透系数的测试 ： 按水头状况不同， 一般分为常水头法 和变水头法两种。 一般对于渗透性较差材料( 小于 1 0 - 3 c m s ) ， 由于流量小难以测定， 一般采用变水头法。 对于透水混凝 土而言， 其渗透性比较大( 大于 0 3 5 c m s ) 因而可以采用常 水头法测量其渗透系数。 透水混凝土的渗透系数测定主要 是基于达西 定律 ， 即在一定的水头下 ， 单位时间 内透过混 凝 土的水量 与混凝土的表面积成正 比， 与混凝土的透水路 径成反比。 7 0 ： ： ( 2 ) A H At 式 中： 后 时的透水系数 ， mm s ； p 在 时间内透过混凝土 的水量 ， m m ； D透水混凝 土试件的厚度 ， mm； 4透水混凝土试件的面积 ， mm ； 水头差 ， m m； 时间差 ， S 。 根据达西定律设计 出能够测量透水混凝土 的渗透系 数测定装置如图 2 所示。 为 了验证透 水混 凝土 在不 同 的渗水 环境 下渗 透性 图 2 渗透系数测定装置 能 的衰减规律 ， 笔者通 过设置不 同规格 的沉淀 砾 的 直 径 来 模 拟 不 同 渗 水 环 境 ； 进 而 通 过 改 变 7K 体 实 施 方 案 如 下 ：首 先 设 置 堵 塞 砂 琳 且 俭 万 2 5 0 5 m m 、(】5 1 m m 、1 2 m m 三 种 组 别 ， 以 此 溶 于 等 苎 水中形成浊水； 通过多次渗透， 并测试渗透系数 ， 以此来模 拟渗透衰减规俸。 3试 验 结 果 与 分 析 3 1 不同骨料粒径下透水混凝土渗透衰减规律 图 3 、 4 5 为渗透堵塞颗粒直径大小分别为 0 2 5 0 - 5 m m、 0 5 I mm、 1 2 mm时 ， 对 透水混凝 土进行透水 系数测 定 试 验 得 到 的 试 验 结 果 ， 其 中 C A l 、 C B 一 1 、 C C _ 1 分 别 _l孚 j组 不同情 况 的配合 比， 从 图 中可 以看 出 ， 三组 配 的透水混凝土渗透试验中， 渗透系数都有不同 度 少 ， 这 说 明 伴 随 杂 质 小 颗 粒 等 浊 液 渗 透 次 数 的 增 ， 凳 性 能都有不 同程 度 的衰减 ， 随着渗透次 数增加 到一 度 渗 透 系 数 逐 渐 趋 于 稳 定 ，在 这 其 中 C B _ 1 组 在 警 三 豫 ； 罨 性 能优于其他两组 ， 这是 因为 C A _ 1 、 C C iI - 一 组 不 c B 1 组 的连续骨料分布 ， C A 1和 C C 一 1 组 中的小粒 径 料 能 够 填 充 到 大 粒 径 骨 料 间 隙 中 ， 造 成 了 下 渗 空 隙 篓 _ 、 ， 因为渗透系数较低 ； 随着堵塞颗粒 的不断填充到 空隙中 ， m g 图 3 0 2 5 0 5 mm堵塞颗粒下渗透衰减 0 m g 图 4 0 5 1 mm堵塞颗粒下渗透衰减 m g 图 5 1 2 mm堵塞颗粒下渗透衰减 O 造 成了三组 渗透模 型透水率 逐渐降低最后 趋于稳 定 。 但 当堵塞颗粒 直径大小 为 0 5 1 mm 时 ，从表 4渗 透衰 减 率 变化 表 中可 以看 出 C B 一 1 在 这 三 种配 合 比的透水 混 凝 土渗透衰减 的较为明显 ， 这种现象可以解释如下 ： B 连 续 的 骨 料 分 布 区 间 形 成 的 透 水 空 隙 能 够 提 高 乎 7K 能的同时恰好满足了 0 5 1 lT l i n颗粒的堵塞条件 ， 使其堵 塞在空隙中造成了渗透损失率的迅速下降。 O m g 图 7 0 5 1 mm堵塞颗粒下渗透衰减 71 3 3 多种骨料粒径下渗透衰减规律 为了降低较粗粒径骨料 的比例 同时仍能满足较高 的 透水 系数 ， 笔者通过 固定较细骨料 的比例 ， 进而设计 了三 种 粒径组 比例 ： ： 为 4 ： 2 ：4 、 3 ： 3 ：4 、 2 ： 4 ： 4的粒 径组组 合 ， 来验证分析多种骨料粒径下 的渗透衰减 规律 。 图 8 、 9 、 l 0 分 别是三种粒径组 比例 X A ： X ： x f 为 4 ： 2 ： 4 、 3 ： 3 ： 4 、 2 ： 4 ： 4的 粒径组组合的渗透衰减变化图， 随着 所 占比例的下降透 水 系数有所下降； 表 6 是敏感堵塞颗粒组 0 5 1 m m浊液在 分别 在 C B 1 、 C D 1 、 C D 一 2 、 C D 3自渗 时渗透 衰减率 的情 况 ， 从表中可 以看 出通过固定较 细骨料的 比例 ， 对较 粗骨 料组再分组对于渗透衰减性能的提 高有一定优化作用 ， 但 对 0 5 1 m m 的堵塞颗粒组仍较为敏感。 1 叠 旦 1 m g 图 8 0 2 5 0 5 mm堵塞颗粒下渗透衰减 m g 图 9 0 5 1 mm堵塞颗粒下渗透衰减 O 5 O 1 O 0 l 5 0 2 0 0 2 5 0 m g 图 1 0 1 2 mm堵塞颗粒下渗透衰减 表 6 0 5 1 mm堵塞颗粒下不同配合比渗透衰减率 ( 6 0 1 6 - - -2 0 mm 、 4 0 5 - 1 0 mm 和 6 0 1 0 - 1 6 mi l l 、 4 0 2 5 mm) 。 ( 2 ) 透水混凝土在伴随堵塞颗粒的浊液自渗过程中， 都会存在渗透性能衰减 ， 并且趋于某一稳定值的现象 。 ( 3 ) 为使透水混凝土获得持续稳定的透水性能 ， 应根 据使用 环境要求对其 骨料颗粒级配 进行优化 。 当透 水混 凝 土采 用相 连分 布 的骨料 粒径 组( 6 0 1 0 1 6 mm、 4 0 5 1 0 mm) 时 ， 对 0 5 1 m m 粒径堵塞颗 粒敏感 ， 渗透衰减 率较高 ； 当透水混凝土骨料 中粗骨料所 占比例增加时 ， 会 对某一粒径大小 区间的堵塞颗粒敏感 ， 渗透衰减率会相应 增加 。 ( 4 ) 在使 用 A ： ： c 为 4 ： 2 ： 4 、 3 ： 3 ： 4 、 2 ： 4 ： 4的这三种粒 径组组合情况下 ， 随着 x 所 占比例的下降透水 系数有所 下降 ； ： B ： c 为 4 ： 2 ： 4 、 3 ： 3 ： 4 、 2 ： 4 ： 4 的这三种粒径组组合情 况较 。 ： 为 4 ： 6的渗透衰减性能有一定程度的提高， 但 对 0 5 1 mm粒径堵塞颗粒比较敏感， 工程建设设计中， 应 当引起重视。 参考文献： 【 1 曾伟 透水混凝土配合比设计及性能研究【 D 】 重庆 ： 重庆大学材 料科学与工程学院 ， 2 0 0 7 【 2 冯乃谦 ， 邢锋 混凝土与混凝土结构的耐久性I M 北京 ： 机械工 业出版社 ， 2 0 0 9 ( 1 ) ： 2 9 9 3 】赵方冉土木工程材料 M 上海 ： 同济大学出版社 ， 2 0 0 4 ( 7 ) ： 9 9 1 0 4 4 J霍亮， 高建明 透水性混凝土透水系数的试验研究f J 1 混凝土与 水泥制品， 2 0 0 4 ( 1 ) ： 4 4 4 6 5 】郑木莲 多孔混凝土的渗透系数及测试方法 J 1 交通运输工程学 报 ， 2 0 0 6 ， 1 2 ( 6 ) ： 4 1 4 6 【 6 1 D E O 0， e t a 1 P e r m e a b i l i t y r e d u c t i o n i n p e r v i o u s e o n c r e t e s d u e t o c l o g g i n g ： e x p e r i me n t s a n d mo d e l i n g J J o u r n a l o f Ma t e r i a l s i n C i v i l E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 0 ( 7 ) ： 7 4 1 - 7 5 1 f 7 1丁跃元 ， 黄玉璋 ， 马智杰 ， 等 城区雨洪利用中可渗透路面砖配 合比的最优化研究f J J 北京水利 ， 2 0 o 3 0) ： 1 2 1 3 8 1陈志山 大孔混凝土的透水性及其测定方5 J 1 混凝土与水泥制 品， 2 0 0 1 ( 1 ) ： 1 9 2 0 f 9 1 李金平 ， 盛煜 ， 丑亚玲 混凝土冻融破坏研究现状I J 1 路基工程 ， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 1 - 3 1 0 吴桂娟 混凝土冻害机理 及影响 因素研 究l J l _辽 宁建材 ， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 1 3 1 5 i 1 1 段安， 钱稼茹 混凝土冻融过程数值模拟与分析【 J J 清华大学学 报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 9 ， 4 9 ( 9 ) ： 9 - 1 3 作者简介 4 结论 联系地址： ( 1 ) 透水混凝土相连分布的骨料粒径组( 6 0 1 0 1 6 m m、 4 0 5 - 1 0 m m) 初始透水性 能优于相 问分布 的骨料粒径组 7 2 联系电话 黄建栋( 1 9 9 1 一 ) ， 男 ， 硕士研究生 ， 从 事透水 混凝土、 机场工程等方向研究 。 天津市东丽区津北公路 2 8 9 8号 中国民航大学民航 科研基地( 3 0 0 3 0 0 ) 1 3 9 2 0 8 06 9 2 7