0 引言
传统城市建设模式，使城市处处都是硬化路面透水混凝土 。每逢大雨来临，城市排水主要依靠管渠、泵站等排水设备，忽视了城市本身地下水补给，从而造成城市水体受到污染以及城市小气候恶化等问题，并严重影响城市污水处理厂的正常运行，因此透水混凝土的研究与应用方兴未艾。目前透水混凝土的种类主要有：水泥透水混凝土、烧结透水性制品、高分子透水性混凝土等。本文结合公司中心实验室的试验研究介绍骨料不同粒径、不同水胶比的碎石透水水泥混凝土的抗压强度与透水系数。
1 碎石透水水泥混凝土技术原理及关键指标
1.1 技术原理
因透水水泥混凝土结构主要由粗骨料互相搭接、咬合而成，透水水泥混凝土制备与应用关键技术之一在于通过调控骨料表面浆体的流动性与粘聚性改善混凝土的工作性能透水混凝土 。
透水水泥混凝土因具有坍落度小、浆体用量少和内部孔隙多等特点，为了改善其工作性，除了使用大减水率的聚羧酸高性能外加剂以外，必须同时通过浆体粘度调节、保水性改善和水分蒸发抑制等方面协同作用，保障水泥透水混凝土在预拌生产、运输和施工过程中良好工作状态的长时间稳定保持透水混凝土 。水泥透水混凝土的强度主要来源于骨料间薄层浆体的相互粘结，混凝土中的大量孔隙是其强度偏低的主要原因。
1.2 透水水泥混凝土配合比设计参数
1.2.1 孔隙率与透水系数
设计孔隙率与实测孔隙率存在着一定的差异，且设计孔隙率越小，实测孔隙率与设计孔隙率的比值越小，数值相差越大透水混凝土 。在透水混凝土的三种孔隙中，对透水混凝土透水性能有贡献的只有连通孔隙；水泥透水混凝土的设计孔隙率较小时，配合比中胶凝材料用量较多，胶凝材料用量的增加提高了透水混凝土内部封闭孔隙与半封闭孔隙形成的几率，即造成的封闭孔隙与半封闭孔隙越多。
1.2.2 水胶比
水胶比是普通混凝土配合比设计中的重要参数透水混凝土 。但是对于透水水泥混凝土而言，由于其结构中存在大量的孔隙，水胶比对其强度的影响与对普通混凝土的影响不同，透水混凝土的水胶比宜选为 0.25～0.35。
1.2.3 骨料级配和粒径
在 CJJ/T135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》中，透水混凝土的配合比设计主要依据孔隙率和水胶比两个参数，然而仅凭这两项参数往往难以确保混凝土达到所需的强度标准透水混凝土 。这是因为透水水泥混凝土的性能还受到另一个关键因素——骨料级配与粒径的显著影响。
无论采用何种类型的石子，增加水泥用量都会提升透水混凝土的抗压强度，但同时会降低其透水系数透水混凝土 。在水泥用量相同的情况下，使用较小粒径的骨料配制的透水混凝土通常具有较高的抗压强度，但透水性能相对较差；相反，采用大粒径骨料则会导致抗压强度降低，这主要是因为大粒径骨料间的接触点减少，进而减少了骨料间的咬合摩擦力及其与水泥浆体的粘结力。因此，在透水混凝土的配合比设计中，“骨料级配与粒径”同样是一个不可忽视的设计参数，必须根据具体的设计要求精心选择，以确保透水系数与抗压强度之间的平衡，从而得到性能良好的水泥透水混凝土。
1.2.4 体积砂率
为了获取理想的孔隙率，传统上在透水混凝土的设计中往往避免使用砂子透水混凝土 。然而，近期研究显示，在透水混凝土的配合比中适量掺入砂子，可以在不牺牲透水性能的前提下，提升混凝土的强度。这里，“体积砂率”定义为砂子体积占砂子与水泥总体积的百分比。据研究分析，当体积砂率保持在 0 至 15%的范围内时，透水系数基本保持稳定；一旦体积砂率超过 15%，透水系数则显著降低。原因在于，在此配合比设计下，砂子以等体积的方式替代水泥，保持孔隙率不变，因此透水系数受体积砂率影响较小。但当体积砂率超过一定阈值后，骨料的级配虽得以优化，但砂子堵塞透水混凝土孔隙的风险也随之增加，从而导致透水系数下降。
1.2.5 矿物掺合料
粉煤灰和矿粉取代水泥来配制透水混凝土，透水混凝土的抗压强度均和孔隙率有所下降透水混凝土 。这是由于粉煤灰等矿物掺合料早期活性低，基本上只起到了增加胶结层厚度的作用，影响透水混凝土胶结层与骨料间的界面粘结强度，造成抗压强度下降；同时粉煤灰与水泥相比密度较水泥的小，相同质量的粉煤灰可以提供更多的浆体来包裹骨料，造成透水混凝土孔隙率下降。透水混凝土的透水系数减小。
2 碎石透水混凝土配合比原材料
（1）水泥：采用泰州杨湾海螺水泥有限公司生产的“海螺”牌 P·O42.5 水泥，其品质符合要求透水混凝土 。
（2）细骨料：采用粒径为 2.5～5.0mm 人工砂，其品质符要求透水混凝土 。
（3）粗骨料：采用粒径分别为 2.5～5.0mm；5.0～10mm；10～20mm；20～30mm；30～40mm；40～50mm 的碎石，其品质符合要求透水混凝土 。
（4）减水剂：采用石家庄市长安育才建材有限公司生产的 GK-4A 缓凝高效减水剂（粉剂），其品质符合要求透水混凝土 。
（5）水：5 配合比试验采用中水十六局福州中心实验室自来水透水混凝土 。
3 碎石透水混凝土配合比设计
（1）半透水水泥混凝土配合比采用 CJJ/T135-2023《透水水泥混凝土路面技术规程》设计方法透水混凝土 ，其步骤如下：
1）半透水水泥混凝土的试配强度计算 fA透水混凝土 。
fA=1.15fc （1）
式（1）中：fA为试配透水水泥混凝土强度，MPa；fc为设计透水水泥混凝土强度，MPa透水混凝土 。
2）粗细集料用量确定 WG透水混凝土 。
WG=ɑρG （2）
式（2）中：WG为粗细集料用量，kg/m3；ɑ为修正系数，取 0.98；ρG为粗细集料紧密堆积密度，kg/m3透水混凝土 。
3）确定胶结材料浆体体积 Vp透水混凝土 。
Vp=1-ɑ（1-VC）-RVoid （3）
式（3）中：Vp为胶结材料浆体体积，m3/m3；VC为粗细集料紧密堆集孔隙率，%；RVoid为设计孔隙率，%透水混凝土 。
4）确定水胶比透水混凝土 。
在满足表 1 所列性能要求的前提下，需通过实验来确定合适的水灰比，其范围通常设定在 0.25 至 0.35 之间透水混凝土 。通过线性回归分析水灰比与孔隙率、强度之间的关系，可以精确找出最优的水灰比。在确定用水量时，应确保水泥浆体能恰当包裹粗细集料的表面，既避免浆体过稀导致集料表面水泥层过薄，影响强度并可能堵塞孔隙，也防止浆体过稠，无法均匀覆盖集料表面，进而阻碍强度的提升。
5）确定单位体积水泥用量 WC透水混凝土 。
WC=[Vp/（RW/C+1）]×ρC（4）
式（4）中：WC 为水泥用量，kg/m3；Vp为胶结材料浆体体积，m3/m3；RW/C为水灰比；ρC 为水泥密度，kg/m3透水混凝土 。
6）单位体积用水量和外加剂掺量确定透水混凝土 。
WW=WC×RW/C（5）
MB=WC×a （6）
式（5）、式（6）中：WW为用水量，kg/m3；WC为水泥用量，kg/m3；RW/C为水灰比；MB 为外加剂用量，kg/m3；a 为外加剂掺量，%透水混凝土 。
7）通过试验得到的碎石透水水泥混凝土强度、孔隙率与水胶比关系，采用回归法计算出符合配制强度要求的孔隙率水灰比，据此最终确定水和水泥用量，从而确定正式的配合比透水混凝土 。
（2）高透水水泥混凝土国内目前还无统一的设计指标透水混凝土 。一般而言，高透水水泥混凝土级配孔隙率≥15%，透水系数逸2mm/s。高透水水泥混凝土配合比设计步骤如下：
1）计算试配强度：计算公式与式（1）相同透水混凝土 。
2）根据设计孔隙率选择粗细集料粒径，确定粗细集料的用量：计算公式与式（2）相同透水混凝土 。
3）水泥用量的确定透水混凝土 。
根据经验公式 C=69.36+784.93fA/fh（7）
式（7）中：C 为水泥用量，kg/m3；fA为配置强度，MPa；fh为水泥实测强度，无相关试验资料时可取水泥强度 1.13倍，MPa透水混凝土 。
4）合理用水量确定（或水灰比）透水混凝土 。
以粗细集料料表面浆液晶莹剔透，用手轻握拌合物，新拌混凝土成团形而手面没有浆液流出为准透水混凝土 。
5）计算 1m3各材料重量（用体积法并校正）透水混凝土 。
式（8）中：G、C、W 分别为粗细集料、水泥和水的用量，kg/m3；ρG、ρC、ρW分别为粗细集料、水泥和水的密度，kg/m3；ρ为孔隙率，一般为 15%～25%透水混凝土 。
通过各材料用量及孔隙率，分别计算每种材料的体积，每 1m3高透水水泥混凝土的总体积为各材料体积及孔隙率之和（V），最终材料实际用量以计算用量乘修正系数（1000/V）透水混凝土 。
（3）透水水泥混凝土室内成型及相关性能检测透水混凝土 。
1）透水水泥混凝土室内成型透水混凝土 。
根据配合比精确计量各材料试拌量，分两批次投入强制式搅拌机中，每次搅拌时长建议为 180s透水混凝土 。搅拌完成后，应确保水泥浆体能均匀覆盖集料表面，且新拌混凝土表面呈现出一定的光泽度。试件成型推荐使用振动法，振动台的操作时间控制在8 至 12s 之间较为适宜。成型后，在 18至 30 小时的时间窗口内，使用压力为 2 至 4MPa 的高压水枪对试件表面进行冲洗。之后，带模在标准养护室内养护两天，再拆模并继续在标准养护室中养护至规定的测试龄期。
2）碎石透水水泥混凝土性能检测透水混凝土 。
针对碎石透水水泥混凝土，需进行以下性能测试：耐磨性、透水系数、抗冻性能、抗压强度及抗弯强度透水混凝土 。测试方法应遵循 CJJ/T135-2023《透水水泥混凝土路面技术规程》的相关规定。透水系数和连续孔隙率的计算方法分别参照以下公式：
K=QD/[AH（t2-t1）] （9）
式（9）中：K 为透水系数，cm/s；Q 为从时间 t2到 t1渗透的总水量，cm3；D 为试件厚度，cm；A 为试件表面积，cm2；H 为渗水压，cm；t2、t1为测试时间，s透水混凝土 。
Kr=[1-（m2-m1）/ρWV]×100 （10）
式（10）中：Kr 为试件的连续孔隙率，0.1%；m1为试件在水中的悬浸质量，g；m2为试件饱和面干状态的质量，g；V 为试件的体积，cm3；ρW为水的密度，1g/cm3透水混凝土 。
4 碎石透水水泥混凝土配合比及性能检测结果
4.1 碎石透水水泥混凝土配合比见表 1
4.2 碎石透水水泥混凝土强度及透水系数
碎石骨料透水水泥混凝土抗压强度及透水系数（见表2）
从表 2 得知：
（1）在骨料粒径相同、同等级设计孔隙率下，碎石透水混凝土的连续孔隙率和透水系数大于卵石连续孔隙率；由于孔隙率较大，碎石透水混凝土抗压强度略低于卵石透水混凝土抗压强度透水混凝土 。
（2）透水系数与连续孔隙率有较高的相关性，抗压强度与透水系数也有较高的相关性透水混凝土 。对于碎石（人工砂）而言，抗压强度与透水系数、透水系数与连续孔隙率有如下的关系：
LnK=1.4861lnP-1.9511；
r=0.9592 （11）
lnR=4.9041-0.7519nK；
r=0.8635 （12）
R=3.7183（（C+F）/W）+3.6028；
r=0.9385 （13）
式（11）、式（12）以及式（13）中：K 为 28d 龄期碎石透水水泥混凝土的透水系数，mm/s；P 为碎石透水水泥混凝土的连续孔隙率，%；R 为碎石透水水泥混凝土的抗压强度，MPa；（C+F）/W 为碎石透水水泥混凝土的水胶比倒数透水混凝土 。
（3）碎石透水水泥混凝土的抗压强度与连续孔隙率相关性较差，这与不同粒径的骨料其孔隙率相差较大有关透水混凝土 。
5 结语
本文结合中国水利水电第十六工程局有限公司中心实验室的透水混凝土试验研究成果，介绍不同粒径碎石骨料透水水泥混凝土的抗压强度与透水系数之间的关系，供同行参考借鉴，文中不足之处请指正透水混凝土 。