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摘 要：为了解决季冻区透水混凝土力学性能和冻融耐久性不足的问题，采用等质量法取代天然粗骨料制备了低砂取代率透水混凝土(Low-Sand Replacement Rate Pervious Concrete, SPC),研究了不同砂取代率(0%、2%、4%、6%、8%和10%)对透水混凝土的有效孔隙率、渗透系数、抗压强度、抗折强度和冻融耐久性能的影响。试验结果表明，随着砂取代率的增加，抗压强度和抗折强度呈先增加后降低的趋势，当砂取代率为8%时，抗压强度和抗折强度达到最高值。有效孔隙率和渗透系数的趋势与强度相反。随着冻融循环试验的进行，SPC的抗压强度逐渐降低，当冻融循环次数相同时，SPC的抗压强度损失率随着砂取代率的增加先增加而后降低。经过100次冻融循环后，砂取代率8%的透水混凝土抗压强度损失率最低，比对照组(0%)降低了10.96%。说明加砂能有效地提高透水混凝土的冻融耐久性。此外，根据试验结果，推荐的砂取代率为8%。
随着城市化进程的推进，城市地表被不透水铺装大面积覆盖，造成了城市内涝、热岛效应、地下水位下降和交通噪音污染等城市问题[1,2,3]。透水混凝土是一种环境友好型的路面材料，具有透水、透气、吸声降噪等优点[4,5,6]。透水混凝土主要是由开级配材料(粗骨料和水泥)组成，不含或含有少量的细骨料，具有多孔结构，以满足渗透性要求，但随着渗透性的增加，透水混凝土的强度降低[7,8,9]。并且由于透水混凝土的多孔结构，与密实混凝土相比，耐久性较差，这阻碍了透水混凝土在季冻区的应用[10,11,12,13]。因此，改善透水混凝土的力学性能和冻融耐久性能是十分必要的。
部分学者研究了砂率对透水混凝土强度和渗透性能的影响。王庆利[14]等研究了不同砂率条件下再生透水混凝土的强度和渗透性能，结果表明，随着砂率的增加再生透水混凝土的强度增加而渗透性能降低。KANT SAHDEO[15]等报道了添加少量的细砂能有效地改善透水混凝土的抗压强度、抗折强度和抗硫酸盐腐蚀性。BONICELLI[16]等研究表明在透水混凝土中加入骨料质量5%的细砂有助于提高透水混凝土的强度和表面性能，但会降低透水混凝土的渗透性能。
部分学者研究了透水混凝土的冻融耐久性。陈春[17]等采用10%、30%和50%的再生骨料替代天然骨料，进行了冻融耐久性研究，结果表明，随着再生骨料掺量增加，透水混凝土的冻融耐久性下降。ZOU[18]等针对含再生骨料的透水混凝土耐久性较差的问题，采用2种硅烷乳液对再生骨料表面进行改性，结果表明，改性剂可以有效地提高含再生骨料透水混凝土的抗压强度和冻融耐久性。王子[19]等在透水混凝土中加入了不同粒径(20目、60目和80目)和不同掺量(6%、8%和12%)的橡胶粉，进行了冻融耐久性研究，结果表明，橡胶粉的加入略微降低了渗透性和强度，但显著地提高了冻融耐久性，并建议加入6%和80目的橡胶粉。
虽然有学者对透水混凝土的性能进行了研究，但很少关于低砂取代率透水混凝土(Low-Sand Replacement Rate Pervious Concrete, SPC)的冻融耐久性的研究。本研究采用等质量替代法，研究不同砂取代率(0%、2%、4%、6%、8%和10%)对SPC强度、渗透性和冻融耐久性的影响，并得出最佳砂取代率，为SPC在季冻区的工程应用和后续研究提供参考。
粗骨料采用玄武岩粗骨料(4.75～9.5 mm),其性能指标如下：粒径4.75～9.5 mm, 表观密度2 786 kg/m3,堆积密度1 534 kg/m3,堆积孔隙率44.9 %,压碎值9.7%,针片状含量7.1%,吸水率1.63%。细骨料采用表观密度为2 552 kg/m3的河砂，细度模量为2.7。采用42.5级普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，其性能指标如表1所示。采用减水率为25%的聚羧酸高效减水剂来提高混合料的和易性。拌和水为自来水。
以0%、2%、4%、6%、8%和10%的中砂等质量替代粗骨料，分别记为SPC0、SPC2、SPC4、SPC6、SPC8 和SPC10。基于现有的研究，水胶比为0.3,设计孔隙率为15%,减水剂用量为水泥质量的0.5%[20]。SPC的配合比如表2所示。
本研究采用水泥裹石搅拌法和插捣成型法制作了90个100 mm×100 mm×100 mm立方体试件和18个100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试件。试件成型后，采用塑料膜覆盖表面，防止水分蒸发。静置24 h后脱模，在标准条件下(温度(20±2)℃,相对湿度95%)养护28 d, 养护结束后立即进行孔隙率、透水系数和力学性能试验。冻融循环试件在标准养护24 d后浸水养护4 d, 再进行冻融循环试验。
SPC的有效孔隙率采用排水法，采用100 mm×100 mm×100 mm的立方试件来测试，计算公式如下：
根据《透水水泥混凝土路面技术规程》(CJJ/T 135-2009),采用定水头法测定SPC的渗透系数[21]。试件侧面采用塑料薄膜包裹，试件上下表面与仪器侧壁间的缝隙采用轻质黏土密封，以保证垂直渗流，渗透系数实验装置示意图如图1所示。渗透系数计算公式如下：
根据《普通混凝土力学性能实验方法标准》(GB/T 50081-2002),对SPC的抗压强度和抗弯强度进行了测试[22]。抗压强度试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm, 抗压强度试验如图2所示。抗折强度采用三点弯曲试验，支点距离为300 mm, 试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm, 抗折强度试验如图3所示。抗压强度和抗折强度计算公式如下：
根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T (50082-2009),采用快冷冻法进行冻融耐久性试验[23]。每25次冻融循环观察试件表面裂缝和剥落情况，并测定抗压强度。
渗透系数是透水混凝土的关键指标，有效孔隙率对透水混凝土的透水性能有影响，在本文中分析了SPC的有效孔隙率和渗透系数。有效孔隙率、渗透系数与其标准差的试验结果见表3。砂取代率对有效孔隙率和渗透率系数的影响如图4所示。透水混凝土的有效孔隙率与渗透系数的关系如图5所示。
由图4可知，随着砂取代率的增加，SPC的有效孔隙率和渗透率先下降而后增长。当砂取代率达到8%时，SPC的有效孔隙率和渗透系数达到最低值，其中，有效孔隙率从14.53%下降到6.99%,渗透系数从3.93 mm/s下降到2.47 mm/s。其原因是砂取代部分粗骨料，导致SPC级配更加合理，砂填充了粗骨料之间的部分孔隙，从而导致SPC的有效孔隙率和渗透系数的降低。当砂取代率超过8%时，SPC的有效孔隙率和渗透系数随着砂取代率的增加而增加，当砂取代率增加时，砂的填充作用逐渐减弱，从而导致SPC有效孔隙率和渗透系数的增加。由图5可知，随着有效孔隙度的增加，SPC的渗透系数增大。渗透率系数与有效孔隙度呈正相关，这表明有效孔隙率对SPC的透水性有较大的影响。同时也解释了图4中渗透系数随砂取代率的增加呈先下降而后上升趋势的原因。
强度是透水混凝土在土工程应用中的技术指标，在本文中采用抗压强度和抗折强度表征透水混凝土的强度。SPC的抗压强度和抗折强度见表4。砂取代率对SPC抗压强度的影响如图6所示。砂取代率对SPC抗折强度的影响如图7所示。
从图6中可以看出，SPC的抗压强度随着砂取代率的增加先增加而后降低。当砂取代率增加到8%时，SPC抗压强度达到最高为29.28 MPa, 与砂取代率为0的PC相比，砂取代率8%的SPC抗压强度增加了30.89%。砂取代了部分天然粗骨料，SPC混合料中添加了细骨料，使混合料的级配更加合理，此外，砂填充了粗骨料之间的孔隙，从而提高了SPC的抗压强度。当砂取代率超过8%时，随着砂取代率的增加，SPC的抗压强度降低，这与砂取代过多的天然粗骨料有关，粗骨料在SPC混合料中起主要承载作用，粗骨料的减少会导致透水混凝土的强度降低。从SPC抗压强度的变化趋势中可以看出，当砂取代率小于4%时，SPC抗压强度的增加不明显；砂取代率大于4%时，SPC的强度出现明显增加，这表明添加一定量的砂才能有效地提高透水混凝土抗压强度。
SPC的抗折强度随着砂取代率的变化如图7所示。由图7可知，随着砂取代率的增加，SPC的抗折强度先增加而后减少，这与砂取代率对抗压强度的影响是一致的。当砂取代率为8%时，SPC的抗折强度达到5.46 MPa, 与砂取代率为0的透水混凝土相比，砂取代率8%的SPC抗折强度增加了11.13%。SPC抗折强度的增加也是由于砂填充了孔隙并且使级配更加合理，抗折强度的降低的原因与抗压强度也是相同的。与抗压强度相比，抗折强度变化的趋势与抗压强度略有不同，当砂取代率小于8%时，透水混凝土的抗折强度是逐渐增加。
