【摘要】本文介绍使用正交法设计高强混凝土透水砖，以砖的抗压强度、透水系数为指标，分析研究骨料粒径、水灰比、骨灰比等因素，及其不同因素对透水砖性能指标的影响。试验结果显示，使用正交设计法可以获得符合性能要求的高强混凝土透水路面砖的最优配合比。同时，介绍了透水砖在环境改善中的应用，以及路面铺装工艺设计原理。
【关键词】透水砖；抗压强度；透水系数；正交法；铺装工艺
【中图分类号】TU522.1 【文献标识码】B 【文章编号】1003- 5273(2007)02- 0025- 03
前言
随着城市水资源的不断匮乏，以及城市环境人性化的追求，透水性路面砖技术的研发[1~3]引起了研究混凝土制品的学者、专家和社会的关注。国内部分学术报刊，已刊登了很多有实际意义的文章，部分技术已经应用到实际生产中，已有厂家相继投产。然而，此类产品在实际应用中存在抗压强度偏低的问题，这是生产厂家面临的主要难题之一；同时如何进行合理铺装工艺设计，是有效利用其透水功能的关键所在。
根据在试验过程中的体会，本文阐述了制备高强混凝土透水砖的诸多影响因素、城市铺装材料的应用前景，以及铺装工艺设计中的注意事项，以供交流、探讨。
1 试验研究
高强混凝土透水砖[3~4]，是指具有较高抗压强度的混凝土铺地砖，并能够承受较大的载荷，同时还能使水经过混凝土砖表面渗透到下面乃至地下。它是以水泥和特殊级配的骨料为主要原料，掺加适量的化学外加剂，通过混合、搅拌，经振动加压或其它成型工艺制成，在具有较高强度的同时，又具有较理想的连通孔隙（一般约为15%）。其抗压强度应大于30MPa，透水系数应不小于0.0lcm/s，面层料可有可无。
1.1 试件的制备
1）水泥：普通42.5级硅酸盐水泥。
2）骨料：本试验中采用三种石英砂骨料，见表1。
3）化学外加剂：具有提高混凝土的强度等性能。
试件的制备采用标准试模，以100mm×100mm×100mm的尺寸制备抗压试体以及透水试体；将一定量的混合料搅拌均匀后装入试模中，经振动、压制成型，成型24h后脱模，然后在室温3±2℃、湿度50%以上的条件下养护7d，随后自然养护至28d龄期，进行测试。
1.2 性能测试[5]
1.2.1 抗压强度
用压力试验机按照《透水砖》JC/T945- 2005标准中抗压强度方法检测试体，受压面积为100mm×100mm，加荷速率为0.4MPa/s~0.6MPa/s，均匀连续加荷，直至试体破坏，记录试体破坏时的荷载。抗压强度取6块试体结果的平均值。
1.2.2 透水系数
根据JC/T945- 2005标准中混凝土透水测试原理，自行设计制作透水系数测试仪。测试时将预先浸泡的滚蜡试体置入测试仪中，然后用橡皮泥密封测试仪与试体之间的接缝；测试时给测试仪中加水至一定水位，并控制水的流入量，维持一定的水位，透过试体渗水，待渗透水流量稳定后，用量筒测定一定时间段的透水量。
透水系数按照下式计算：
KT =（Q·L）（/ A·H·t）
式中：KT—（温度T为15℃）试体的透水系数，cm/s；
Q—时间t秒内的渗水量，ml；
L—试体的厚度，cm；
A—试体的上表面积，cm2；
H—水位差，cm；
t—时间，s。
结果以3块试体的平均值表示，计算精确至1.0×10- 3cm/s。
2 结果与讨论
以下实验方案采用正交法[6] 设计高强混凝土透水砖的配合比。
2.1 确定实验指标
抗压强度、透水系数。
2.2 挑选因素、选取水平
考察三个因素：水灰比、骨灰比、骨料粒径。每个因素取三个水平：水灰比：0.22、0.24、0.26。骨灰比：3.2、3.5、3.8。骨料粒径：0.63mm ～1.25mm、1.25mm ～2.5mm、2.5mm～5.0mm。因素、水平表见表2。
2.3 确定正交表
根据水平及因素个数，本试验选取4因素3水平的正交表L9（34），见表3。
2.4 实验方案
实验方案见表4。
2.5 实验结果分析
将试验分析结果列于表5。表6中K1、K2、K3为表5中1、2、3列因素在相同水平值所对应的实验结果的和；K01、K02、K03是与K1、K2、K3值相对应的平均值；R为该列的极差，其计算方法可参阅文献[6]。由表不难看出：
1）根据各列的极差R分析，制备高强透水砖时，骨灰比是主要影响因素，其次是骨料粒径，再次是水灰比。各因素的主次关系是：
2）从K0值可见：在一定范围内，随着水灰比的增大，透水砖的强度也是增大的，透水系数的趋势则相反；水灰比在0.25～0.26之间时满足透水性能要求。随着骨灰比的增大其强度降低，透水系数则增大；骨灰比3.2时，强度达到最大值。随着骨料粒径的增大则其强度先增大后减小，透水系数随骨料粒径的增大逐渐增大，粒径为2.5mm～5.0mm时出现了强度最大值。
综合分析：①为了制作出满足透水要求且强度较高的透水砖，水灰比的选择仅在一定范围内有作用，其大小既要符合能够完全润湿水泥，使其较好的包裹骨料，又要保证水泥浆体不流淌、保留孔隙即可。②骨灰比的确定在提供强度上具有相当重要的地位，骨灰比的大小决定了透水砖是否能够达到相当大的抗压强度，而抗压强度是由水泥浆是否能够在骨粒间形成厚度适中的黏结层决定的，但其对透水系数的影响是相互矛盾的；较小的骨灰比使单位体积中水泥用量大大提高，产生的浆料会形成密实封闭的整体从而不透水或透水很小。因此合适的骨灰比在配合比设计中尤为重要。③三个因素中，骨料粒径是提供较大的孔隙率的充分条件，只有在骨料满足能够提供较大的孔隙率的前提下，才能确保在水泥掺入量较大的同时，仍能使制品具有较高的连通孔隙率。可以得出结论：制造出满足各项性能要求的透水砖，三者的合理搭配是成功的关键所在。
2.6 试验结论
从以上试验结果得出，在合理的骨料粒径、水灰比、骨灰比等条件下，可以制作出满足要求的混凝土透水砖；在本试验条件下，通过验证获得的最优化条件为：水灰比0.26，骨灰比3.2，骨料粒径2.5mm～5.0mm。测试结果为：28d抗压强度35.90MPa，透水系数0.02cm/s。
3 透水砖的应用
3.1 透水砖的应用前景
随着城市化的加快和城市人口的迅速增长，改变
了城市的原生态地表特征，加剧了城市的热岛效应[7]，导致了城市气候的变化，并进一步影响城市的污染扩散能力，削弱了城市的环境承受能力。
以杭州市为例，历年平均气温变化在15.5℃~18.0℃之间，气温呈逐步上升的趋势，杭州城市热岛效应越来越明显，最强时可达4℃~5℃，在夏秋晴朗的午夜尤为突出，已经严重影响到城市正常的四季轮回，进一步影响了人们的生活质量和身体健康。
作为一种能缓解城市环境恶化压力的新型生态产品———透水砖，其良好的透水性能可以保证城市的雨水以及路面其它原因造成的积水顺利下行，直接渗透到地表下，减少了路面径流的影响；路面砖本身较大的孔隙率，也能在城市降噪中发挥作用；在干燥的气候环境下，也可以通过蒸发的形态使地下水分散发到空气中，从而改善了城市的温度气候环境。
图1为夏季时铺装材料对降低城市地表温度的影
响变化。
图1表明，采用透水砖铺装的地面明显降低了地面温度，数据证明了该产品在改善城市地表温度方面具有良好的效果。
随着透水砖铺地材料的广泛应用，在城市绿化方面的贡献也会越来越突出。作为一种具有良好孔隙率的铺装材料，在园林管理方面一定程度上解决了人工定点灌溉中造成的给水率不均匀、润湿土体积小等难题；其良好的透气性能又为植物创造了一定的生长环境条件，对植物的根系也起到了保护作用。
3.2 铺装工艺
透水砖铺装工艺同普通路面砖有很大的区别，在铺装中特别要注意的是保持其特殊的透水特性。能否达到最佳透水效果很大程度上取决于铺装工艺的合理性。图2为透水砖铺装剖面图。
需要注意的事项：为了获得较好的透水效果，其缓冲层直接采用中砂，具有较好的受压缓冲能力；下层采用开放式透水性路基，使用窄级配（骨料粒径大致在7mm～40mm）、高骨灰比和低水灰比的混凝土。其主要作用表现为：①在铺装中采用压实的方法能够获得一定强度（28d达20MPa）的混凝土路基，减少在地下蓄水层储藏一定的积水后造成路面下沉的现象（压实过程注意的事项为：需要找平碾压密实，压实系数不得低于95%）；②这种特殊的混凝土具有较大的连通孔隙率，能够起到引导通过透水砖的渗透水快速下行的效果，减少因长时间落雨或雨量偏大时路面径流的出现，同时可以满足较大的蓄水功能；③在空气干燥的环境下，可以通过蒸发作用使该层蓄含的水分透过路面散发到空气中，达到增大空气湿度、降低地面温度、调节周围环境的效果。
参考文献：
[1]蒋正武，孙振平，王培铭.若干因素对多孔透水混凝土性能的影响[J].建筑材料学报，2005，5.
[2]Jing Yang，Guoliang Jiang. Experimental study on properties of perviousconcrete pavement materials.Cement and Concrete Research，2003，33(3):381~386.
[3]刘叶峰，朋改非等.高强透水性混凝土材料试验研究[J].混凝土，2005，3.
[4]王武祥.透水性混凝土强度的研究[M].中国建材科技VoL.6.No.3，1997.6.
[5]JC/T945- 2005，透水砖[S].
[6]王式安等.数理统计方法及应用模型[M].北京科学技术出版社，1992，333~343.
[7]王波，霍亮，高建明.透水性地砖蒸发试验研究[J].四川建筑科学研究，2004，03.
