多孔混凝土排水性能的研究

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摘要： 本文根据Darcy定律定义了渗透系数，提出了多孔混凝土满足Darcy定律的合理的水力梯度。利用国外的试验仪器，根据其试验方法来测定不同空隙率下的多孔混凝土的渗透系数。最后，讨论了有效空隙率和空隙率对多孔混凝土排水性能的影响。

Abstract: In this paper, the permeability coefficient is defined according to the law of Darcy, and the reasonable hydraulic gradient meeting the laws of Darcy is put forward for porous concrete. Besides, the permeability coefficient of porous concrete with different porosity is measured with foreign equipment and foreign test method. Finally, the influence of effective porosity and porosity on the performance of the porous concrete drainage is discussed.

关键词： 多孔混凝土；渗透系数；空隙率；Darcy定律；排水

Key words: porous concrete；permeability coefficient；void ratio；law of Darcy；drainage

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）21-0128-02

0 引言

多孔混凝土是生态环保型混凝土中的一种，人们渐渐认识到其生态环保优势的重要性。与普通混凝土有差异的是它采用特定级配的集料，这种集料颗粒之间的空隙是用水泥浆体填充起来的。由于在填充过程中采用了特定工艺，因此可以将这些集料粘结在一起形成拥有连通空隙的混凝土。多孔混凝土之所以能在雨季时及时将路面积水清除，就是在这些连通到表面的连续空隙作用下而达到的，这样就保证了汽车的安全行驶和居民的方便出行，创造了良好的社会环境。另外，雨水还能通过其连通的空隙流回地下，逐渐改善地下水资源缺乏的状况。这些都是与多孔混凝土的排水性能息息相关的，因此我们非常有必要对多孔混凝土的排水性能进行研究。

1 渗透系数和空隙率

1.1 渗透系数 H.Darcy为研究法国Dijon城的水源问题做了个试验[1]，其试验结果得到了著名的Darcy定律：流量Q（单位时间水流的体积）与长度L成反比，而与不变的横截面积A及水头差（h1-h2）成正比，可表示为式（1）：

Q=KA（h1-h2）/L （1）

将式（1）变形整理，即可得Darcy定律的另一表达形式：v=K·i （2）

式中：K为渗透系数（cm/s）；v=Q/A为渗透流速；i=（h1-h2）/L为水力梯度。

1.2 合理水力梯度的确定 众多研究得出，Darcy定律只适用于层流状态时的水流，而水力梯度与水流的状态之间的关系不是间接地而是直接的。AASHTOT215—70及ASTM2434—74中认为当满足水流的层流状态时，高压实度材料i值在0.3~0.5，低压实度材料的水力梯度i值在0.2~0.3以内[2]。日本JIS A 1218T1979中以0.3为砂的水力梯度上限[3]。文献[4]认为，沥青稳定开级配碎石为0.02，水泥稳定开级配碎石临界水力梯度为0.03。文献[5,6]认为大孔隙材料保持层流状态的水力梯度上限为0.045。

以多孔混凝土渗透系数为基础，为了得出合理的水力梯度范围，以符合Darcy定律的层流状态。本研究对多孔混凝土试件进行了不同水头差即水力梯度的测试。测试结果为：采用同一级配，当水力梯度为0.03即水头差为0.15cm时，水流可达到层流状态，因此本研究把水力梯度0.03作为多孔混凝土渗透系数的合理水力梯度。

1.3 空隙率 多孔混凝土总体积减去固体骨架所占体积后的剩余部分我们称之为空隙，它由连通空隙、半连通空隙以及封闭空隙三部分组成，将三者加起来得到的就是全空隙[2]。全空隙体积占混合料总体积的百分比即为全空隙率，一般可称为空隙率。从排水方面讲，空隙又分为有效空隙和无效空隙两种。有效空隙是指能通过水、排出水的空隙。通过试验测定出了不同空隙率下的有效空隙率，如表1所示。

对插捣成型的多孔混凝土导出有效空隙率与空隙率之间的关系式为：

n■=-0.0009n■■+1.1046n■+1.9945 （R2=0.9583） （3）

由（3）式可知，多孔混凝土两种空隙率之间存在良好的相关性，并且有效空隙率n■（%）随空隙率n■（%）的增大而增大，可见多孔混凝土空隙越大，其连通空隙也越大。

2 渗透系数的测试

本文参照日本《日本混凝土协会多孔混凝土施工指南》所规定的试验方法及其使用的试验仪器来测定多孔混凝土的渗透系数，渗透试验装置如图1所示。

T℃时的渗透系数计算公式如下：

K■=■ （4）

式中：K■为水温为T℃时的渗透系数（cm/s）；L为多孔混凝土试件的厚度（cm）；A为多孔混凝土试件的横截面积（cm2）；t2-t1为测定时间（s）；H为试验中的水头（cm）；Q为从时间t1到t2透过多孔混凝土试件的水量（cm3）。

3 多孔混凝土空隙率、有效空隙率和渗透系数的关系