透水混凝土配合比設計及測試方法

陳 超，王義恒，陳 琴

(1.華新水泥股份有限公司，武漢 430073；2.武漢市漢陽市政建設集團公司，武漢 430050)

2013年12月，習近平總書記提出“建設自然積存、自然滲透和自然凈化的海綿城市”，《中共中央關于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃的建議》要求必須堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策，加快建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，《住房城鄉(xiāng)建設事業(yè)“十三五”規(guī)劃綱要》提出加強城市地下綜合管廊建設和改造城市地下管網(wǎng)，努力營造城市宜居環(huán)境，建設低碳生態(tài)城市，全面推進海綿城市建設，《混凝土與水泥制品行業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》也提出提高城市綜合承載能力，建設宜居城市，緩解日益加大的排洪排澇壓力的思路，加快推進海綿城市和地下綜合管廊、地下儲水空間建設，因此海綿城市作為國家規(guī)劃正緊鑼密鼓地建設中。透水混凝土是一種有利于促進水循環(huán)，改善城市生態(tài)環(huán)境的環(huán)保型建筑材料，在海綿城市建設透水鋪裝過程中扮演了重要角色。

透水混凝土是由集料表面包裹一層漿體粘結(jié)層并相互膠結(jié)而形成的孔隙均勻分布的結(jié)構(gòu)。20世紀60年代，美國、歐洲、日本等國已開始對透水混凝土進行設計研究和開發(fā)，并形成國家級標準規(guī)范，廣泛應用于市政、園林、環(huán)保等工程，20世紀90年代我國對透水混凝土的研究逐步展開，取得一定成果[1]。筆者即對現(xiàn)有透水混凝土配合比設計方法和透水性能測試方法作出探討。

1 透水混凝土配合比設計方法

1.1 絕對體積法理論

國內(nèi)外學者對透水混凝土配合比設計做出了大量研究，從水膠比、孔隙率、有效孔隙率、孔徑大小、膠凝材料用量、集料用量、集料粒徑和粒型、有效粒徑、級配、均勻系數(shù)、拌合物稠度等不同因素對透水混凝土性能的影響做出了全面研究，并提出了透水混凝土配合比設計方法。目前，較為成熟的是漿體包裹并粘結(jié)骨料的理論[1-2]，并形成了常用的絕對體積法設計透水混凝土配合比。行業(yè)標準《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》CJJ/T135—2009、《再生骨料透水混凝土應用技術(shù)規(guī)程》CJJ/T253—2016，以及北京市地方標準《透水混凝土路面技術(shù)規(guī)程》DB11/T775—2010、廈門市地方標準《透水水泥混凝土應用技術(shù)規(guī)程》DB3502/Z5006—2015等標準規(guī)范都采用了絕對體積法設計透水混凝土配合比。

絕對體積法設計透水混凝土配合比的基本原理是：透水混凝土主要由粗集料、漿體、孔隙三元素組成(見圖1)，其中粗集料堆積形成透水混凝土的基本骨架單元，漿體包裹在粗集料表面形成粘結(jié)層，集料-集料、集料-漿體、漿體-漿體之間形成孔隙結(jié)構(gòu)?？紫斗譃檫B通孔、半連通孔和封閉孔三種結(jié)構(gòu)，其中連通孔成為穿透性水流通道而使透水混凝土具有透水性能。因此，通過計算集料體積、漿體體積和孔隙體積即可確定透水混凝土配合比。

1.2 主要設計參數(shù)

根據(jù)試驗研究及現(xiàn)行標準規(guī)范的要求，表1、表2總結(jié)了透水混凝土設計部分參數(shù)范圍。

表1 透水混凝土設計參數(shù)

表2 Typical Pervious Concrete Materials Proportions[4]

表2為美國ACI協(xié)會《Report on Pervious Concrete》522R-10對透水混凝土設計參數(shù)提出的相關指標，可以看出表1與表2技術(shù)指標具有類似性。通過設計參數(shù)可對透水混凝土配合比進行設計。

1.3 配合比設計方法

1)確定配制強度

透水混凝土的配制強度和普通混凝土相同。

2)確定粗集料用量

研究認為，透水混凝土主要由粗集料作緊密堆積形成基本骨架，因此粗集料用量可采用1 m3緊密堆積用量，但粗集料表面包裹著一層漿體，因此實際透水混凝土粗集料用量需進行修正，按下式計算

mG=α×ρG×1

(1)

式中,mG為每立方米粗集料用量；ρG為粗集料緊密密度；α為修正系數(shù)，可取0.98。

在透水混凝土中可摻入細集料以增強其力學性能，但相反地，透水性能可能將有所降低[5，6](圖2)，相應地修正系數(shù)α應根據(jù)實際情況予以修正。細集料可按質(zhì)量砂率或體積砂率形式摻入，徐仁崇等人[6]采用體積砂率對透水混凝土配合比參數(shù)選擇及設計方法進行了研究，效果優(yōu)異。體積砂率是細集料體積與砂漿體積的比率，更加符合漿體包裹粗集料的理論。

研究[7]表明，粗集料最大粒徑越小、級配越優(yōu)，則透水混凝土強度越高，因此制備強度較高的透水混凝土時應選取粒徑相對小的粗集料。

3)選擇水膠比

普通混凝土水膠比和抗壓強度滿足鮑羅米線性關系，但透水混凝土有獨特的骨架-孔隙結(jié)構(gòu)形式，水膠比與抗壓強度不再滿足鮑羅米公式。包裹粗集料的漿體應具有適宜的粘性，使透水混凝土漿體包裹骨料粘聚性好，不松散，手攥成團具有光澤，因此水膠比具有適用范圍(如表1所示)，為0.25～0.35。透水混凝土水膠比不再由公式計算得出，而是在上述適用范圍內(nèi)選取。

4)計算膠凝材料用量

透水混凝土由粗集料、漿體和孔隙三元素組成，因此漿體體積可按下式計算

Vp=1-VG-1×Rviod

(2)

VG=mG/ρg

(3)

式中，Vp為每立方米透水混凝土中漿體體積；VG為每立方米透水混凝土中粗集料體積，可由式(3)計算；Rviod為設計孔隙率；ρg為粗集料表觀密度。

設計孔隙率包括連通孔隙、半連通孔隙和封閉孔隙的總占比，其中連通孔隙(連續(xù)孔隙)為混凝土透水提供了必要通道。然而，在實際配合比設計及制備過程中連續(xù)孔隙率是不可控制的，無法通過設計連續(xù)孔隙率制備透水混凝土。

實際過程中，可由實驗測定透水混凝土連續(xù)孔隙率，根據(jù)所采用的原材料特點和設計方法建立設計孔隙率和實測連續(xù)孔隙率、實測連續(xù)孔隙率和實測透水系數(shù)的關系，由此建立設計孔隙率和測試透水系數(shù)的關系。通過設計孔隙率和透水系數(shù)關系(圖3)，即可以確定滿足透水系數(shù)要求的設計孔隙率。研究[8]表明，漿體體積與粗集料堆積后內(nèi)部顆粒間隙體積(即1-VG)比例為30%～60%時，透水混凝土力學性能和透水性能均較優(yōu)，因此可推算出設計孔隙體積占據(jù)粗集料顆粒間隙體積(即1-VG)比例為40%～70%時，透水混凝土性能較優(yōu)異。

膠凝材料用量可按式(4)計算

(4)

(5)

式中，mb為每立方米透水混凝土膠凝材料用量；ρb為膠凝材料表觀密度，可由式(5)計算；W/B為水膠比；ρw為水的密度；βc、βf、βk分別為水泥、粉煤灰、其他礦物摻合料的質(zhì)量分數(shù)；ρc、ρf、ρk分別為水泥、粉煤灰、其他礦物摻合料的表觀密度。然后根據(jù)膠凝材料用量及各種膠凝材料的質(zhì)量分數(shù)計算各種膠凝材料質(zhì)量。

5)計算用水量及外加劑用量

每立方米透水混凝土用水量和外加劑用量可分別按式(6)、式(7)計算。

mw=mb×(W/B)

(6)

mca=mb×βa

(7)

式中，mw、mca分別為每立方米透水混凝土用水量和外加劑用量；βa為外加劑對膠凝材料的摻量。

2 透水性能測試方法

透水系數(shù)是透水混凝土最重要性能之一，透水性能優(yōu)異的透水混凝土連通孔隙應較多，相應的連續(xù)孔隙率也越大，因此連續(xù)孔隙率可一定程度上反映透水性能優(yōu)劣。連續(xù)孔隙率可按式(8)計算

(8)

式中，ν為透水混凝土連續(xù)孔隙率；m1、m2分別為透水混凝土試件在水中的質(zhì)量(圖4)和干燥后的質(zhì)量；V為透水混凝土試件體積。

連續(xù)孔隙率間接反映透水性能，透水系數(shù)則直接反映了透水性能，透水系數(shù)是指單位時間內(nèi)透過混凝土的水位高度。目前測試透水系數(shù)的方法有兩種，一是固定水位法(圖5)，行業(yè)標準《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》CJJ/T135—2009、Dang Hanh Nguyen[2]等采用了該方法；二是固定水量法(圖6)，北京市標準《透水混凝土路面技術(shù)規(guī)程》DB11/T775—2010、廈門市地方標準《透水水泥混凝土應用技術(shù)規(guī)程》DB3502/Z5006—2015、張超賢[1]等采用了該方法。

固定水位法(圖5)是固定水位高度H，通過測量一定時間t內(nèi)排到容器內(nèi)的水量Q來計算透水系數(shù)的方法，按式(9)計算

(9)

式中，k為透水系數(shù)；L為試件厚度；A為試件透水橫截面積。

固定水量法(圖6)采用了具有刻度的水位圓筒，水位圓筒內(nèi)徑應與試件透水橫截面積相同(或水位圓筒可直接讀出體積)，透水穩(wěn)定后通過讀取時間t內(nèi)水位下降高度(或水位下降對應的體積)計算透水系數(shù)，按式(10)計算

(10)

式中，h0為初始水位高度；h1為最終水位高度；t為水位從h0下降至h1所消耗的時間。

通過比較兩種測試方法可知其基本原理都一樣，但固定水位法相對嚴謹，因為該方法是通過精確測定最終排出的總水量來計算透水系數(shù)，且水位高度不變，試件內(nèi)部各點受壓不變，結(jié)論更科學。而固定水量法則對水位圓筒的精度要求更高，肉眼讀數(shù)誤差和水位圓筒精度誤差使測量結(jié)果誤差相對較大，且隨著水位降低，試件內(nèi)部水壓也有所變化，透水速度也有所變化，均影響透水系數(shù)的準確性，但實際測試過程中上述誤差是可接受的，并且便于操作。

3 結(jié) 論

a.絕對體積法計算透水混凝土配合比是目前較為成熟和通用的一種方法。實際應用過程中，宜根據(jù)原材料性能和設計方法建立設計孔隙率與實測連續(xù)孔隙率、實測透水系數(shù)的關系，然后根據(jù)三者之間的關系反推設計孔隙率，再計算透水混凝土配合比。

b.設計孔隙體積占據(jù)粗集料顆粒間隙體積比例為40%～70%時，透水混凝土性能較優(yōu)異。

c.固定水位法和固定水量法均是通過測定單位時間內(nèi)透過混凝土的水位高度來評價透水系數(shù)的方法，其中固定水位法更嚴謹、科學。

[1] 張賢超.高性能透水混凝土配合比設計[D].湖南：中南大學，2010.

[2] Dang Hanh Nguyen，Nassim Sebaibi，Mohamed Boutouil etc.A Modified Method for the Design of Pervious Concrete Mix[J].Construction and Building Materials，2014,73:271-282.

[3] Linoshka Soto-Perez，Sangchul Hwang.Mix Design and Pollution Control Potential of Pervious Concrete with Nan-compliant Waste Fly Ash[J].Journal of Environmental Management，2016,176:112-118.

[4] ACI 522R-2010,Report on Pervious Concrete[S]. American Concrete Institute，F(xiàn)armington Hills，2010.

[5] 吳 冬，劉 霞，吳小強，等.成型方式和砂率對透水混凝土性能的影響[J].混凝土，2009(5)：100-102.

[6] 徐仁崇，桂苗苗，劉君秀，等.透水混凝土配合比參數(shù)選擇及設計方法研究[J].混凝土，2011(8)：109-112.

[7] Cosic K，Korat L，Ducman V，et al.Influence of Aggregate Type and Size on Properties of Pervious Concrete[J].Construction and Building Materials，2015,78:69-76.

[8] Ammar Yahia，K. Daddy Kabagire.New Approach to Proportion Pervious Concrete[J].Construction and Building Materials，2014,62:38-46.