基于骨料特性和漿體厚度的透水混凝土配合比設(shè)計(jì)

張 駿 王小亮 焦 巖 王俊杰 姚東冬

1. 云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司 云南 昆明 650501；2. 云南建投綠色高性能混凝土股份有限公司 云南 昆明 650501

透水混凝土作為一種多孔混凝土，是由一系列相連通的孔隙和混凝土實(shí)體部分骨架構(gòu)成的具有透氣、透水性的多孔結(jié)構(gòu)混凝土，具有良好的透氣、透水、緩解城市“熱島效應(yīng)”、吸聲降噪、改善光環(huán)境和出行環(huán)境等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于公園、人行道、廣場等一些輕交通路面鋪裝[1]。目前關(guān)于透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法主要有體積法[2-4]、質(zhì)量法、比表面積法和球模型包裹法[5]等，其關(guān)鍵參數(shù)為骨料緊密堆積密度、目標(biāo)孔隙率和漿體體積，以目標(biāo)孔隙率為控制指標(biāo)，通過目標(biāo)孔隙率的大小漿體體積，進(jìn)而計(jì)算配合比各組分的用量[6]。實(shí)際應(yīng)用中由于原材料變化及膠凝材料用量缺乏科學(xué)的計(jì)算，導(dǎo)致漿體數(shù)量難以控制，實(shí)際孔隙率和目標(biāo)孔隙率相差較大，透水性能不能滿足要求；上述幾種配合比設(shè)計(jì)方法缺乏強(qiáng)度設(shè)計(jì)依據(jù)，在保證透水性能的前提下強(qiáng)度難以保證[7]。

本文提出一種基于骨料特性和漿體均勻包裹模型的配合比設(shè)計(jì)方法，以骨料的比表面積和漿體厚度為主要設(shè)計(jì)依據(jù)，通過科學(xué)合理的控制漿體厚度來解決透水混凝土孔隙率、透水系數(shù)和強(qiáng)度之間的矛盾，為透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和依據(jù)。

1 配合比設(shè)計(jì)原理

1.1 漿體均勻包裹模型

透水混凝土和普通混凝土的主要區(qū)別在于不含或含有少量的細(xì)骨料，粗骨料作為骨架，輔以適量的膠凝材料作為黏結(jié)劑，成型后含有一定數(shù)量的連通孔隙用以保證透水性能。漿體均勻包裹模型的基本原理為：骨料在緊密堆積的狀態(tài)下，膠凝材料和水拌和后在骨料表面形成一層均勻漿體包裹層，設(shè)定一定的漿體厚度和水膠比，通過計(jì)算透水混凝土中骨料的用量和比表面積來計(jì)算水和膠凝材料的用量。透水混凝土的透水性能主要取決于骨料緊密堆積孔隙率和漿體體積之間的差值，即漿體厚度越厚，透水混凝土中的孔隙所占體積越小，透水性能隨之變差；力學(xué)性能主要取決于骨料的強(qiáng)度、骨料與漿體之間的黏結(jié)力和整體密實(shí)度（孔隙率的大?。?，因此漿體厚度還和透水混凝土的力學(xué)性能相關(guān)（圖1）。

圖1 透水混凝土漿體均勻包裹模型

1.2 配合比設(shè)計(jì)原理

透水混凝土的強(qiáng)度和透水性能與孔隙率有很大關(guān)系，孔隙率的大小與骨料的緊密堆積孔隙率和膠凝材料用量相關(guān)。在透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)過程中，如何控制合理的漿體數(shù)量是保證透水混凝土強(qiáng)度和透水性能的關(guān)鍵。本文的配合比設(shè)計(jì)方法以漿體均勻包裹模型和比表面積配合比設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，通過計(jì)算透水混凝土骨料的比表面積，設(shè)定合理的漿體包裹厚度來計(jì)算混凝土中各組分的用量，以骨料緊密堆積孔隙率和漿體體積的差值作為控制混凝土強(qiáng)度和透水性能的參數(shù)，最終確定了透水混凝土的配合比。

1.3 主要參數(shù)的確定和計(jì)算

1.3.1 骨料參數(shù)

按JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定方法，測試骨料的顆粒級(jí)配、分計(jì)篩余、表觀密度、堆積密度、緊密堆積密度，根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算骨料的緊密堆積孔隙率，各粒徑范圍的比表面積因子取值為：骨料粒徑大于20 mm時(shí)取10 m2/kg，骨料粒徑為10～20 mm時(shí)取20 m2/kg，骨料粒徑為4.75～10.00 mm時(shí)取40 m2/kg，骨料粒徑范圍為2.36～4.75 mm時(shí)取80 m2/kg，骨料粒徑范圍為1.18～2.36 mm時(shí)取160 m2/kg。

1.3.2 骨料用量和比表面積

按照CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定計(jì)算每立方米透水混凝土骨料用量mg，按式（1）計(jì)算每立方米透水混凝土骨料的總比表面積Sg：

式中：Sg——骨料的比表面積，m2；

δi——骨料分計(jì)篩余，%；

γi——骨料比表面積因子，m2/kg。

1.3.3 確定漿體厚度

確定漿體包裹厚度hJ，強(qiáng)度等級(jí)為C10時(shí)取0.24～0.28 mm，強(qiáng)度等級(jí)為C15時(shí)取0.28～0.32 mm，強(qiáng)度等級(jí)為C20時(shí)取0.32～0.36 mm，按式（2）計(jì)算每立方米透水混凝土漿體體積VJ：

式中：VJ——每立方米透水混凝土漿體體積，m3；

hJ——漿體包裹厚度，mm；

Sg——每立方米透水混凝土骨料的比表面積，m2。

1.3.4 孔隙率驗(yàn)證

骨料緊密堆積孔隙率和漿體體積的差值在15%～25%之間，如不符合，則需重新調(diào)整漿體包裹厚度取值。

1.3.5 膠凝材料、水、外加劑用量的確定

確定水膠比Rw/c，按式（3）計(jì)算膠凝材料mc，根據(jù)水膠比膠凝材料用量、水膠比和外加劑摻量計(jì)算用水量和外加劑用量。

式中：mc——每立方米透水混凝土中膠凝材料用量，kg/m3；

Rw/c——水膠比；

VJ——每立方米透水混凝土漿體體積，m3；

ρc——膠凝材料密度，kg/m3；

β——漿體用量修正系數(shù)，取0.98。

2 原材料及試驗(yàn)方法

2.1 原材料

水泥采用紅獅P.O 42.5，骨料采用粒徑4.75～10.00 mm單粒級(jí)石灰?guī)r碎石，壓碎值16.1%，表觀密度2 720 kg/m3，堆積密度為1 550 kg/m3，緊密堆積密度為1 630 kg/m3，孔隙率40.1%，骨料粒徑分布為：＞20 mm的篩分為0，10～20 mm的為1.41%，4.75～10.00 mm的為96.25%，2.36～ 4.75 mm的為0.97%，1.18～2.36 mm的為0.28%。

2.2 配合比計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)和漿體厚度取值范圍分別取漿體厚度為0.24、0.26、0.28、0.30、0.32、0.34、0.36，水膠比取0.27，外加劑摻量為1.6%，按照上述配合比計(jì)算步驟計(jì)算各組分材料的用量，具體計(jì)算所得配合比如表1所示。

2.3 試件成型及養(yǎng)護(hù)方法

為了最大程度地減小成型方法對(duì)透水混凝土力學(xué)性能和透水性能的影響，統(tǒng)一采用人工插搗的方式成型，設(shè)定松鋪系數(shù)為1.05，稱取相應(yīng)質(zhì)量的混凝土分2層裝入邊長為150 mm×150 mm×150 mm的正方體試模，每層按順時(shí)針方向由外向里插搗25次，裝滿后采用平板振搗器將試塊表面整平壓實(shí)，試件成型24 h后拆模放入標(biāo)養(yǎng)室，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后進(jìn)行試驗(yàn)測試。

表1 配合比數(shù)據(jù)

2.4 試驗(yàn)方法

透水系數(shù)的測定采用國內(nèi)測量透水磚透水系數(shù)的測量裝置，對(duì)正方體試塊進(jìn)行鉆芯后制成尺寸為φ100 mm×50 mm的圓柱形試件（圖2）。有效孔隙率的測試采用稱重法，先稱取干燥試件的質(zhì)量m1，將其浸泡在水中24 h后稱取試件在水中的質(zhì)量m2，有效孔隙率P按式（4）計(jì)算：

式中：v0——試件的體積；

m1——試件干燥時(shí)的質(zhì)量；

m2——試件浸泡飽水時(shí)的質(zhì)量。

圖2 透水系數(shù)試驗(yàn)裝置示意

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述計(jì)算所得的配合比成型試塊，可得透水混凝土的各齡期抗壓強(qiáng)度與漿體厚度的變化關(guān)系曲線〔圖3（a）〕，以及漿體厚度與有效孔隙率和透水系數(shù)的關(guān)系曲線〔圖3（b）〕。

由圖3（a）可知，透水混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度均隨著漿體厚度的增加而增大，這是因?yàn)闈{體厚度的增加增大了透水混凝土中漿體的體積，混凝土成型后骨料呈緊密堆積狀態(tài)，富余漿體填充到骨料間空隙中，提高了密實(shí)度，同時(shí)增加了骨料和漿體間的接觸面積，內(nèi)部空隙數(shù)量的減少使得骨料間點(diǎn)接觸引起的應(yīng)力較分散，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度增加[8]。由圖3（b）可知，漿體厚度的增加減少了透水混凝土的有效孔隙率，透水系數(shù)隨著下降。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用本配合比設(shè)計(jì)方法，在有效的漿體厚度取值范圍內(nèi)，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的要求，且透水系數(shù)均＞1 mm/s，符合現(xiàn)行透水混凝土技術(shù)規(guī)范的要求。

圖3 試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

1）從骨料的比表面積和漿體包裹厚度角度出發(fā)，提出了一種新的透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法，解決透水混凝土工作性能、強(qiáng)度與透水性能之間的矛盾，避免因原材料變動(dòng)和使用經(jīng)驗(yàn)公式造成透水混凝土因漿體數(shù)量過多或過少而出現(xiàn)封底現(xiàn)象，進(jìn)而避免因透水性能下降或漿骨間黏結(jié)力不足導(dǎo)致的力學(xué)性能下降問題。

2）本設(shè)計(jì)方法配制的透水混凝土能達(dá)到配合比設(shè)計(jì)的目標(biāo)，抗壓強(qiáng)度符合要求，透水性能良好。