C30透水水泥混凝土配合比設計研究

喻進輝, 張 水, 袁慶蓮, 曹 輝

(湖南省建筑科學研究院有限責任公司, 湖南 長沙 410011)

在現代化城市建設過程中,地表逐漸被建筑物和鋪裝材料等覆蓋,形成了生態(tài)學意義上的“人造沙漠”[1-2]。目前我國地面鋪裝材料多為混凝土材料,雖具有較好的耐久性能和使用性能,但其不透水性阻斷了自然降水與下層土壤及地下水的通道,不但影響雨水的有效利用,破壞城市地表生態(tài)平衡,而且對城市內澇的發(fā)生也起到了促進作用,同時還會增加城市的“熱島效應”,也不利于緩解城市的噪音污染[3]。透水混凝土是由集料、膠結料等拌合形成的具有連續(xù)孔隙結構的混凝土,因其具有良好的透水、透氣等特點,對緩解城市內澇和熱島效應，降低城市噪聲等有顯著作用,是一種具有生態(tài)功能的混凝土[4-7]。隨著我國海綿城市建設的不斷推進,作為一種環(huán)境友好型混凝土,透水混凝土在城市建設中應用將越來越廣泛。筆者單位受某建設單位的委托,設計C30透水水泥混凝土,應用于人行道路面面層。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：采用42.5普通硅酸鹽水泥,按照《通用硅酸鹽水泥(GB 175—2007)》對其性能進行檢測,結果見表1；骨料：采用粒徑范圍為5～10 mm的碎石,按照《建設用卵石、碎石(GB/T 14685—2011)》對其性能進行檢測,結果見表2；增強劑：采用某廠生產的粉末狀外加劑,推薦摻量為5%；水：自來水。

表1 水泥性能檢測結果

表2 碎石性能檢測結果

1.2 配合比設計

當前,針對透水水泥混凝土配合比設計的科學研究較多,其中常用的配合比設計方法有體積法、質量法和比表面積法。體積法是以混凝土孔隙率為控制指標,通過設定孔隙率計算出填漿體積,再根據水膠比及各膠凝材料的密度計算出各膠凝材料的用量；集料用量則可通過測定其表觀密度計算得到。計算方法比較簡單、直觀,但實測孔隙率與設定孔隙率有一定差距[8]。本文采用體積法進行C30透水水泥混凝土配合比設計。

體積法計算配合比的公式如下：

式中：mg、ρs分別為石子的質量和表觀密度,石子質量可根據經驗公式mg=0.98ρg進行計算,ρg為石子的緊密堆積密度；

mw、ρw分別為水的質量和密度；

mc、ρc分別為膠凝材料的質量和密度；

P為設計孔隙率。

1.3 試驗方法

1.3.1 抗壓強度

按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準(GB/T 50081—2002)》的規(guī)定,在尺寸為150 mm×150 mm×150 mm試模中成型試樣,脫模后標準養(yǎng)護至規(guī)定齡期,再進行透水水泥混凝土抗壓強度的測試。

1.3.2 透水系數

按照《透水水泥混凝土路面技術規(guī)程(CJJ/T 135—2009)》附錄A的規(guī)定,在尺寸為Φ100 mm×50 mm的試模中成型試樣,脫模后標準養(yǎng)護至規(guī)定齡期,再進行透水水泥混凝土透水系數的測試。

1.3.3 連續(xù)孔隙率

按照《再生骨料透水混凝土應用技術規(guī)程(CJJ/T 253—2016)》附錄A的規(guī)定,在尺寸為150 mm×150 mm×150 mm試模中成型試樣,脫模后標準養(yǎng)護至規(guī)定齡期,再進行透水水泥混凝土連續(xù)孔隙率的測試。

2 試驗結果與分析

2.1 配合比設計結果

根據《透水水泥混凝土路面技術規(guī)程(CJJ/T 135—2009)》的相關規(guī)定,設計強度等級為C30的透水水泥混凝土,其透水系數不應小于0.5 mm/s,連續(xù)孔隙率不應小于10%?？紤]到設計的透水水泥混凝土應用于路面面層,其與外界荷載直接相接觸,集料粒徑不宜過大,因此選用粒徑為5～10 mm的碎石,經檢測可知骨料緊密堆積密度為1 500 kg/m3,表觀密度為2 730 kg/m3。經過前期試驗研究發(fā)現,透水水泥混凝土的透水系數和抗壓強度、孔隙率之間存在良好的相關性,透水系數隨孔隙率的增大而提高,抗壓強度則相反。為確保抗壓強度和透水系數均能滿足標準要求,應設定合適的孔隙率。在前期試驗研究基礎上,孔隙率設定為20%。水膠比對透水水泥混凝土的強度和透水系數有重要影響,水膠比過大會造成漿體過稀,成型時漿體不能均勻裹覆在骨料表面,且易因墜落而在底部形成漿體層,不但會降低混凝土的抗壓強度,而且也會降低其透水系數；在前期試驗研究的基礎上,水膠比設定為0.30。外加劑由于其摻量較少,為方便計算可忽略其體積。采用體積法進行透水水泥混凝土配合比設計計算,其基準配合比計算結果見表3。

表3 基準配合比

2.2 性能測試結果與分析

根據《透水水泥混凝土路面技術規(guī)程(CJJ/T 135—2009)》的相關規(guī)定,應選擇3個不同的透水水泥混凝土配合比進行試配,其中一個為基準配合比,另外兩個配合比與基準配合比相比,其水膠比分別增加和減少0.05,用水量則相同。本文采用二次投料法進行透水水泥混凝土攪拌,先加入20%的水與石子攪拌,在石子表面濕潤的情況下再加膠結粉料,這樣有利于漿體更加均勻地裹覆在石子表面；采用人工插搗與機械振動相結合的方法成型試樣,振動時間宜控制在10～30 s。透水水泥混凝土性能測試結果見表4 ,不同水膠比對混凝土性能的影響見圖1～3。

表4 性能測試結果

圖1 水膠比對混凝土抗壓強度的影響

由圖1可知,隨著水膠比的增大,混凝土的抗壓強度不斷降低,且其7 d抗壓強度達到了28 d抗壓強度的80%以上。究其原因主要有：在相同的條件下,水膠比是影響混凝土強度的最主要因素,水膠比越大,水泥水化剩余的水越多,多余的水隨混凝土硬化而蒸發(fā)后留下孔隙,降低了混凝土的密實性,從而降低了混凝土強度；同時透水水泥混凝土的抗壓強度還與其結構組成有關,由于透水水泥混凝土中粗骨料幾乎按最緊密堆積接觸,表面裹覆薄層水泥漿體,其強度主要受限于骨料間機械咬合力,骨料間漿體的粘結僅起次要作用,故其后期強度增長有限。

圖2 水膠比對混凝土連續(xù)孔隙率的影響

圖3 水膠比對混凝土透水系數的影響

由圖2、圖3可知,透水水泥混凝土的連續(xù)孔隙率和透水系數均隨水膠比的增大而增大。這主要與透水水泥混凝土的結構組成相關：1 m3透水水泥混凝土由骨料體積、漿體體積和孔隙率組成,當骨料和用水量一定時,混凝土水膠比越高,水泥用量則越少,孔隙率所占比例就越高,因此其透水系數和連續(xù)孔隙率也相應越高。由表4和圖2可知,實測連續(xù)孔隙率與設計孔隙率有較大偏差。

根據《透水水泥混凝土路面技術規(guī)程(CJJ/T 135—2009)》的有關要求和表4可知,強度等級為C30的透水水泥混凝土配合比為：水泥420 kg/m3、碎石1 500 kg/m3、增強劑21 kg/m3、水126 kg/m3。

3 結 語

1)采用體積法進行透水水泥混凝土配合比設計,得到了強度等級為C30的透水水泥混凝土配合比：水泥420 kg/m3、碎石1 500 kg/m3、增強劑21 kg/m3、水126 kg/m3。

2)對透水水泥混凝土進行性能檢測,其28 d抗壓強度為39.1 MPa,透水系數為0.87 mm/s,連續(xù)孔隙率為14.3%,滿足《透水水泥混凝土路面技術規(guī)程(CJJ/T 135—2009)》的規(guī)定。

3)采用體積法進行透水水泥混凝土配合比設計,實測連續(xù)孔隙率與設定孔隙率有較大差距,應根據配合比試配結果或前期研究基礎上設定合適孔隙率。