透水混凝土配合比設(shè)計(jì)參數(shù)對其性能影響研究

張燦文ZHANG Can-wen

（佛山市運(yùn)勝工程檢測技術(shù)有限公司，佛山 528500）

0 引言

近幾年由于天氣原因，大氣降水集中，時(shí)間短強(qiáng)度大，城市出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)澇，小雨小積水，大雨成洪水。工業(yè)發(fā)現(xiàn)和城市人口集中造成地下水位下降，大氣降水白白流走得不到利用。海綿城市的建設(shè)成為國家大力提倡推行的新型生態(tài)城市的主流方向。海綿城市建設(shè)中最重要的環(huán)節(jié)是對雨水、雪水等大氣降水的消納與利用，而透水鋪裝很好地解決了這一問題。透水混凝土以其獨(dú)特骨架-孔隙結(jié)構(gòu)特性成為海綿城市建設(shè)中重要應(yīng)用材料。透水混凝土和傳統(tǒng)混凝土相比，有著較大的孔隙率，良好的透水性能，適宜的強(qiáng)度，能很好地緩解城市內(nèi)澇補(bǔ)充地下水源，并憑著多孔透氣的特點(diǎn)對降低城市熱島效應(yīng)、削減噪音傳播等方面都具有良好性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 透水混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.1 透水混凝土配合比設(shè)計(jì)方法選擇

本次透水混凝土配合比設(shè)計(jì)依據(jù)《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》CJJT135-2009。

1.2 透水混凝土配合比設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2.1 配合比設(shè)計(jì)主要參數(shù)

透水混凝土配合比設(shè)計(jì)參數(shù)主要有目標(biāo)孔隙率、配制強(qiáng)度、水膠比等。

1.2.2 目標(biāo)孔隙率

透水混凝土目標(biāo)孔隙率主要滿足透水性能要求，透水性要求越高則取值越大。一般目標(biāo)空隙率取值為15%-40%。目標(biāo)空隙率與實(shí)測孔隙率存在差異，實(shí)測孔隙率要小于目標(biāo)孔隙率。透水混凝土中的孔隙有三種形態(tài)：一是封閉的孔隙；二是開口但不連續(xù)的孔隙；三是貫穿混凝土且連續(xù)的有效孔隙，有效孔隙率是透水混凝土透水性的保證。

1.2.3 強(qiáng)度

目前透水混凝土發(fā)展方向是高強(qiáng)高透水性，強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到40MPa，透水系數(shù)則達(dá)到K8 級不小于8mm/s。由于透水混凝土的強(qiáng)度受孔隙率影響很大，如何在保證透水性能前提下提高強(qiáng)度是透水混凝土設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。影響透水混凝土強(qiáng)度主要因素有：孔隙率、水膠比、骨料粒徑、增強(qiáng)劑摻量等。

1.2.4 水膠比

水膠比是影響透水混凝土強(qiáng)度的重要因素。水膠比既影響透水混凝土的強(qiáng)度，又影響其透水性，水膠比的確定要兼顧二者之間相互關(guān)系。透水混凝土水膠比選擇范圍一般控制在0.25-0.35 之間。

1.2.5 骨料粒徑與級配

透水混凝土為了保證孔隙率一般采用單粒徑集料，集料規(guī)格通常是（2.36-4.75）mm、（4.75-9.5）mm、（9.5-13.2）mm 碎石。使用大粒徑的骨料配制的混凝土孔隙率較大，強(qiáng)度較低，較小粒徑骨料適宜配制強(qiáng)度較高的透水混凝土。

1.2.6 增強(qiáng)料

使用增強(qiáng)料能提高透水混凝土強(qiáng)度，增強(qiáng)料兼有減水、增黏、提強(qiáng)作用，常用增強(qiáng)料摻量為水泥用量3%-6%。

1.2.7 外加劑

摻加適量的減水劑可以減少水泥用量提高透水混凝土強(qiáng)度并改善其工作性能。

1.2.8 粉煤灰和硅灰等外摻料

摻加適量的粉煤灰和硅灰等外摻料可以改善透水混凝土的工作性能，節(jié)約水泥用量。

2 透水混凝土配合比設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 本次試配目地

通過試配檢驗(yàn)透水混凝土配合比各項(xiàng)參數(shù)相互作用及對其各項(xiàng)性能影響。

2.2 透水混凝土配合比設(shè)計(jì)參數(shù)

本次透水混凝土配合比設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C25，目標(biāo)空隙率采用Rvoid1＝15%、Rvoid2＝20%、Rvoid3＝25%。

2.3 材料采用情況

2.3.1 粗集料

本次試配采用云浮市金昇石料有限公司祥盛石場的4.75-9.5mm 花崗巖碎石各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)檢驗(yàn)匯總見表1。

表1 4.75-9.5mm 碎石各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)匯總表

2.3.2 水泥

采用廣州產(chǎn)“石井牌”P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，28 天強(qiáng)度為49.6MPa，密度為3100kg/m3。

2.3.3 增強(qiáng)料

采用廣東中山產(chǎn)粉狀“維多利”牌透水混凝土增強(qiáng)劑，密度為2190kg/m3，推薦摻量為水泥用量3%-6%，本次試配采用3.5%摻量。

2.3.4 外加劑

采用紅墻股份CSP-13 聚羧酸高效減水劑，減水率25%，推薦摻量為0.5%-3.0%，本次試配采用1.0%摻量。

2.3.5 拌和水

可飲用自來水。

2.4 配合比計(jì)算過程

2.4.1 配制強(qiáng)度

本次擬配透水混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)為C25，配制強(qiáng)度fcu，o=33.2MPa。

2.4.2 計(jì)算粗集料用量

單位體積粗骨料用量：WG=α×ρG=1500×0.98=1470kg

2.4.3 水泥漿體體積

水泥漿體體積計(jì)算按下式確定（以Rvoid2=20%為計(jì)算實(shí)例）：

VP=1-α×（1-vc）-1×Rvoid=1-0.98×（1-0.446）-1×0.20=0.257m3/m3

經(jīng)計(jì)算得出各孔隙率對應(yīng)的水泥漿體體積VP為：

Rvoid1=15%，VP1=0.307m3/m3

Rvoid2=20%，VP2=0.257m3/m3

Rvoid3=25%，VP3=0.207m3/m3

2.4.4 水膠比的確定

水膠比宜控制在0.25-0.35，本次試配采用水膠比RW/C=0.30，并按增加0.05 和減少0.05 浮動，計(jì)算各材料用量。

2.4.5 單位水泥用量

按下公式確定

WC=（VP×ρc）/（RW/C+1）

ρc——水泥漿體密度（《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》CJJT135-2009 中2.3.3.4 中ρc為水泥密度是錯(cuò)誤的，應(yīng)為水泥漿體密度，本次水泥漿體密度經(jīng)試驗(yàn)確定為1900kg/m3）。

2.4.6 單位用水量

單位用水量為水膠比同水泥用量乘積。

Ww=WC×RW/C

2.4.7 單位增強(qiáng)料用量、單位外加劑用量

單位增強(qiáng)料用量、單位外加劑用量是以水泥用量為基礎(chǔ)乘以摻量計(jì)算得到。

2.4.8 單位材料用量

經(jīng)計(jì)算得到配合比各材料用量匯總?cè)绫?。

表2 單位體積材料用量

2.5 透水混凝土配合比拌制

2.5.1 工作性能檢驗(yàn)

按計(jì)算得到各材料用量拌制適宜數(shù)量的混凝土，檢驗(yàn)工作性能。在最初進(jìn)行透水混凝土的試拌與調(diào)整時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來判定水膠比是否合適。取適量拌和好的混凝土拌和物進(jìn)行觀察，如果水泥漿在骨料顆粒表面包裹均勻，沒有水泥漿下滴流淌積聚在集料下面現(xiàn)象，顆粒不松散且手捻成團(tuán)，表面有類似金屬的光澤，則說明水膠比較為合適。然后以該水膠比為最佳水膠比，進(jìn)行試配拌制混凝土檢驗(yàn)其性能。

2.5.2 配合比調(diào)整

①配合比編號P1 目標(biāo)孔隙率Rvoid=15%水膠比RW/C=0.25 一組透水混凝土比較黏稠，有水泥漿體下沉現(xiàn)象，說明水泥漿體過多。把該組水膠比調(diào)整為RW/C=0.28，水泥及增強(qiáng)料用量隨之減少，經(jīng)拌制后工作性能良好。

②配合比編號P8、P9 目標(biāo)孔隙率Rvoid=30%中水膠比RW/C=0.30、RW/C=0.35 兩組透水混凝土比較松散，手攥不能成團(tuán)，說明水泥漿體不足，把該兩組水膠比調(diào)整為RW/C=0.28、RW/C=0.30，水泥、增強(qiáng)料、外加劑用量隨之增加后經(jīng)拌制工作性能良好。

2.6 透水混凝土硬化后透水性能力學(xué)性能指標(biāo)檢驗(yàn)

按每個(gè)目標(biāo)孔隙率每個(gè)水膠比制作成型100mm×100mm×100mm 抗壓試件及?100mm×h50mm 透水系數(shù)試件，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 天后檢測其抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)，剔除異常數(shù)據(jù)后匯總見表3。

3 透水混凝土試配結(jié)果分析

利用2.6 表3 的數(shù)據(jù)可以得到如圖1-圖3。

從表3 和圖1、圖2、圖3 數(shù)據(jù)分析可以得到如下關(guān)系：

表3 透水混凝土性能檢測匯總表

3.1 目標(biāo)空隙率對透水性能和強(qiáng)度影響

水膠比一定，隨著目標(biāo)孔隙率增大透水系數(shù)增大，強(qiáng)度則降低；目標(biāo)孔隙率減小透水系數(shù)減小，強(qiáng)度則增高。由于透水混凝土骨架孔隙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了孔隙越多越大則透水性能越好，但在孔隙的影響下結(jié)構(gòu)不夠緊密，往往在骨料黏結(jié)處出現(xiàn)破壞，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度則隨之下降。

當(dāng)目標(biāo)孔隙率為25%時(shí)，編號為P7、P8、P9 的配合比抗壓強(qiáng)度雖然能夠達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求但配制強(qiáng)度難以滿足要求。從2.4.8 表2 可以看出雖然水膠比相同，但由于目標(biāo)孔隙率不同，單位體積水泥用量相差很大。

3.2 水膠比對強(qiáng)度和透水性能影響

目標(biāo)孔隙率一定，隨著水膠比的增大透水系數(shù)增大，強(qiáng)度則減少；水膠比減小透水系數(shù)變小，強(qiáng)度則增高。

水膠比小，水泥漿就會變稠，雖有利于凝膠體包裹骨料進(jìn)而形成強(qiáng)度，但過多的漿料會堵塞孔隙造成透水性能下降。水膠比大，雖然有利于孔隙形成透水性能良好，但卻容易出現(xiàn)離析骨料膠接變差，整體強(qiáng)度會較低，不利于其耐久性。

3.3 增強(qiáng)料、外加劑對強(qiáng)度和透水性能的影響

從圖2 可以看出，摻加增強(qiáng)料、摻外加劑、增強(qiáng)料和外加劑雙摻對透水混凝土強(qiáng)度影響大到小依次為：增強(qiáng)料和外加劑雙摻、摻加增強(qiáng)料、摻外加劑。

從圖3 可以看出，摻加增強(qiáng)料、摻外加劑、增強(qiáng)料和外加劑雙摻對透水混凝土透水性能影響大到小依次為：摻外加劑、增強(qiáng)料和外加劑雙摻、摻加增強(qiáng)料。

4 透水混凝土試配總結(jié)

4.1 透水混凝土設(shè)計(jì)時(shí)要兼顧透水性能和強(qiáng)度平衡的原則

透水混凝土的透水性能和強(qiáng)度是相互矛盾的一對參數(shù)，良好的透水性能意味著要犧牲一部分強(qiáng)度，較高的強(qiáng)度意味著混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)透水性能有所降低。透水混凝土最重要的特性是透水性能，在考慮透水性能要求前提下采取措施保證強(qiáng)度，是透水混凝土配合比設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。

4.2 確保強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求

透水混凝土在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，不但要確保設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足要求還要保證配制強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。確保強(qiáng)度滿足要求就要選擇適宜水膠比，合適的骨料并且外摻增強(qiáng)料或者外加劑。強(qiáng)度是透水混凝土耐久性的重要保證。

4.3 適當(dāng)摻加增強(qiáng)料和外加劑

當(dāng)設(shè)計(jì)C25 以下透水混凝土配合比時(shí)，建議要摻外加劑，對于C25-C30 透水混凝土要摻增強(qiáng)料，對于C30 以上透水混凝土建議增強(qiáng)料和外加劑雙摻。如果要求大的孔隙率又要保證高強(qiáng)度則需要選用優(yōu)質(zhì)材料尤其是骨料料徑和級配，適宜的水膠比，并且在摻增強(qiáng)料的同時(shí)摻外加劑。