C30透水混凝土配合比參數(shù)選擇及其設(shè)計(jì)研究

陳培莉（潮州市建筑工程質(zhì)量檢測(cè)站）

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C30透水混凝土配合比參數(shù)選擇及其設(shè)計(jì)研究

陳培莉
（潮州市建筑工程質(zhì)量檢測(cè)站）

【摘要】在體積法的基礎(chǔ)上，考慮了孔隙率、骨料級(jí)配和粒徑、水膠比、外加劑摻量這些設(shè)計(jì)參數(shù)，并以C30配合比設(shè)計(jì)為例進(jìn)行了計(jì)算并試驗(yàn)，結(jié)果表明該配合比符合透水混凝土性能要求，希望在透水水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)方面能夠?yàn)橥刑峁﹨⒖肌?/p>

【關(guān)鍵詞】透水混凝土配合比；體積法；水膠比

1　引言

透水混凝土是將水泥、摻合料、一定粒徑的骨料、水、外加劑等按比例配制成的多孔混凝土，與普通混凝土比較，具有透水、吸聲降噪、消除城市熱島效應(yīng)，改善所在土壤的生態(tài)環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，屬于一種生態(tài)型的混凝土。在可持續(xù)發(fā)展道路理念的指導(dǎo)下，透水混凝土具有的生態(tài)優(yōu)點(diǎn)，得到許多國(guó)家重視并對(duì)其性能進(jìn)行了研究與開發(fā)。歐美、日韓等一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)透水混凝土的研究處于領(lǐng)先地位，經(jīng)過50多年的發(fā)展，透水混凝土已經(jīng)廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)的各項(xiàng)工程，并取得了良好的生態(tài)效益和社會(huì)效益。而在我國(guó)，關(guān)于透水混凝土的理論研究還處于起步階段，雖取得了一定成果，但許多機(jī)理有待研究和闡明。由于透水混凝土的多孔性使得其配合比設(shè)計(jì)與普通混凝土配合比設(shè)計(jì)有所不同，CJJ/T135-2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》提出了以孔隙率為目標(biāo)的配合比設(shè)計(jì)，但是考慮的設(shè)計(jì)參數(shù)較少，配合比設(shè)計(jì)人員按其設(shè)計(jì)的配合比進(jìn)行試配時(shí)經(jīng)常要進(jìn)行調(diào)試，耗費(fèi)大量的精力，因此有必要選擇適合的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其進(jìn)行配合比優(yōu)化。本文在CJJ/T135-2009配合比設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上考慮了孔隙率、骨料級(jí)配和粒徑、水膠比、外加劑摻量這些設(shè)計(jì)參數(shù)，并以C30配合比設(shè)計(jì)為例進(jìn)行了計(jì)算并試驗(yàn)，結(jié)果表明該配合比符合透水混凝土性能要求，希望在透水混凝土配合比設(shè)計(jì)方面能夠?yàn)橥刑峁﹨⒖肌?/p>

2　配合比設(shè)計(jì)

2.1配合比設(shè)計(jì)原則

透水混凝土的一大特點(diǎn)是多孔性，在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)優(yōu)先要考慮孔隙率，當(dāng)前配合比設(shè)計(jì)主要有三種：質(zhì)量法、體積法、比表面積法。這三種方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。質(zhì)量法利用經(jīng)驗(yàn)得到圖表，可根據(jù)圖表計(jì)算出原材料的用量，簡(jiǎn)化了配合比設(shè)計(jì)的計(jì)算過程，方便現(xiàn)場(chǎng)拌合施工；缺點(diǎn)是填漿量大小無可供依循的目標(biāo)。體積法以孔隙率為目標(biāo)，經(jīng)過計(jì)算可控制填漿體積，有利于控制拌合后的孔隙率；缺點(diǎn)是填漿量增大時(shí)，實(shí)測(cè)孔隙率與目標(biāo)孔隙率有較大差距。比表面積法通過計(jì)算骨料的表面積與漿體厚度的乘積，得出填漿量，在計(jì)算前必須先得到骨料比表面積和漿膜厚度，而漿膜厚度需要經(jīng)過多次試驗(yàn)得到，工作量大。透水混凝土在拌合時(shí)坍落度為0，為干硬性混凝土，通常以骨料被漿體包裹、沒有較多水泥漿流出為恰當(dāng)。根據(jù)透水混凝土特點(diǎn)，為了更好地與工程實(shí)際相結(jié)合，優(yōu)化配合比方案，本文采用了體積法，其主要思想如下：1m3混凝土的表觀體積由骨料體積、槳體體積、孔隙率組成。

2.2配合比參數(shù)選擇

采用體積法進(jìn)行透水混凝土配合比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是對(duì)主要參數(shù)的確定。

2.2.1孔隙率

透水混凝土的特性很大部分來源于其自身結(jié)構(gòu)的多孔性，而且目標(biāo)孔隙率與透水混凝土實(shí)際測(cè)得的孔隙率是直接關(guān)聯(lián)的。在路面設(shè)計(jì)中，要求混凝土透水性高，需要的孔隙率就要高，但是不能一味追求高的孔隙率，太高的孔隙率會(huì)影響混凝土強(qiáng)度，反之，若混凝土強(qiáng)度要求高，設(shè)計(jì)的孔隙率就要低些。

2.2.2骨料粒徑

相關(guān)研究表明，骨料的粒徑越小，透水混凝土的強(qiáng)度越大，這是因?yàn)樾×降墓橇系亩逊e表面積大，顆粒之間相互接觸面廣，增加了水泥漿的粘結(jié)力，表面積大，所需包裹的水泥漿也就增多，粗骨料之間的空隙就會(huì)被填充，這結(jié)果是混凝土強(qiáng)度變大但是透水能力下降，因此為了兼顧強(qiáng)度和透水性，一般選用粒徑較小的單一粒徑作為粗骨料。

2.2.3水膠比

在孔隙率一定的情況下，較小的水膠比對(duì)拌合物的流行性不好，水泥漿不能完全包裹骨料，骨料之前的空隙也相應(yīng)增多，這對(duì)透水性能有好處，但是對(duì)強(qiáng)度不利，反之，水膠比過大，拌合物的和易性好，超出的水泥漿量填充了骨料之間的空隙，水泥漿甚至有可能流入至拌合物底部，造成成型后的試件發(fā)生封底現(xiàn)象，這時(shí)對(duì)混凝土的透水性和強(qiáng)度都不利。根據(jù)前人的研究成果，透水混凝土的水膠比在0.25～0.40之間。

2.2.4外加劑摻量

為了得到一個(gè)合適的外加劑摻量，可以在配合比設(shè)計(jì)前選取同配合比的原材料，在骨料、水泥用量一定的情況下按從小到大的水膠比（在固定的水膠比變化± 0.05內(nèi)）進(jìn)行透水混凝土的試拌，在拌制時(shí)觀察拌合物狀態(tài)，以水泥漿均勻地包裹骨料表面且不出現(xiàn)下滴現(xiàn)象，拌合物顆粒有類似金屬的光澤，此時(shí)的水膠比可認(rèn)為是最佳水膠比，按最佳水膠比狀態(tài)確定膠凝材料體系的流動(dòng)度。當(dāng)考慮到混凝土強(qiáng)度需要變化水膠比時(shí)，可通過調(diào)整外加劑的摻量使流動(dòng)度與最佳水膠比狀態(tài)下的流動(dòng)度一致，此時(shí)的摻量就為配合比設(shè)計(jì)外加劑摻量

2.3配合比設(shè)計(jì)步驟

步驟一：將水泥、粉煤灰、骨料、水、減水劑的質(zhì)量相加可得到為單位體積的透水混凝土重量，通過試驗(yàn)可測(cè)得各原材料的密度，進(jìn)而求出各材料的體積，就可以通過體積法來計(jì)算出透水混凝土的配合比。具體如式（1）所示：

mG、ρS分別為碎石質(zhì)量和表觀密度；mw、ρw分別為水質(zhì)量和密度；mJ、ρJ分別為膠凝材料質(zhì)量和密度，可根據(jù)摻合料的品種展開；mk、ρk分別為外加劑質(zhì)量和密度；P為設(shè)計(jì)目標(biāo)孔隙率，其中可將Vj定義為漿體體積：

因外加劑體積較小，本文不將其計(jì)入漿體體積，式2可簡(jiǎn)化為為：

每立方米混凝土中粗骨料的用量為緊密堆積狀態(tài)下的質(zhì)量，考慮到實(shí)際情況一般乘以折減系數(shù)a，具體如下：

一般a取0.98，ρG為碎石的緊密密度。

為了得到外加劑摻量，選取固定的水膠比按公式（3）（4）計(jì)算得到的骨料、膠凝材料用量，再按第2.2.4條的要求進(jìn)行流動(dòng)度試驗(yàn)，得到最佳水膠比和外加劑的摻量，根據(jù)水膠比、各材料的密度、骨料、膠凝材料用量、粉煤灰摻量代入公式計(jì)算可得出各材料的質(zhì)量，最終得到混凝土配合比。

2.4設(shè)計(jì)實(shí)例

設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，透水系數(shù)≥0.5mm/s的透水混凝土。選用原材料如下：石子作為粗骨料，考慮到骨料級(jí)配的影響選取骨料粒徑范圍為5～10mm，其表觀密度為2700kg/m3，緊密堆積密度為1500kg/m3；水泥為P.042.5R普通硅酸鹽水泥，密度為3130kg/m3；粉煤灰的密度為2300kg/m3，粉煤灰替代10%水泥；減水劑為萘系減水劑，密度為1120kg/m3。參數(shù)選擇：設(shè)計(jì)孔隙率為18%，水膠比0.33。

配合比設(shè)計(jì)步驟為：

mc，mf，ρc，ρf分別為水泥和粉煤灰質(zhì)量和密度，忽略外加劑的體積，代入上式有

因本次設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30，兼顧混凝土強(qiáng)度，水膠比選擇為0.30，

粉煤灰替代10%水泥，mc=9mf（式8），將式（7）（8）代入式（6）可得：

通過計(jì)算可得：

mf=43.6kg/m3，mc=392.4kg/m3，mw=130.8kg/m3。

外加劑摻量的確定：

選取水膠比為0.25、0.30、0.35、0.40、0.45，膠凝材料用量mc=392.4kg/m3，mf=43.6kg/m3進(jìn)行拌和，以拌合物狀態(tài)達(dá)到第2.2.4條的要求確定最佳水膠比，通過試驗(yàn)得出最佳水膠比為0.40，以最佳水膠比測(cè)試膠凝材料基準(zhǔn)的流動(dòng)度，再以0.30為水膠比，通過調(diào)整外加劑的摻量使流動(dòng)度與最佳水膠比流動(dòng)度一致，得到外加劑摻量為1.1%，即外加劑用量為4.796kg/m3。

即最終配合比為水泥392.4kg/m3，粉煤灰43.6kg/m3，骨料1470kg/m3，水130.8kg/m3，外加劑4.796kg/m3。

3　配合比試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)方法

3.1.1成型方式

采用壓力成型，將混凝土拌合物裝入專用靜壓成型模具中，然后將模具置于壓力機(jī)下施加壓力至試驗(yàn)值并維持5s后卸荷，最后取下試模套具，用抹刀將成型面抹平，試塊尺寸為150mm×150mm×150mm。

3.1.2孔隙率的測(cè)定

將試件在水中浸泡24h后，在水中測(cè)試試件的質(zhì)量m1，然后將試件風(fēng)干24h，測(cè)其質(zhì)量m2，根據(jù)公式計(jì)算混凝土的孔隙率：

V——試件的體積。

3.1.3抗壓強(qiáng)度的測(cè)定

透水混凝土的抗壓強(qiáng)度按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1.4透水系數(shù)的測(cè)定

透水系數(shù)按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E20-2011中T0730-2011進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2試驗(yàn)結(jié)果

孔隙率為12.9%，透水系數(shù)為1.85mm/s，7d抗壓強(qiáng)度為26.8MPa、28d抗壓強(qiáng)度為33.6MPa。

4　結(jié)論

試驗(yàn)證明，在體積法的基礎(chǔ)上，考慮孔隙率、骨料級(jí)配和粒徑、水膠比、最佳水膠比下的外加劑摻量為設(shè)計(jì)參數(shù)的透水混凝土配合比設(shè)計(jì)方法能夠配制出滿足設(shè)計(jì)要求的透水混凝土，可有效地指導(dǎo)透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)。●

【參考文獻(xiàn)】

［1］張賢超，尹健，池漪.透水混凝土性能研究綜述［J］.混凝土，2010，（12）∶47-50.

［2］CJJ/T135-2009，透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.