C25透水混凝土設計參數優化及性能試驗研究

張新勝，吳躍輝，李多元，王憲國，陳文彬

（河南中建西部建設有限公司，河南 鄭州 451450）

C25透水混凝土設計參數優化及性能試驗研究

張新勝，吳躍輝，李多元，王憲國，陳文彬

（河南中建西部建設有限公司，河南 鄭州 451450）

本文對 C25 透水混凝土的配合比設計及其性能進行研究，根據水膠比、成型方式、石子級配三個參數設計不同的配合比，分析強度及透水性能隨參數的變化規律。結果表明水膠比對透水系數起主導作用，成型方式對抗壓強度起決定作用，為透水混凝土的優化設計提供一定的借鑒。

透水混凝土；設計參數；性能試驗

0 引言

隨著城市化進程的迅猛發展，城市建設與環境問題的矛盾日益突出，目前國內多個城市均提出將“海綿城市”的設計理念融入到城市化建設中。透水混凝土[1]是“海綿城市”模型中極其重要的一個組成部分，它是一種由粗骨料、水、膠材、外加劑等拌合而成的具有一定孔隙率和透水性的蜂窩狀綠色環保混凝土，其具有透水性強、消除噪聲、改善水循環、經濟實用等諸多優點。國內學者的研究方向主要集中在透水混凝土配合比設計方法對比[2]、礦物摻合料摻量對強度的影響、高新材料的使用對強度的影響、堵塞機理試驗研究等方面，透水混凝土的性能規律尚不清晰。本文以技術規程為基礎，著重考慮骨料級配、成型工藝、水膠比等因素，分析總結了透水混凝土強度和透水性能隨參數的變化規律。

1 透水混凝土試驗設計

1.1 配合比設計方法的選擇

考慮多孔性的設計常從如下三種方法入手：質量法、比表面積法、體積法。質量法作為一種經驗方法，可根據經驗圖表快速確定材料使用量，具有簡化計算過程的優點，適用于強度要求不高的現場拌制，但在漿體量控制、骨料裹漿厚度控制等方面有很大的局限性。比表面積法主要技術路線為先通過多次試驗得到合適的裹漿厚度和骨料的比表面積，再計算表面積和裹漿厚度的乘積得到漿體量，這種方法對于漿體量的控制有一定的優勢，但是計算之前的試驗工作量很大。體積法以孔隙率為控制目標，通過對孔隙率的控制實現預設的透水性能及強度等級，但該種方法對施工過程要求較高，受水膠比、成型方式、骨料形狀和級配的影響很大，漿體量常出現失控情況，嚴重影響實際孔隙率和透水系數[3]。

綜合上述方法的優缺點，本文采用體積法，并考慮骨料粒徑級配、設計孔隙率、成型方式、水膠比等對體積法影響較大的幾個關鍵因素，力求得到透水混凝土強度和透水性能隨參數的變化規律。

1.2 設計參數的選擇

1.2.1 骨料粒徑

在通用設計參數確定的情況下，骨料級配的選擇尤為重要。已有研究通常認為骨料的粒徑越小越好，多選擇5～10mm 細石作為粗骨料，但在實際施工時常出現成型后實際孔隙率低、透水系數小甚至不透水的缺陷，因此本文在選取 5～10mm 細石的基礎上，考慮加入一定比例粒徑為10～16mm 的碎石。骨料粒徑選擇情況見表1。

表1 骨料級配設計

1.2.2 成型方式

目前常用的四種成型方式為：手工插搗、機械振搗、插搗與振搗結合、靜壓成型。手工插搗成型的試塊較為均勻但密實度較低，導致實際孔隙率遠大于設計孔隙率，進而降低抗壓強度。機械振搗成型的試塊密實度高，但非常容易產生沉降現象，透水性大幅降低。靜壓成型方式需要專業的靜壓機械及特制成型模具，試驗室的試驗條件一般很難達到要求。手工插搗與機械振搗相結合取長補短，均勻性和密實性兼顧，本文采用該方法進行成型，具體的插搗次數見表2。

表2 成型方式設計

1.2.3 水膠比和設計孔隙率

水膠比主要影響裹漿厚度。水膠比過小導致漿體量過少，裹漿厚度小，對透水性能有利，但是對強度非常不利。水膠比過大導致漿體量過大、裹漿厚度大，填充了一部分孔隙，對透水性能不利，對強度提高有利。綜合考慮透水性能和已有研究成果[4]，本文選用如下水膠比：0.23，0.26，0.29。

采用體積法時對于實際孔隙率的控制是關鍵，設計孔隙率與成型后的實際孔隙率直接關聯，在其他因素確定的情況下，設計孔隙率的大小在一定程度上決定透水性能的好壞。技術規程要求連續孔隙率≥10%，結合已有研究成果，綜合考慮選取設計孔隙率為 15%。

1.3 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 mG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；

mJ、ρJ——分別代表膠材的質量和密度，其中密度可根據膠材的種類進行展開；

P——設計孔隙率。

2 試驗過程及性能測定

試驗選取滎陽賈峪鎮 5～20mm 連續級配碎石，滎陽天瑞水泥廠生產的 P·O42.5 水泥，粉煤灰為河南焦作電廠生產的Ⅱ級粉煤灰，外加劑為河南科之杰生產的脂肪族高效減水劑，摻量設定為 0.8%，可進行微調。原材料的性能指標均符合規程要求。

對于投料方式，一次投料法容易出現漿體在不同的石子上分布不均勻的情況。漿體裹石法在水灰比較低的情況下漿體很難均勻分布于石子表面。本試驗采用二次投料法，水先加入 20% 使得石子在表面潤濕的情況下再加入粉料，更宜于漿體的均勻分布。二次投料法工藝見圖1。試驗配比設計及性能測定結果如表3 所示。

3 試驗結果分析

對 18 次試配數據進行整理，得到透水混凝土性能隨參數的變化規律。

（1）水膠比對混凝土抗壓強度的影響見圖2，對透水性能的影響見圖3。

圖1 二次投料法流程圖

表3 配合比設計清單及性能試驗結果

圖2 強度及透水性能隨水膠比的變化

由圖2 可知，強度值隨水膠比的增大整體上逐漸減小。結合表3 可知，其他影響因素不變時，水膠比在 0.23～0.29范圍內時每減小 0.01，試塊抗壓強度約增大 2MPa。所采用的三組水膠比對應的三組強度曲線較平緩，這說明水膠比對強度的影響有限，其他因素如成型方式、骨料級配等對于抗壓強度也有一定影響，無主導因素，多種因素之間是相互耦合的關系。

圖3 水膠比對混凝土透水性能的影響

由圖3 可知，隨著水膠比的增大，透水性能整體上逐漸變差。水膠比每減小 0.01，透水系數約提高 0.2mm/s，透水系數的變化圖形平穩下降，不同水膠比之間透水系數值無交集，說明在諸多影響因素中，水膠比對透水混凝土的透水系數起主導作用。

（2）骨料級配的影響見圖4 和圖5。

圖4 強度隨石子級配的變化

圖5 透水性能隨石子級配的變化

作散點圖，見圖4 和圖5。通過多項式擬合得到變化曲線，隨著 5～10mm 細石比例提高，強度值整體呈增大趨勢。5～ 10mm 細石比例每增大10%，強度僅提高 0.5MPa，說明石子級配并不是強度改變的決定因素。5～10mm 細石不同占比下散點強度范圍重合度較高也印證了這一點。

對于透水系數，隨著 5～10mm 細石比例的增大，透水性整體上呈下降趨勢，細石占比每增大 10%，透水系數約降低0.05mm/s。

（3）成型方式的影響見圖6 和圖7。

成型方式 2 的手工插搗次數和機械振搗秒數均為成型方式 1 的兩倍。由圖6 可知隨著手工插搗次數和機械振搗秒數的增加，抗壓強度值整體上呈現增大趨勢，方式 2 較方式 1所得到的試塊抗壓強度約增大 3.5MPa，說明在諸多影響因素中，水膠比對透水性能起主導作用。

手工插搗次數和機械振搗秒數的增加使得透水性能急劇下降，且下降幅度較大，成型方式 2 較方式 1 試塊的透水系數約降低 0.5mm/s，但兩種成型方式間透水系數值范圍有一定的交集，說明成型方式對透水系數有一定的影響但并不是決定性因素。

4 結論

（1）水膠比每減小 0.01，透水混凝土試塊抗壓強度約增大 2MPa，透水系數約提高 0.2mm/s，水膠比對于透水混凝土的透水系數起主導作用。

（2）5～10mm 細石所占比例每增大 10%，透水混凝土試塊強度約增大 0.5MPa，透水系數約降低 0.05mm/s。5～10mm 細石在骨料總量中比例的增加對強度及透水性能均有一定的影響，但不起主導作用。

（3）手工插搗次數和機械振搗秒數每提高一倍，試塊強度約增大 3.5MPa，透水系數約降低 0.5mm/s，成型工藝對抗壓強度起主導作用。

圖6 強度隨成型工藝的變化

圖7 透水性能隨成型工藝的變化

[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] 徐仁崇，劉君秀，曾沖圣．采用Design-Expert軟件優化透水混凝土配合比設計[J]．新型建筑材料，2010(07): 17-20．

[3] Y Cui, P Gary, TE Lisle. Experimental study on properties of pervious concrete pavement materials[J]. Cement and Concrete Research, 2003, 33(3):381-386.

[4] C Lian, Y Zhuge. Optimum mix design of enhanced permeable concrete-An experimental investigation[J]. Construction and Building Materials, 2010, 24(12):2664-2671.

［通訊地址］河南省鄭州市金水區經三路與農業路交叉口財富廣場 2 棟 7 樓（451450）

Optimization design parameters and performance test of C25 pervious concrete

Zhang Xinsheng, Wu Yuehui, Li Duoyuan, Wang Xianguo, Chen Wenbin
(China Construction Commercial Concrete Hannan Company Limited, Zhengzhou 451450)

This article studies the design and performance of the C25 pervious concrete, considering the water cement ratio, forming method, stone gradation to design different mix proportions, and analyses the influence of the change of parameters on compressive strength and permeability coefficient. The results show that the water cement ratio plays a leading role in the water permeability coefficient, and the forming method plays a decisive role in determining the degree of pressure, which can be used for reference for the optimal design of the pervious concrete.

pervious concrete; design parameters; performance test

張新勝（1985—），男，河南中建西部建設有限公司技術質量部經理。