基于骨架結構設計原則的多孔混凝土制備方法研究

李學文

（廣東省建筑材料研究院有限公司）

0 引言

多孔混凝土作為一種新型混凝土材料，具有高透水性、高承載力、高散熱性、易維護、使用壽命長等特點，在透水性鋪裝、綠化性鋪裝、護坡鋪裝、吸音降噪鋪裝方面有著廣泛的應用。本文選用PⅡ42.5 硅酸鹽水泥，配以礦渣及硅灰作為輔助性膠凝材料，在骨架結構的原則上，通過多孔混凝土配合比設計，依據骨架結構的影響規律，選擇不同粒徑的骨料、漿體/骨料比例及漿體組成等制備多孔混凝土，并對混凝土性能進行研究。根據應用場景的不同，設計了3 組配合比，通過對比多孔混凝土強度與透水系數（即28d 抗壓強度Fc-28T、標準溫度下透水系數k15T）的目標值、設計值與實測值的符合性，評價配合比設計方法的可靠性。

1 試驗原材料及制備方法

1.1 試驗用原材料

試驗用水泥為PⅡ42.5 硅酸鹽水泥，用礦渣及硅灰作為輔助性膠凝材料。膠凝材料的化學組成見表1。

表1 水泥、礦渣、硅灰的化學組成

試驗選用輝綠巖碎石粗骨料，并參照標準ASTM E11-17 分為7 個粒級，測試了不同粒級骨料的松散堆積密度、緊密堆積密度、表觀密度和吸水率，相關性能參數如表2 所示。

表2 骨料的物理性能參數

試驗采用聚羧酸高效減水劑（SP），減水率、固含量等參數如表3 所示。

表3 試驗所用減水劑的性能

1.2 多孔混凝土配合比設計方法

多孔混凝土配合比設計方法主要依據骨架結構的影響因素和變化規律，依次確定骨料粒徑、漿體/骨料比例及漿體組成，具體如下：

⑴骨料粒徑選擇

圖1 骨料平均粒徑與接觸點數目關系

由多孔混凝土強度計算基體強度fc，選擇合適水膠比使基體實際強度fc′≥fc（水泥漿體強度主要與水膠比有關）。然后，通過優化外加劑用量調控水泥漿體流變性能，使漿體最大包裹層厚度MPCT≥TPT，進而確定了水膠比和外加劑用量，并可根據是否加入輔助性膠凝材料、膠凝材料粒度等適度調整，最終確定漿體組成。

⑷配合比設計步驟

圖2 ζ 與接觸區寬度的關系

2 多孔混凝土的制備及綜合性能

2.1 多孔混凝土的制備

為了制備抗壓強度FC-28≥30MPa、透水系數k15≥15mm/s 和抗壓強度FC-28≥40MPa、透水系數k12≥12mm/s的兩類多孔混凝土，制備的過程如下：

⑴確定基體強度fc-28、接觸區漿體總面積CTPA。由公式⑴可得，為獲取抗壓強度達30MPa 的多孔混凝土，基體強度fc-28為115MPa 時、需CTPA≥6.11cm2/100cm2。因此，選擇fc-28=120MPa、CTPA=7.0㎝2/100㎝2。

⑶確定接觸區寬度W、骨料間漿體厚度T。當接觸區漿體總面積CTPA=7.0cm2/100cm2、 接觸點數目N=122/100cm2時，骨料間漿體厚度與接觸區寬度的乘積TW=5.756mm2，可計算T=1.055mm。

⑷計算目標漿體包裹層厚度TPT、漿體/骨料比例VP/VA。由公式⑶可知，當骨料間漿體厚度T=1.055mm時，TPT=0.580mm，進而由公式⑷算得VP/VA=31.3%。

⑸設計漿體組成。試驗采用PII52.5 水泥，當W/B=0.29 時，漿體強度fc-28=123.3MPa（≥120MPa）。根據包裹層厚度TPT=0.580mm，則需漿體表觀粘度η10＞2.366Pa·s，當減水劑摻量SP=0.35%時，漿體表觀粘度η10=2.474Pa·s。在滿足漿體粘度和強度情況下，還可根據是否摻加輔助性膠凝材料、膠凝材料細度等因素，對水泥漿體組成進行適當調整。

通過上述步驟可獲知骨料粒徑、漿體/骨料比例以及漿體組成，進而計算單方多孔混凝土原材料用量（骨料質量WA=0.98ρT×VA，ρT為骨料緊密堆積密度），如表4 所示。

表4 多孔混凝土配合比

2.2 多孔混凝土配合比與性能

不同應用場所對多孔混凝土性能的要求不同，應依據工程需求確定多孔混凝土的配比。針對不同性能指標，采用本文提出的方法設計了3 組配合比（表5），通過對比多孔混凝土強度與透水系數（即28d 抗壓強度Fc-28T、標準溫度下透水系數k15T）的目標值、設計值與實測值，評價配合比設計方法的可靠性。

表5 驗證試驗多孔混凝土配合比

由圖3（a）可知，多孔混凝土28d 的抗壓強度，它的預測值比目標值高出3.2～4.4MPa，這歸因于接觸區域漿體的總面積CTPA與它的基體強度fc設定值略高于計算值。此外，抗壓強度預測值與實測值偏差不是很大，最大偏差為4.2%，表明本文提出的配合比設計方法能夠較為精確地設計多孔混凝土抗壓強度。相對于透水系數目標值，預測值高出1.7～4.7mm/s，主要原因在于所用骨料的粒徑大于計算值（例如C2 多孔混凝土骨料計算骨料平均粒徑為9.9mm，選取9.5～3.2mm 骨料，實際平均粒徑為11.1mm）。由圖3(b)可以看出，當透水系數設計目標值為10mm/s 時，預測值與實測值相差17.0%；當透水系數設計目標值為20mm/s 時，預測值與實測值僅相差2.6%；可見當透水系數目標值較低時，預測值與實測值偏差較大。總之，多孔混凝土28d 抗壓強度和透水系數的實際值接近預測值，且均高于目標值，說明采用該方法可根據所需性能要求設計多孔混凝土配合比。

圖3 多孔混凝土性能指標的目標值、預測值與實測值

試驗制備的多孔混凝土（C1、C2、C3）如圖3 所示，其中C1 多孔混凝土28d 抗壓強度為28.7MPa、透水系數為23.5mm/s，具備良好的透水性能；C2 多孔混凝土28d抗壓強度達到33.0MPa、透水系數為21.2mm/s，同時具備良好的力學與透水性能；C3 多孔混凝土28d 抗壓強度高達37.2MPa、透水系數為14.1mm/s，力學性能優異。

3 結論

⑵依照提出的多孔混凝土配合比設計方法，采用粒形較好的輝綠巖骨料可制備出28d 抗壓強度達37.2MPa、透水系數達14.1mm/s 的多孔混凝土。此外，多孔混凝土的實際強度和透水系數均高于目標值，且強度與預測值最大偏差僅為4.2%，結果表示出的多孔砼的配合比設計的方法可以較為合理、精確地調控多孔栓的力學性能和透水性能。