鐘遠(yuǎn)偉

（中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，四川 成都 610000）

0 引 言

在海綿城市建設(shè)中，透水混凝土作為一種透水功能良好的材料，在實(shí)踐中得到了較為廣泛的應(yīng)用?；炷翆?shí)體骨架和分布其中的孔隙是透水混凝土的主要組成結(jié)構(gòu)，其中的孔隙相互貫穿連通，形成蜂窩狀的多孔結(jié)構(gòu)，從而具備良好的透水透氣能力。在城市公園、活動廣場、人行道路面鋪裝時(shí)，作為輕交通路面材料，透水混凝土因具有吸聲降噪、緩解熱島效應(yīng)、調(diào)蓄積水、改善道路環(huán)境等功能，得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。透水混凝土的應(yīng)用符合國家可持續(xù)發(fā)展的要求，環(huán)境效益顯著。它能有效改善城市道路積水，吸收行車噪聲，在不同的自然環(huán)境和氣候條件下均有良好的適用性。透水混凝土鋪成的道路等效于天然草坪和自然土壤，有利于地表植物和微生物的生態(tài)環(huán)境營造。與此同時(shí)，滿足了交通運(yùn)輸所需的硬化地面的使用功能要求，完美實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展理念中的“與環(huán)境共生”這一原則[4]。

在目前的研究中，透水混凝土配合比設(shè)計(jì)的指標(biāo)主要為集料緊密堆積密度、漿體體積和目標(biāo)孔隙率。其常用的方法包括球模型包裹法[5]、質(zhì)量法、體積法和比表面積法等。主要的控制指標(biāo)為目標(biāo)孔隙率。確定目標(biāo)孔隙率后，便能確定漿體體積，繼而可得出配合比的設(shè)計(jì)組成[6]。在工程實(shí)踐中，由于原材料的不同和膠凝材料用量計(jì)算的不科學(xué)，往往無法對漿體數(shù)量進(jìn)行精準(zhǔn)受控，使得實(shí)際孔隙率較大地偏離目標(biāo)孔隙率，難以滿足透水混凝土功能的要求。另外，常用的配合比設(shè)計(jì)方法中，其強(qiáng)度的設(shè)計(jì)依據(jù)不足，雖透水性符合要求，但強(qiáng)度卻難以保證[7-8]。因此，為解決上述問題，引入了漿體的厚度與集料的比表面積這兩個(gè)參數(shù)，并將其作為設(shè)計(jì)時(shí)的根據(jù)，提出了一種基于漿體均勻包裹模型與集料特性的透水混凝土配合比設(shè)計(jì)辦法，使混凝土強(qiáng)度與透水性能之間的矛盾由漿體厚度的合理控制而得以解決，可為透水混凝土配合比的科學(xué)設(shè)計(jì)提供參考思路。

1 透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)機(jī)理

1.1 均勻包裹的漿體模型

與常規(guī)的混凝土設(shè)計(jì)不同，透水混凝土的骨架為粗集料，細(xì)集料很少或基本沒有，通過加入適量作為黏結(jié)劑的膠凝材料，使混凝土成型后具有相當(dāng)數(shù)量的孔隙且相互連通，從而具有透水性能。如圖1 所示，作為本文所提出的一種新型的理念，漿體均勻包裹模型的原理主要如下：在集料中加入水和膠凝材料攪拌均勻，當(dāng)水膠比和漿體厚度一定時(shí)，基于集料為緊密堆積的狀態(tài)，則膠凝材料與水的加入量可由集料的用量及其比表面積計(jì)算得到。漿體厚度（漿體體積和緊密堆積孔隙率的差值）決定了混凝土的透水功能，即透水混凝土中孔隙所占體積隨漿體厚度的增大而減小，繼而透水性能也降低。集料與漿體的黏結(jié)力、孔隙率的大?。ㄕw密實(shí)度）和集料強(qiáng)度決定了混凝土的力學(xué)性能。由此可知，混凝土的力學(xué)性能與漿體厚度之間也存在聯(lián)系。

圖1 基于漿體均勻包裹的透水混凝土模型

1.2 配合比設(shè)計(jì)原理

透水混凝土的孔隙率影響著其強(qiáng)度與透水性，而膠凝材料用量和集料緊密堆積孔隙率與孔隙率存在一定的關(guān)系。在保證透水性能的同時(shí)，使之具有較好的抗壓強(qiáng)度，是在配合比設(shè)計(jì)過程中合理控制漿體數(shù)量的關(guān)鍵目標(biāo)。本文通過混凝土集料的比表面積計(jì)算，基于比表面積配比設(shè)計(jì)與漿體均勻包裹模型，進(jìn)而將混凝土中各組分用量通過所設(shè)定的漿體包裹厚度計(jì)算得到。同時(shí)，設(shè)定混凝土透水性和強(qiáng)度的控制參數(shù)為漿體厚度，從而確定最終的配合比。

1.3 控制參數(shù)的計(jì)算與確定

1.3.1 集料參數(shù)

集料的緊密堆積孔隙率一般根據(jù)規(guī)范《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 52），通過計(jì)算相關(guān)參數(shù)（包括緊密堆積密度、顆粒級配、分計(jì)篩余、表觀密度和堆積密度）而確定。集料粒徑為1.18～2.36 mm 時(shí)，比表面積因子為160 m2/kg。集料粒徑所處范圍為2.36 ～4.75 mm、4.75 ～10 mm、10～20 mm 和20 mm 以上時(shí)，相應(yīng)的比表面積因子分別為80 m2/kg、40 m2/kg、20 m2/kg、10 m2/kg。

1.3.2 比表面積與集料用量

根據(jù)《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 135）規(guī)定，設(shè)α 為集料用量修正系數(shù)（取值為0.98），ρg為集料的緊密堆積密度（kg/m3），則單位體積透水混凝土中的集料用量mg= α × ρg。另設(shè)集料的分計(jì)篩余為δi（%），γi為集料比表面積因子（m2/kg），則單位體積透水混凝土集料的總比表面積Sg可由下式計(jì)算得出：

1.3.3 漿體厚度確定

當(dāng)混凝土漿體強(qiáng)度等級為C10 時(shí)，漿體厚度取值為0.24～0.28 mm；漿體強(qiáng)度等級為C15 時(shí)，漿體厚度取值為0.28～0.32 mm；漿體強(qiáng)度等級為C20時(shí)，漿體厚度取值為0.32～0.36 mm。

設(shè)漿體包裹厚度為hj，單位體積透水混凝土集料的比表面積為Sg，則hjSg/1000 即單位體積透水混凝土漿體體積，記為Vj。

1.3.4 孔隙率檢驗(yàn)

15%～25%之間的區(qū)域是漿體體積和集料緊密堆積孔隙率差值的合理區(qū)間，應(yīng)不斷調(diào)整漿體包裹厚度，使之符合上述區(qū)間的數(shù)值要求。

1.3.5 確定水、外加劑和膠凝材料的用量

設(shè)水的密度為ρw，水膠比為Rw/c，膠凝材料密度為ρc，漿體用量修正系數(shù)為β（一般為0.98），外加劑的摻量為a，則可由式（2）～式（4），分別計(jì)算得到水的用量mw、膠凝材料的用量mc和外加劑的用量ma。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 材料選擇

表1 為紅獅牌水泥的性能測試結(jié)果，水泥強(qiáng)度等級為P.O 42.5。集料為單粒徑碎石，粒徑為4.75 mm。其粒徑分布和性能測試見表2。

表1 水泥性能技術(shù)指標(biāo)

表2 集料性能技術(shù)指標(biāo)和粒徑分布

2.2 配合比計(jì)算

基于漿體厚度取值范圍與設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級，取0.24～0.36 mm 區(qū)間的漿體厚度進(jìn)行配比設(shè)計(jì)，厚度級差為0.02 mm，編號依次為A-1～A-7。水膠比定為0.27，碎石為1 600 kg。根據(jù)上述計(jì)算步驟確定配比中各成分的材料量（見表3）。

表3 配合比設(shè)計(jì)組成

2.3 試件養(yǎng)護(hù)與成型

本次試驗(yàn)統(tǒng)一采用人工插振的辦法進(jìn)行成型，以盡量避免成型方法不同對透水混凝土透水和力學(xué)性能產(chǎn)生的影響[9-10]。按松鋪系數(shù)1.5 考慮，將一定質(zhì)量的混凝土裝入150 mm2的正方體模型中。裝入時(shí)分2 次進(jìn)行，每次裝入后均由外向內(nèi)以順時(shí)針插振25 次。模型中混凝土裝滿后，再用平板振搗器將其表面整平壓實(shí)成型，于24 h 后再放入標(biāo)養(yǎng)室中進(jìn)行標(biāo)養(yǎng)，至相應(yīng)齡期后取出測試。

2.4 試驗(yàn)方法

將標(biāo)養(yǎng)室中的立方體試塊進(jìn)行鉆心取樣，取樣形狀為圓柱體，尺寸為φ100×50 mm。利用相應(yīng)的測量裝置對透水系數(shù)進(jìn)行測定。該測試裝置在國內(nèi)用于透水磚的透水系數(shù)測定。相應(yīng)裝置如圖2 所示。

圖2 用于透水系數(shù)測定的試驗(yàn)裝置

另外，試樣的有效孔隙率可通過稱重法進(jìn)行測定。試樣的有效孔隙率可按下式計(jì)算：

式中：m1為試樣干燥時(shí)的質(zhì)量；m2為其在水中浸泡24 h 后的質(zhì)量；V0為試樣體積。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上文所述配合比和相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)方法，對成型試件的性能進(jìn)行測試。試驗(yàn)可得漿體厚度與透水系數(shù)、有效孔隙率的關(guān)系如圖3 所示，混凝土漿體厚度與不同齡期抗壓強(qiáng)度間的關(guān)系如圖4 所示。

圖3 漿體厚度與透水系數(shù)、有效孔隙率的關(guān)系

圖4 漿體厚度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

由圖3 可知，有效孔隙率隨漿體厚度的增加而減少，進(jìn)而透水系數(shù)減少。由圖4 可知，混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度隨漿體厚度的增大而增大。原因是混凝土中漿體體積會隨著漿體厚度的增大而增大，集料在成型后為緊密堆積形態(tài)，多余的漿體使集料間的孔隙得以充填，使混凝土的密實(shí)度提升。與此同時(shí)，漿體與集料之間的接觸面積也得以增大，減少了內(nèi)部孔隙，使集料間由點(diǎn)接觸而引起的應(yīng)力趨于分散，從而增大了透水混凝土的抗壓強(qiáng)度。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，采用本次試驗(yàn)的配合比設(shè)計(jì)方法，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度在有效的漿體厚度取值范圍內(nèi)滿足設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度等級。同時(shí)，其透水系數(shù)均超過1 mm/s，滿足現(xiàn)行透水混凝土標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 結(jié) 語

（1）基于漿體包裹厚度和集料比表面積的角度，為解決透水混凝土工作性能、透水性能與強(qiáng)度之間的矛盾問題，提出了一種新型的透水混凝土配合比設(shè)計(jì)辦法，可避免在原材料改變和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式時(shí)，透水混凝土因過多或過少的漿體數(shù)量而出現(xiàn)封底情況，繼而導(dǎo)致漿體與集料間黏結(jié)力不夠而降低混凝土力學(xué)性能或者透水性能變差。

（2）利用本文所設(shè)計(jì)的配合比方法制備的透水混凝土透水系數(shù)符合要求，透水性能良好，且抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，取得了理想的應(yīng)用效果。