透水混凝土配合比参数选择及设计方法研究.doc

2011 年 第 8 期（ 总 第 262 期 ）混凝土预 拌 混 凝 土Number 8 in 2011（Total No.262）READY MIXED CONCRETEConcretedoi：10.3969/j.issn.1002-3550.2011.08.036透水混凝土配合比参数选择及设计方法研究徐仁崇 1，桂苗苗 1，刘君秀 2，陈清己 1，龚明子 1（1. 厦门市建筑科学研究院集团股份有限公司，福建 厦门 361004；2. 厦门天润锦龙建材有限公司，福建 厦门 361009）摘 要： 在透水混凝土的配合比设计中引入骨料级配与粒径、体积砂率两个参数，并研究设计孔隙率、骨料级配与粒径、体积砂率对透水 混凝土性能的影响。结果表明：设计孔隙率与透水系数存在指数函数关系；骨料级配与粒径对混凝土的强度及透水性能影响较大；适量体 积砂子的掺入能提高混凝土的强度而不降低其透水性能，且体积砂率的大小取决于水泥用量及骨料级配与粒径；以设计孔隙率、水胶比、 骨料粒径与级配、体积砂率为参数的透水混凝土配合比设计方法能够有效的指导透水混凝土的配合比设计。关键词： 透水混凝土；配合比；骨料级配与粒径；体积砂率中图分类号： TU528.062 文献标志码： A 文章编号： 1002-3550（2011）08-0109-04St udy on paramet ers select ion and design met hod of pervious concret e mix proport ionXU Ren-chong 1，GUI Miao-miao 1，LIU Jun-xiu 2，CHEN Qing-ji 1，GONG Ming-zi 1（1. Xiamen Academy of Building Research Group Co.，Ltd.，Xiamen 361004，China；2. Xiamen Tianrun Jinlong Building Material Co.，Ltd.，Xiamen 361009，China）Abst ract : Gradation and particle size of aggregate and sand volume ratio were introduced into the mix proportion of pervious concrete and the influence of design porosity，gradation and particle size of aggregate，sand volume ratio on performance of pervious concrete were studied.The re-sults indicate that the exponential relation is presented between the design porosity and permeation coefficient.Gradation and particle size of ag-gregate has a great effect on strength and permeation coefficient.The strength can be increased and the permeation coefficient was not reduced when sand was added into the pervious concrete and the sand volume ratio is related to the content of cement and the gradation and particle size of aggregate.The design method of mix proportion that includes the parameters of design porosity，water-binder ratios，gradation and particle size of aggregate，sand volume ratio is very useful.Key w ords: pervious concrete；mix proportion；gradation and particle size of aggregate；sand volume ratio0 引言透水混凝土属于一种环保型绿色建筑材料，用其铺设的混凝土路面具有良好的透水透气性，将其应用于广场、小区路面、公园道路及停车场等，对提高行人和行车舒适度、缓解城市热岛效应、保持生态平衡具有良好的效果1。但至今为止，国内还没有一套比较成熟的透水混凝土配合比设计方法。虽然 CJJ/T 1352009透水水泥混凝土路面技术规程中给出了以孔隙率为目标的配合比设计方法，但是由于计参数较少，致使配合比设计人员需要进行大量的试验才能得到目标配合比。探索研究了对透水混凝土的配合比设计方法进行，引入了骨料级配和粒径、体积砂率 2 个配合比设计参数，完善了透水混凝土的配合比设计方法。1 原材料及试验方法司生产的中砂，细度模数 2.4，含泥量 2.1%，堆积密度 1 510 kg/m3，表观密度 2 660 kg/m3，级配区属二区；减水剂：福建科之杰新材料有限公司生产的 Point-S 聚羧酸缓凝高效减水剂，减水率为25.9%（0.8%掺量）；水：自来水。1.2 试验方法1.2.1 孔隙率的测定将试件在水中浸泡 24 h 后，在水中测试试件的质量 m1，然 后将试件风干 24 h，测其质量 m2，根据式（1）计算混凝土的孔隙 率 。!V 水（m -m）（1）21= 1-100%式中：V试件的体积； 水 水的密度。1.2.2 抗压强度的测定1.1 原材料透水混凝土的抗压强度测试按照 GB/T 500812002普通混水泥：福建三德水泥股份有限公司生产的 PO 42.5 级水泥；凝土力学性能试验方法标准进行，成型 150 mm150 mm150 mm碎石：厦门海沧顺信建材厂生产的粒径分别为 510 mm 和 10立方体试块。20 mm 的花岗岩碎石，表观密度为 2 780 kg/m3，紧密堆积密度1.2.3 透水系数的测定分别为 1 530 kg/m3 和 1 520 kg/m3；砂子：厦门海城商贸有限公采用“固定水位高度法”测试透水混凝土的透水系数。事先收稿日期：2011-02-15基金项目：厦门市科技计划资助项目（3502Z20100044）109将试块四个侧面用净浆密封，使成型面作为测试表面，测试透水仪中水位由 180 mm 降至 0 mm 时所用时间 t，通过式（2）计算透水系数 v。v=h/t（2）2 配合比设计参数的选择2.1 孔隙率由于进行透水混凝土的配合比设计时，透水系数并不能直接通过配合比设计确定。虽然孔隙率是反映透水混凝土透水系数的一个重要指标，但孔隙率与透水系数并不存在对等关系，其他一些因素比如孔隙的特征、大小及孔隙的路径走向等，对透水混凝土的透水性能也有着不可忽略的影响。因此，探讨孔隙率与透水系数的关系对透水混凝土配合比设计具有重要意义。试验采用粒径为 1020 mm 的碎石，设计透水混凝土的孔隙率为 15%、20%、25%和 30%时，研究设计孔隙率、实测孔隙率与透水系数的关系，试验结果见表 1 及图 1。表 1实测孔隙率及透水系数与设计孔隙率的关系设计孔隙率实测孔隙率 /%实测 / 设计透水系数（/mm/s）/%每组测值均值每组测值均值5.31.0131.541.467.41.8212.02.062013.413.00.652.822.8513.73.6718.25.612576.246.5320.57.7525.49.573023.725.20.8410.2310.1726.610.72图 1 透水系数与设计孔隙率、实测孔隙率的关系曲线从表 1 可以看出，设计孔隙率与实测孔隙率存在着一定的差异，且设计孔隙率越小，实测孔隙率与设计孔隙率的比值越小，数值相差越大。透水混凝土内部孔隙示意图如图 2 所示，透水混凝土的内部宏观孔隙分为连通孔隙、封闭孔隙及半封闭孔隙 3 种，其中对透水混凝土透水性能有贡献的只有连通孔隙；透水混凝土的设计孔隙率较小时，配合比中胶凝材料用量较多，胶凝材料用量的增加提高了透水混凝土内部封闭孔隙与半封闭孔隙形成的几率，即造成的封闭孔隙与半封闭孔隙越多。图 2 透水混凝土内部孔隙种类示意图由图 1 可知，透水系数与设计孔隙率和实测孔隙率皆呈现一定的指数函数关系，透水混凝土的透水系数随着设计孔隙率、实测孔隙率的增大而增大。确定设计孔隙率与透水系数的函数关系后，可以根据所需的透水系数设计值计算得到设计孔隙率这一配合比设计参数。本研究中，通过对试验结果的拟合，确定设计孔隙率与透水系数的函数关系式为：v=6.142 6910-4R2.860 1。2.2 水胶比水胶比是普通混凝土配合比设计中的重要参数。试验证明2，在水泥强度等级相同的条件下，水胶比是影响混凝土强度的最主要因素，水胶比越大，混凝土水化剩余的水分越多，而多余的水分残留在混凝土中形成水泡或水道，随着混凝土硬化而蒸发后便留下孔隙，孔隙的存在降低了混凝土的密实性，从而降低了混凝土的强度。但是对于透水混凝土而言，由于其结构中存在大量的孔隙，水胶比对其强度的影响与对普通混凝土的影响不同，透水混凝土的水胶比宜选为 0.250.353-5。2.3 骨料级配与粒径在 CJJ/T 1352009透水水泥混凝土路面技术规程的透水 混凝土配合比设计中，只给出孔隙率和水胶比两个配合比设计参 数，但是仅仅依靠这两个参数求得的透水混凝土配合比很难满足 强度的要求。有时尽管使用了较小的水胶比和相当大的水泥用 量，但仍然配制不出符合设计强度的透水混凝土，因为影响透水 混凝土性能还有另一个重要因素骨料级配与粒径。试验选用510 mm 和 1020 mm 两种不同粒径的碎石，在不同水泥用量下研究了骨料级配对透水混凝土性能的影响，试验结果见图 3。图 3 不同级配骨料对透水混凝土强度及透水系数的影响从图 3 中可以看出，不论使用哪种石子，透水混凝土的抗压强度皆随水泥用量的增加而增加，而透水系数则随着水泥用量的增加而减小。在相同水泥用量的情况下，对比两种不同粒径的碎石可发现，使用 510 mm 的碎石配制的透水混凝土抗压强110度值较高，但透水系数较低，而 1020 mm 的碎石得到的相反结果。使用大粒径骨料配制的透水混凝土抗压强度较低，主要是因为骨料粒径越大，骨料间的咬合点越少，由此产生的咬合摩擦力及其与水泥浆体的黏接力减少所致。因此，进行透水混凝土的配合比设计时，有必要把“骨料级配与粒径”作为一个设计参数，根据设计要求选择合适的骨料级配与粒径，才可得到透水系数和抗压强度相匹配的透水混凝土。2.4 体积砂率通常情况下为了得到理想的孔隙率，设计透水混凝土时一般不会使用砂子。但有研究表明6-7，在透水混凝土配合比设计时掺入适量的砂子，可以在不降低透水系数的条件下获得较高的强度。“体积砂率”即透水混凝土配合比中砂子体积占砂子与水泥总体积的百分比。试验选用 1020 mm 的碎石，在透水混凝土配合比中引入5%、10%、15%、20%和 25%的体积砂率，研究体积砂率对透水混凝土强度及透水系数的影响，试验结果见表 2。表 2体积砂率对透水混凝土性能影响结果编号体积砂率水泥砂子透水系数 抗压强度 /MPa33/%（/kg/m） （/kg/m） （/mm/s）7 d28 d1042003.5817.421.625399193.5518.723.7310378373.6218.222.5415357563.5616.821.2520336743.1214.318.2625315932.8613.115.3注：水胶比为 0.3。由表 2 中可知，体积砂率在 015%范围内透水系数变化较小， 当体积砂率超过 15%时，透水系数明显下降。这主要是因为，在 配合比设计中，砂子等体积取代水泥，透水混凝土的孔隙率保 持不变，因此其透水系数随着体积砂率的变化较小；但体积砂 率超过一定值后，由于骨料的级配得到改善且砂子堵塞透水混 凝土孔隙的几率增大，从而导致透水系数下降。从表 2 中还可以看出，透水混凝土的 28 d 抗压强度随体积砂 率的增加先增大后减小，体积砂率为 5%时，28 d 抗压强度最高， 体积砂率超过 15%时，28 d 抗压强度值下降明显。在胶结材料用 量较大时，即使部分胶凝材料被砂子取代，骨料的表面也能被浆 体充分包裹，颗粒之间仍能形成较强的胶结层，且砂子在混凝土 中也提高了混凝土的整体刚度，因此透水混凝土的强度有所增高； 但是，当体积砂率超过一定值时，使用的胶凝材料相对减少，胶 凝材料的量不足以在骨料的颗粒之间形成足够厚的浆体，使混凝 土内部的胶结性能降低，因此混凝土的强度开始下降。由试验结果可知，“体积砂率”对透水混凝土的强度具有重 要的影响，在透水混凝土的配合比设计中引入“体积砂率”这一 参数，对透水混凝土中掺用砂子时配合比设计具有重要的指导 意义。本试验中最佳体积砂率为 5%，且体积砂率不宜超过 15%。对于不同的水泥用量及石子级配，体积砂率的取值不同，表 3 给出了经过试验研究得到的砂率取值表。表 3透水混凝土配合比设计体积砂率取值表%碎石级配3初始水泥用量（/kg/m）/mm30035035040040045051010152010201010153 配合比设计步骤对 CJJ/T 1352009透水水泥混凝土路面技术规程中配 合比设计方法进行完善，引入“骨料粒径与级配”和“体积砂率”两个设计参数，配合比设计步骤如下：（1）根据透水混凝土的设计强度选择合适的粗骨料的粒径与级配、水胶比。配制强度等级较高的透水混凝土可选用粒径为510 mm 的碎石，配制强度等级较低的透水混凝土可选用粒径为1020 mm 的碎石；水胶比可根据实际经验在 0.250.35 之间选择。 （2）根据设计的透水系数 v（mm/s）和式（3）计算出透水混凝土的设计孔隙率 R（%），m、n 为回归系数。v=mRn（3）（3）根据粗骨料的紧密堆积密度 （kg/m3）按式（4）计算出G粗骨料的用量 W（kg/m3）， 为骨料修正系数（通常取 0.98）。GWG=G（4）（4）根据孔隙率 R（%）和水胶比 a（W /W ）按式（5）、（6）计W1C1算出初步水泥用量 W （kg/m3）和用水量 W （kg/m3），其中 为C1W1G粗骨料表观密度（kg/m3），C 为水泥的表观密度（kg/m3）。a=WW1/WC1（5）R=1- G/G- WW1/1 000-WC1/C（6）（5）在表 3 中，根据初步水泥的用量 W （kg/m3）及粗骨料C1的级配选择体积砂率 S（%），根据式（7）（9）计算砂的用量TW（kg/m3）、实际水泥用量 W（kg/m3）及用水量 W （kg/m3），其SCW中 S 为砂紧密堆积密度（kg/m3）。WS=WC1/CSTS（7）W =W （1-S）（8）CC1TWW=WCa（9）（6）根据各材料的计算用量进行试拌，加入适量的外加剂W（Jkg/m3），外加剂的用量可根据透水混凝土拌合物的表面浆体 包裹情况进行调整，当透水混凝土表面具有金属光泽且经振动后浆体不堆积为宜。（7）根据试拌情况调整各材料的用量，确定最终配合比：水泥水砂石子减水剂 =WCWWWSWGWJ4 配合比设计试验设计强度等级为 C30，透水系数3 mm/s 的透水混凝土，配合比设计步骤为：（1）因为所要配制的透水混凝土强度较高，因此选择级配为 510 mm 的碎石，每立方米混凝土的碎石用量为 WG=1 530 0.98=1 499 kg/m3。（2）透水系数3 mm/s，由公式计算得到设计孔隙率为 R=19.5，即设计孔隙率为 19.5%。（3）选择水胶比为 0.3，根据式（5）、（6）计算得到初始水泥用量 WC1=420 kg/m3。（4）石子选用 510 mm 碎石，初始水泥用量为 420 kg/m3，因此根据表 4 选择体积砂率为 15%，根据式（7）、（8）、（9）计算得到砂的用量 WS=56 kg/m3，水泥用量 WC=357 kg/m3 及用水量WW=107 kg/m3。（5）根据经验并在实验室试拌，确定减水剂的用量 WJ= 2.32 kg/m3。（6）另选择 0.27、0.33 两个水胶比，按照上述步骤进行配合比设计，透水混凝土配合比及试验结果见表 4。111表 4透水混凝土配合比及试验结果3透水系数 抗压强度 /MPa编号原材料用量（/kg/m）水胶比水泥 石子 砂 水 减水剂（/mm/s）7 d28 dP13571 499561072.320.302.9126.730.4P23741 499591012.620.271.8328.534.3P33401 499531122.040.333.3723.626.5从表 4 中可以看出，采用本文的配合比设计方法可以较为简单、有效的配制出满足设计要求的透水混凝土，透水混凝土拌合物及成型试块见图 4。图 4 透水混凝土的拌合物及成型试块5 结论（1）设计孔隙率与透水系数存在指数函数关系：v=6.142 6910-4R2.860 1，在进行透水混凝土的配合比设计时，可以根据设计要求的透水系数计算出设计孔隙率。（2）粗骨料的级配与粒径对透水混凝土的性能有显著影响，粒径较小的粗骨料配制的透水混凝土强度较高，但透水系数相应降低。为保证透水混凝土的设计强度，应当选择合适的骨料级配与粒径。（3）在透水混凝土中掺入适量体积的砂子会提高混凝土的抗压强度而不降低其透水性能，对于不同的水泥用量及骨料级配，应选择合理的体积砂率。（4）试验证明，以设计孔隙率、水胶比、骨料粒径与级配和体积砂率为设计参数的透水混凝土配合比设计方法能够配制出满足设计要求的透水混凝土，可有效的指导透水混凝土的配合比设计。参考文献：1 杨善顺.环境友好型混凝土-透水混凝土J.广东建材，2004（10）：36-39.2 MEHTA P K.Concrete：microstructure，properties and materialsM.3rd ed.New York：MeGraw Hill，2005.3 PARK S B.An experimental study on the water-purification properties of porous concreteJ.Cement and Concrete Research，2004，34（2）：177-184.4 王海燕，刘华章.混凝土透水砖的配合比设计、生产和施工J.新型建 筑材料，2007（7）：27-29.5 蒋正武，孙振平，王培铭.若干因素对多孔透水混凝土性能的影响J.建筑材料学报，2005，8（5）：513-519.6 吴冬，刘霞，吴小强，等.成型方式和砂率对透水混凝土性能的影响J.混凝土，2009（5）：100-103.7 石云兴，张涛，霍亮，等.透水混凝土的制备、物理力学性能及其工程 应用C/两岸四地高性能与超高性能混凝土学术交流会论文集，2010.作者简介： 徐仁崇（1982-），男，工程师，硕士，主要从事高性能混凝土 及新型建筑材料的研究开发工作。联系地址： 厦门市同安区新民镇凤岭路 760 号（361100）联系电话： 0592-71921994444444444444444444444444444444444444444444行业资讯中集凌宇开展“夏日送爽”全国售后服务巡访活动为倾听客户心声，解决客户困难，收集市场信息，推广精英产品，6 月 28