1透水混凝土强度性能研究-殷明伟.doc

透水混凝土强度性能研究殷明伟摘 要：透水混凝土是一种新型环保型混凝土，可用于轻型道路和生态护坡中，它具有改善城市土壤环境、缓解城市热岛效应、减轻排水系统负担、改善道路行驶环境和降低行车噪声等优点。透水混凝土的诸多优点使它的应用日益广泛，对它的研究也不断深入。通过透水混凝土的细观数值模拟研究，对揭示透水混凝土的破坏过程、破坏机理和指导透水混凝土结构的优化设计，具有重要的理论意义和工程实用价值。首先，通过试验研究了透水混凝土的部分基本物理性能，测量了不同粒径骨料和不同试件厚度的抗压强度、抗折强度和透水系数，分析了骨料粒径和试件厚度对透水混凝土性能的影响，为透水混凝土的细观数值模拟提供参考和依据。再次，采用损伤理论和最大拉应变破坏准则，对透水混凝土有限元模型进行抗压和抗折细观数值模拟。基于弹性损伤本构关系，采用双折线损伤模型描述透水混凝土细观各相的损伤退化，以弹性模量的折减来反映模型加载过程中的损伤和破坏。通过应力应变关系曲线确定模型的极限承载力，模拟研究了透水混凝土裂纹的扩展、贯通以及最后破坏的过程和特点。最后，对透水混凝土的抗压和抗折进行了参数化模拟分析，研究了试件厚度、骨料粒径、骨料形状、加载方式和孔隙率等因素对透水混凝土抗压和抗折性能的影响。关键词：透水混凝土，随机骨料模型，损伤演化，参数化分析IIITongji University Master Dissertation AbstractABSTRACTPervious concrete is a kind of environmentally-friendly concrete with continuous porosity mixed with special technology. It possesses many advantages that improves city environment such as: improving soil environment for plant growth, easing the urban heat island effect, reducing the burden of drainage system, improving the environment for the pavement and reducing the traffic noise, and so on. Pervious concretehas increasingly and widely been applied, and the research also gradually goes in-depth. Throughmesoscopic simulation on pervious concrete, it is of important theoretical significance and engineering practical valueto reveal the pervious concrete failure process and mechanism, as well as to optimize the design of pervious concrete structure.Firstly, experiments on the basic physical properties of pervious concrete were carried out to determinethe compressive strength, modulus of rupture and permeationcoefficientof specimenswith different aggregate sizes and specimen thicknesses, which provides basis for mesoscopic simulation analysis of pervious concrete.Secondly, numerical simulations were carried out with meso-mechanics damage theory and the maximum tensile strain criterion, which simulated the compressive and flexural of pervious concrete. The decrease of elastic damage of pervious concrete is described by the conduplicate-line damage evolvement model based on elastic damage constitutive relation, and the degree of damage of concrete specimen is reflected by the degree of decreasing of elastic-modulus. The process and characteristics of pervious concrete crack propagation, coalescence and failure of perviousconcrete are researched.Thirdly,parameterized simulation analysis of pervious concrete compressive and flexural are studied, which do research the influence of specimens thickness, aggregate size, aggregate shape, loading mode and the porosity on the compressive and flexural properties.Key Words:PerviousConcrete, Random Aggregate Model, Damage Evolvement, ParametricAnalysis目录第1章绪论11.1 研究背景11.2 透水混凝土21.2.1 透水混凝土的概念21.2.2 透水混凝土的分类31.2.3 透水混凝土路面31.2.4 透水混凝土路面的特点41.3 国内外研究现状61.3.1 国外研究现状61.3.2 国内研究现状71.4本文主要工作81.4.1研究目的81.4.2研究内容9第2章透水混凝土物理性能试验研究102.1 试验原材料102.1.1 水泥102.1.2 骨料102.1.3 增强剂112.1.4 试验用水112.2 试验方法122.2.1 试件成型及养护方法122.2.2 抗压强度测试方法142.2.3 抗折强度测试方法152.2.4 透水系数测试方法162.3 配合比设计182.3.1 配合比设计指标182.3.2 配合比设计原理192.3.3 配合比设计方案202.4 透水混凝土抗压试验212.4.1 试验现象222.4.2 试验结果222.4.3 试验结论242.5 透水混凝土抗折试验242.5.1 试验现象252.5.2 试验结果262.5.3 试验结论272.5.4 荷载变形曲线272.6 透水混凝土透水试验29第3章结论与展望313.1 结论313.1.1 试验结论313.1.2 测试数值结论313.2 展望32参考文献33第1章绪论1.1 研究背景随着经济的发展和城市建设步伐的加快，现代城市的地表不断被建筑物和水泥、沥青、砖石等不透水硬化地面覆盖。据资料介绍，我国城市道路的覆盖率已达到7%15%，便捷的交通设施，尤其是混凝土铺筑的道路给人们的出行及商品的流通带来了极大的方便，提高了生产效率和生活质量。我国城市的人行道、自行车道、公园、庭院及公共广场的路面材料仍以不透水的石板材和混凝土为首选1。虽然这种路面铺装简单，成本低廉，但给城市的生态环境带来一系列负面的影响，主要表现在以下几个方面：影响城市防洪2。当短时间内集中降雨时，由于大量雨水不能及时渗入地表，只能通过排水设施流入河流，这将大大加重排水设施的负担。当降雨量超过排水设施的排泄能力时，则易造成洪水泛滥、道路淹没、交通瘫痪等社会问题。雨水资源得不到有效地利用3。这种不透水的路面使渗入地下的雨水明显减少，降水大部分通过城市的排水系统排出，使城市的地下水得不到应有的补充。而高度发达的工业生产和日益丰富的现代化生活使地下水的抽取量成倍增长，这势必造成城市地下水位急剧下降。土壤中水分不足、缺氧、地温升高等因素，严重影响了地表植物的正常生长，使城市绿色植物减少；特别是古树林立的公园及旅游景点，不透水不透气的混凝土广场、停车场和道路路面，给珍贵的古树造成很大危害。加重了雨水对当地水体的污染。雨水夹杂着大量的城市污染物通过雨水排放管道进入当地的自然水系，使这些湖泊和河流受到严重污染。 影响了城市的环境。这种表面致密的路面很难与空气进行热量和水分的交换，使城市地表空间温度、湿度等气候条件的调节能力下降，加重了城市的热岛效应，使城市气候环境恶化，如图1. 1所示。城市热岛效应是指城市中的气温明显高于外围郊区的现象。在近地面温度图上，郊区气温变化很小，而城区则是一个高温区，就像突出海面的岛屿，由于这种岛屿代表高温的城市区域，所以就被形象地称为城市热岛。图1. 1城市的热岛效应（图片来源：百度图库）基于上述问题，在人类寻求与自然协调、维护生态平衡和可持续发展的思想指导下，人们提出一种能减轻环境负担、与自然环境协调共生，能为人类构造舒适生活环境的新型建筑材料透水混凝土。1.2 透水混凝土1.2.1 透水混凝土的概念透水混凝土是一种有较多连通孔隙的多孔混凝土，是由单一级配骨料、胶凝材料、水及添加剂等拌和成混合料，再经特殊工艺制成的非封闭的多孔的混凝土或制品。其表观密度低于普通混凝土，一般为16002100 kg/m3，28天抗压强度为1040MPa，抗折强度为27MPa，透水系数为120 mm/s，有效孔隙率为18%22%4。其特点是骨料表面包覆薄层胶凝材料，由此形成孔穴均匀分布的蜂窝状结构，如图1. 2所示。透水混凝土内部含有很大比例的连通孔隙，且多为直径超过1 mm的大孔。在雨天或路面积水时，水能沿着这些贯通的孔隙通道顺利渗入地下，因此具有良好的透水性和透气性，如图1. 3所示。图1. 2透水混凝土的结构模型图1. 3透水效果1.2.2 透水混凝土的分类根据材料不同，目前用于道路和地面的透水混凝土主要有四种类型2：水泥透水混凝土以较高强度的硅酸盐水泥为胶凝材料、采用单一级配的粗骨料、不用或少用细骨料配制的透水混凝土。这种混凝土一般采用较高标号的水泥，集灰比为 3.04.0，水灰比为 0.30.35。其优点在于施工方便、成本较低、强度高、耐久性好，可用于人行道、广场、小区道路、园路等区域。但由于孔隙较多，改善和提高强度、耐磨性、抗冻性是技术难点。 沥青透水混凝土以沥青为胶凝材料、用单一级配骨料配制的透水混凝土。这种透水混凝土强度高，但成本相对较高，且在大气环境的作用下容易老化，在夏季高温下容易软化，从而影响其透水性。沥青透水混凝土一般用于普通市政道路的铺设。 树脂透水混凝土以树脂作为胶凝材料，与石子拌合而成的透水混凝土。其使用的胶凝材料一般是透明的，可以露出石子本色。当石子采用经过特殊工艺加工的彩石时，可以制成图案各异、整体效果美观漂亮的路面。但树脂价格高，因此路面价格较高，而且不耐老化，强度低，适用于小范围的装饰性路面或家居的地面。 树脂改性水泥基透水混凝土添加了有机增强剂（如环氧树脂）的透水混凝土。基本组成与水泥透水混凝土一样，但增强剂的添加提高了混凝土拌合物的工作性，尤其是粘聚性。研究表明，环氧树脂虽然能显著提高透水混凝土强度，但同时会降低其透水性。且树脂是有机材料，在阳光照射等自然使用环境下，其耐久性有待进一步的研究。1.2.3 透水混凝土路面透水混凝土是一种内部含有很大比例贯通性孔隙的多孔混凝土，按实际使用情况，透水混凝土可分为两大类：一类是直接摊铺在路基上的透水性混合料，经压实、养护等工艺构筑而成的透水混凝土路面；另一类是由透水混凝土拌合物经特定工艺和模具压制成型的混凝土制品，然后将它们铺装在透水性路基上，称作透水性铺装。本文研究的主要是第一类，即透水混凝土路面。透水混凝土路面的铺筑必须有与之相配套的路基，以保证透过路面的雨水能暂时储存，然后进一步排放。与传统的封闭型路基结构相比，透水混凝土路基是开放式的，典型的透水混凝土路面结构示意图见图1. 4。图中的碎石层作为储水层，要求碎石达到一定的压碎值和密实度，其厚度由当地雨量决定，一般为100 mm 200 mm；基层透水混凝土作为主要受力层传递路面荷载，要求具有一定的强度和透水性，其厚度由路面设计荷载决定，一般为60 mm120 mm；饰面透水混凝土作为饰面层直接与路面荷载和大气接触，要求其不仅具有较好的强度和透水性，还应具有一定的耐久性，其厚度一般为20 mm30 mm。图1. 4透水混凝土路面结构示意图1.2.4 透水混凝土路面的特点如果设计方法恰当、施工认真负责，透水混凝土路面将具有较好的承载力和较长的使用寿命。作为一种新型的环境友好型路面，透水混凝土路面与传统密实混凝土路面相比具有以下优点25： 改善城市植物生长的土壤环境透水性路面能够使雨水迅速地渗入地表，补充地下水，保持土壤湿度，改善城市地表植物和土壤微生物的生存条件。透水混凝土路面，可以增加城市中土壤与环境的水气交换，使土壤有效养分含量明显增加，还能提高土壤养分的利用率和土壤含水率、改善水分供应状况，节约灌溉用水。此外还能降低土壤温度、盐分含量和 pH 值等。缓解城市热岛效应透水混凝土路面具有与外部空气及下部垫层相连通的多孔构造，其下垫层土壤中丰富的毛细水在太阳辐射作用下的蒸发蒸腾，能提高近地面的相对湿度并降低地表温度，这对于改善和缓解城市“热岛现象”、减轻其对园林绿化树木的危害都能起到良好的作用。研究表明6，使用透水混凝土，路面表层平均和最高温度比传统密实混凝土路面分别低1.8和7.8，见表1. 1和图1. 5。表1. 1路面路表温度统计路面材料最大值最小值平均值标准差沥青56.719.636.511.7透水混凝土48.921.734.78.2遮盖后的普通混凝土44.418.730.57.5注：单位为图1. 5路面路表温度分布对比 减轻排水系统负担透水性路面作为一种新型路面，通过渗透和储存雨水，可以减少路面积水、路表径流和进入排水系统的径流量，减轻城市排水系统的压力和地面径流造成的污染。研究表明56，使用透水性沥青路面可使洪峰流量减少80%，透水混凝土路面由于自身良好的透水能力，使径流曲线平缓，峰值降低，有效缓解了城市排水系统的泄洪压力，有利于城市防洪。 改善人行道的环境当集中降雨时，能够减轻排水设施的负担，防止路面积水造成的夜间反光，提高车辆和行人的通行舒适性与安全性。同时，落在透水性路面上的雨水很快通过孔隙渗透，可以分散车轮下方的压力和流量，这样车轮下方不可能在表面水膜中产生静水压力，并且排除了车轮滑行的可能性，在此情况下，车轮与路面之间的摩擦系数与干燥情况下的摩擦系数几乎相等。 降低行车噪声3大量的孔隙能够吸收车辆行使时产生的噪音，创造安静舒适的交通环境。在透水混凝土孔隙率大于25%的情况下，能取得很好的噪声降低效果。选用厚度80 mm的透水混凝土面层时，在对人类耳朵特别敏感的8001600Hz范围内，透水混凝土面层行车噪声吸收率高达80%，如图1. 6所示。图1. 6透水混凝土的吸声降噪1.3 国内外研究现状1.3.1 国外研究现状由于透水混凝土具有诸多生态方面的优点，在人类寻求与自然协调、维护生态平衡和可持续发展的思想指导下，欧美和日本等发达国家在20世纪20年代便有研究透水混凝土材料的报道。随着经济技术的发展和地球生态环境的恶化，从20年代80年代开始，透水混凝土被大量应用于广场、步行街、道路两侧、中央隔离带、公园道路和停车场等区域，以增加城市的透水透气能力，调节城市微气候和保持生态平衡。目前对透水混凝土的研究主要集中在试验研究，包括配合比参数设计、施工和维护等方面。美国是较早把透水混凝土用于路面工程的国家，南伊利诺伊大学的Ghafoori把透水混凝土分为三类7：多孔混凝土、轻质混凝土和无细骨料混凝土（或称间断级配混凝土）。其中，多孔混凝土是在水泥砂浆中加入发泡剂，使之发生化学反应以产生许多气孔，从而达到透水透气的目的；轻质混凝土是用天然或人工多孔骨料、水泥和水等拌制而成；无细骨料混凝土是在普通混凝土的基础上剔除细骨料，形成的间断级配混凝土。而这三类透水混凝土的最大区别在于孔隙结构的不同：前两种透水混凝土中，非连通孔隙占有很大比例；而无细骨料混凝土中的孔隙，主要是可以使水分快速透过的连通孔。通常来说，透水混凝土是指无细骨料混凝土。澳大利亚南澳大学的Lian8和美国南伊利诺伊大学的Ghafoori 12研究指出，直接影响透水混凝土强度的不是用测液法测量出来的有效孔隙率，而是结构的总孔隙率，即连通孔和闭合孔之和。而Lian通过试验指出，有效孔隙率和总孔隙率有直接的对应关系。美国华盛顿的Tosomeen研究了透水混凝土路面的性能，指出13相同条件下碎石骨料透水混凝土的强度要高于卵石的；对于透水混凝土路面设计，应同时考虑两个方面，即雨水管理和结构强度。其中雨水管理包括透水性和蓄水能力，结构强度包括负荷能力和耐久性。对于透水性要求，应保证路面在设计基准期内的透水系数大于当地降水量峰值；而蓄水能力设计取决于当地的降雨量和基层土的渗透系数，降雨量越大、土的渗透系数越小，则要求透水混凝土路面的蓄水能力设计的越大。此外，由于透水混凝土路面边缘在荷载作用下有侧移的趋势，所以其边缘区域是薄弱区。此外，为推广透水混凝土路面在寒冷冻融地区的使用，国外已经着手研究其耐久性，如抗腐蚀和抗冻融破坏等。因为工程实践的需要，国外关于透水混凝土路面的堵塞和堵塞后透水系数的恢复方法，也有很多的研究。1.3.2 国内研究现状透水混凝土是一种新型生态友好型路面材料，它的许多性能和施工设计技术有待研究，国内研究人员对透水混凝土已经作了一定的研究工作，但仍处于研究开发等起步阶段。在我国，混凝土透水砖是一种最早的透水性路面材料。20世纪90年代，在南京、北京等城市的公园道路、市政人行道都有大面积的使用，并且出台了行业标准透水砖，对透水砖的推广起到了积极的作用。近些年，透水混凝土路面正在被越来越多的人所了解和接受，并成功应用于国内的多项重点工程之中。如北京奥林匹克森林公园中心区，北京工业大学体育馆(北京奥运会羽毛球和艺术体操比赛场馆)，济南奥体中心和郑州国际会展中心，上海世博会园区等，均得到了社会各界对此环境友好型生态材料的高度赞扬。近几年，国内的一些科研院所和大学开展了许多透水混凝土的研究工作。清华大学的杨静17在国外研究成果的基础上，通过加强水泥浆强度和粘结性达到增强透水混凝土强度的目的。采用较小粒径的骨料，可以增加骨料和水泥浆的接触面，从而提高水泥浆的强度；通过添加矿物添加剂和有机纤维，可以提高水泥浆体的粘结强度，使透水混凝土内的微裂缝尺寸从550m降到0.10.2m。研究结果表明，当骨料粒径为510 mm时，同时掺加高效减水剂和活性二氧化硅（俗称硅粉）时，可使透水混凝土抗压强度达到35 MPa，同时相应的透水系数为2.9 mm/s；当骨料粒径为35 mm时，使用2 MPa的压实功，可使抗压强度和透水系数达到57.2 MPa和1.7 mm/s。可见减小骨料粒径和掺加添加剂对混凝土强度有很大的提高。当路面采用面层+基层的形式时（面层粒径35 mm、基层粒径510 mm），组合路面的抗压强度可达到56.2 MPa，透水系数为2.9 mm/s。这种路面形式有利于增强路面强度和减少透水混凝土路面的堵塞。同济大学的蒋正武18研究了骨料粒径、集灰比、水灰比、外加剂及搅拌工艺等对透水混凝土孔隙率、透水系数和抗压强度等性能的影响。结果表明：骨料粒径和集灰比是影响透水混凝土孔隙率、透水系数和抗压强度的关键因素；水灰比对透水混凝土的透水性能影响较小；减水剂、硅粉和聚合物乳液等外加剂可改善透水混凝土的性能；水泥裹石法搅拌工艺对透水混凝土的透水系数影响不大，但能使其抗压强度提高、孔隙率下降。浙江建设职业技术学院的姜健19测定了透水混凝土在不同配合比下的透水系数，研究了孔隙率、水泥用量和骨料粒径对透水混凝土透水性能的影响，指出透水混凝土的透水系数随孔隙率的增大而成增大的趋势，随水泥用量的增大而成减小的趋势，随骨料粒径的增大而成减小的趋势，但均非线性关系。沈阳建筑大学的张巨松20和陕西理工学院的孟宏睿21分别研究发现：成型密实方法对透水混凝土强度及体密度有一定影响，透水混凝土的强度及体密度随锤击次数的增加而增大，当达到18次后，透水混凝土的强度和体密度开始趋于平稳；透水混凝土的强度随着砂率的增加而增大，为了保证其透水能力，砂率为20%时，强度可达到30 MPa以上，透水系数不低于5mm/s；当水泥用量不变时，透水混凝土的强度随着水灰比的增大，先增大后平缓，存在最佳的水灰比范围。张巨松22还从透水混凝土路面整体结构出发，研究了几种典型透水路面的构造形式和蓄水型基层厚度的计算方法，并提出透水混凝土路面渗透土基应具备的条件：较高的渗透性；饱水状态下冻胀小；满足承载力要求，且饱水状态承载力损失小。透水混凝土的吸声效果可用吸声系数（即材料表面吸收的声能与入射的声能的比值）来表示，吸声系数的大小与材料的孔隙率、粗骨料级配、试件厚度等及频率有关。朱春银等人27深入研究发现，随着孔隙率的增大，透水混凝土的吸声系数峰值对应的共振频率向高频发展，综合平均吸声系数逐步增加；在孔隙率相近的情况下，随骨料粒径的增加，其综合平均吸声系数有降低的趋势；在孔隙率、粗骨料级配相同的条件下，试件厚度越小，其吸声系数峰值所对应的共振频率越高。中南大学的陈瑜28研究表明，透水混凝土的多孔结构导致试件在自由振动过程中的能量损失加大，振动衰减较快；多孔结构还使轮胎压缩变形处空气释放的能耗增大从而使多孔表面利于轮胎压缩变形，达到吸声降噪的效果。1.4本文主要工作1.4.1研究目的作为一种新型生态友好型建筑材料，透水混凝土的应用日益广泛，对它的研究也逐渐深入。由于透水混凝土孔隙率大，试验数据一般比较分散，因此需要大量的试验才能得到有效的结果，这既费时费力，又耗材费钱。随着计算机技术和有限元分析软件的发展，对透水混凝土进行数值模拟分析成为研究趋势。本文的研究目的是在前人对透水混凝土力学性能研究工作基础上，通过二维透水混凝土随机骨料模型的建立和细观损伤破坏过程的研究，揭示透水混凝土抗压抗折试验的破坏机理；并通过参数化分析研究影响透水混凝土力学性能的主要因素，以期为今后透水混凝土路面的设计和应用提供参考。1.4.2研究内容透水混凝土试件的制备在相同孔隙率和配合比的条件下，制备不同骨料粒径、不同厚度的透水混凝土抗压抗折试件，了解透水混凝土的特性和试件的制备养护过程。 透水混凝土的力学性能根据已有的研究结果，研究不同厚度、不同骨料粒径透水混凝土的力学性能，并总结出试件厚度和骨料粒径对透水混凝土力学性能的影响。 透水混凝土的透水系数通过查阅文献和参考相关试验标准和规范，测定透水混凝土的透水系数，并总结出试件厚度和骨料粒径对透水混凝土透水性能的影响。35第2章透水混凝土物理性能试验研究2.1 试验原材料透水混凝土是由骨料、胶凝材、化学添加剂和水等拌制而成的一种多孔混凝土。因此选择试验原材料时主要考虑骨料种类和粒径，胶凝材种类及其组成成分，以及外加剂性能等。2.1.1 水泥本文试验选用的胶凝材是水泥。研究表明1，透水混凝土的细骨料用量少或没有，可以将其看作粗骨料与水泥浆体胶结而成的多孔堆聚结构。由于骨料的强度远远高于水泥浆体的强度，因此水泥石与骨料粘结界面是透水混凝土中最薄弱的环节，破坏也往往发生在粘结界面层，可见水泥的活性、品种、数量决定透水混凝土的强度。所以，透水混凝土应采用强度较高、混合材料掺量较少的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，水泥强度等级最好在42.5级以上。水泥的用量以能在骨料表面形成约0.51.0mm厚的均匀水泥浆膜为宜，并以采用最小水泥用量为原则。本研究采用52.5#硅酸盐水泥，其物理力学性能见表2. 1。表2. 1水泥物理力学性能烧失量(%)初凝时间(min)密度(kg/m3)3d抗压强度(MPa)2.51170315032.2氧化镁(%)终凝时间(min)比表面积(m2/kg)3d抗折强度(MPa)1.312053566.3不溶物(%)三氧化硫(%)安定性氯离子(%)0.772.52合格0.007注：表格资料由水泥厂家提供。2.1.2 骨料透水混凝土使用级配不连续或单一级配的骨料，使堆积骨料中含有大量的孔隙，实现混凝土的透水性。骨料是透水混凝土的骨架，包括普通骨料和特种骨料。普通骨料包括普通砂和碎石，而特种骨料包括人造骨料（如废弃建筑物的碎砖、混凝土）和天然骨料（浮石、陶粒等轻骨料）。骨料粒径的大小，应视透水混凝土结构的厚度和强度而定。通常骨料的粒径不宜过大，大于 20mm 的骨料应控制在5%以内，最大粒径不宜超过 25mm，细骨料含量也不宜太大。研究资料表明54，骨料粒径越小，则骨料堆积孔隙率越大、颗粒间的接触点越多，配制的透水混凝土强度也就越高。透水混凝土的颗粒级配是决定其强度和透水性的主要因素之一。为了保证透水混凝土的强度及透水功能，粗骨料通常采用粒径较小的单一粒级，如1020mm，510mm或47mm。对碎石粗骨料，除应满足强度和压碎指标的要求外，碎石中针片状颗粒总含量不宜大于 15%，且石子的含泥量（包括含粉量）应不宜大于 1%。本研究使用的骨料为玄武岩，其性能指标见表2. 2。表2. 2骨料的性能指标序号粒径(mm)表观密度(kg/m3)堆积密度(kg/m3)紧密密度(kg/m3)压碎值指标(%)堆积孔隙率(%)紧密孔隙率(%)151029601610174010.745.641.22472640143015701845.840.5注：表格资料由上海嘉洁环保工程有限公司技术部提供。2.1.3 增强剂透水混凝土除了采用骨料、水泥、水这三种基本材料外，通常还掺入一定量的外加剂。添加一定量的增强剂，有助于提高水泥与骨料间的界面强度；添加一定量的减水剂，有助于改善混凝土成型时的和易性并提高强度。为了使路面更美观，通常添加一定量的着色剂；添加一定量的消石灰可增加水泥浆的黏性，提高施工时面层的平整度，另外其碱性对酸性雨有中和的作用，能提高混凝土的耐久性。冬季施工时可以酌情采用硫酸钠、氯化钙等早强剂，以加速混凝土的硬化。根据需要本研究外加剂仅使用了增强剂，使用的是上海嘉洁环保工程有限公司自行研制生产的LDA透水混凝土增强剂，其相关参数见表2. 3。表2. 3增强剂LDA的性能指标含水率(%)外观冻结温度()高温稳定性低温稳定性粘度(MPas)PH56.5乳白-10良好良好28005.2注：表格资料由上海嘉洁环保工程有限公司技术部提供。2.1.4 试验用水透水混凝土用水主要用于拌合混凝土，保证水泥的水化反应。为此试验用水应满足混凝土用水标准（JGJ632006）的要求，见表2. 4。表2. 4试验用水要求项目PH值不溶物(mg/L)可溶物(mg/L)碱含量(mg/L)要求4.520005000100020001500注：碱含量按计算值来表示，采用非碱活性骨料时可不检验。本研究对试验用水要求不高，可采用自来水。2.2 试验方法2.2.1 试件成型及养护方法本试验试件的成型方法是两次加料法，即先将称量好的骨料和水泥加入搅拌器中搅拌10 s，然后将称量好的水和增强剂混合物加入搅拌器，再搅拌90 s。本试验混凝土拌合物采用0.06 m3立式强制式搅拌器搅拌（见图2. 1），标准抗压抗折试件采用标准钢模成型，而非标准尺寸试件采用在标准钢模中插入若干10 mm厚钢板进行填塞的方法达到设计厚度，见图2. 2、图2. 3和图2. 5。由于制作试件时的不可控因素，试件顶面不平整。为准确测量试件的力学性能，试验时的受力面应选择试件的侧面。图2. 1立式强制式搅拌器图2. 2 10 mm厚填塞钢板图2. 3抗压试件钢板填塞示意图图2. 4平板振动器图2. 5抗折试件钢板填塞示意图试件成型时分两次装模：第一次加料一半，用直径为16 mm的捣棒插捣，插捣次数与混凝土拌合物质量成正比（标准抗压试件为25次，标准抗折试件为90次）；第二次加料到计算质量后，用平板振动器振动约10 s（见图2. 4）。在选用振动器时应注意，由于透水混凝土中的水泥浆量有限（只够包裹骨料颗粒），因此在浇注过程中不宜采用强烈振捣或夯实。一般用平板振动器低频轻振，铺平透水混凝土混合料即可。若使用高频振动，会使混凝土过于密实而减少孔隙率，并影响透水效果；同时高频振动也会使水泥浆体从骨料表面离析出来，流入底部形成一个不透水层，使材料失去透水性。透水混凝土拌合物属于干硬性拌合物，因此振捣完成后试件一般呈现中间高四角低的岛形。为此应该使用抹刀或拍板进行人工拍实，使得试件表面平整、四角饱满（见图2. 5）。混凝土拌合物搅拌出料后，为防止水分丢失严重影响实际配合比和试件性能，试件成型时间应控制在20分钟。如果条件允许，应在温度湿度可控的密闭空间操作完成。由于透水混凝土存在大量的孔隙，易失水、干燥快，所以养护非常重要。尤其是早期养护，要注意避免混凝土中水分的大量蒸发。由于模具中的试件顶面暴露在空气中，为减少水分蒸发可用塑料薄膜及时覆盖表面，以保证试件湿度和水泥的水化反应（见图2. 6）。透水混凝土应在浇注后每隔8小时进行洒水养护，若遇到干热天气，洒水间隔可以相应减小以免过早失水。洒水养护时，应在0.61.0m远处用散射水喷洒，防止淋水时水压过大冲刷混凝土表面，带走水泥浆造成薄弱部位。试件成型后24小时拆模（冬天可以延长到48小时），之后放入标准养护室中养护，见图2.6。养护室温度设定为 203，湿度为95%以上。图2. 6试件拆模前的薄膜保护图2. 7标准养护室示意图2.2.2 抗压强度测试方法透水混凝土主要用于铺设路面，因此本试验参照建材行业标准51混凝土路面砖（JC/T 446-2000）测定试件的抗压强度，并采用TYE 2000型压力试验机进行加压。由于试件厚度不同，为使数据具有可比性，在试件受力面表面加垫压板（见图2. 8）。对于不同厚度试件，垫压板尺寸不同，见表2. 5。表2. 5抗压试验垫压板尺寸试件厚度垫压板尺寸长度厚度601206090200100120240120150无本研究每组试验试件数量为6块，试验步骤为： 试件从养护地点取出后应及时进行试验，将试件表面的粘渣和毛刺清除，并擦拭干净垫压板和试验机下承压板；将试件放置在试验机下承压板的中心位置，然后将垫压板放在试件的上表面中心对称位置。开动试验机，当上压板与垫板接近时，调整球座使接触均衡；在试验过程中应连续均匀地加荷，加荷速度为0.3MPa/s。当试件接近破坏而迅速变形时，停止试验机油门，直至试件破坏。试件破坏后，立即关闭进油阀门，并打开回油阀门，取出破坏试件。记录破坏荷载，按式（2.1）计算试件的抗压强度，精确到0.1 MP a。（2.1）式中：试样的抗压强度，单位为MPa；试验所加极限荷载，单位为N；试件与垫压板的接触面积，单位mm2。试件中若有测值与平均值的差大于平均值的20%，则舍弃该测值，取其他测值的平均值作为这组试件的结果。 (a) 压力试验机 (b) 抗压试验示意图 (c) 抗压试验破坏图图2. 8抗压试验2.2.3 抗折强度测试方法本试验参照国家标准普通混凝土力学性能试验方法标准52（GB/ T 50081-2002）测量试件的抗折强度。试验在液压万能压力机上进行，采用三分点加载（见图2. 9）。本研究每组试验试件数量为6块，试验步骤为： 试件从养护地取出后应及时进行试验，将试件表面的粘渣和毛刺清除；按图2. 9放置试件，安装尺寸偏差不得大于 lmm，试件的承压面应为试件成型时的侧面。为了防止试件破坏时的混凝土碎料进入仪器，可在试件底部放置塑料薄膜；施加荷载应保持均匀、连续。使用力加载，加载速度为200N/s，直至试件破坏，记录破坏荷载；记录试件破坏荷载的试验机峰值和试件下边缘断裂位置，导出荷载变形曲线数据以备处理。按式（2.2）计算试件的抗折强度，精确到0.01 MP a。（2.2）式中：试样的抗折强度，单位为MPa；试验所加极限荷载，单位为N；计算跨度，单位 mm，本文都取为450 mm；试件截面宽度，单位mm，本文都取为150 mm；试件截面高度，单位mm。试件中若有折断面位于两个集中荷载之外，则舍弃该试件及其结果。若有测值与平均值的差大于平均值的20%，则舍弃该测值，取其他测值的平均值作为这组试件的结果。(a) 抗折试验破坏图 (b) 抗折试验示意图图2. 9抗折试验2.2.4 透水系数测试方法本文的研究重点是透水混凝土的力学性能，因此透水系数的测定不必非常精确。本试验测定了所有抗压试件的透水系数，使用的仪器是上海嘉洁环保工程有限公司提供的路面透水仪。路用透水仪的构造路用透水仪的尺寸和构造如图2. 10所示，上部盛水量筒由透明有机玻璃制成，容积2000ml，管径为70 mm，量筒上有刻度，分辨率为2ml，在0ml及2000ml处有粗标线。量筒下部与顶板采用螺纹连接，量筒下部设密封垫圈防止漏水。顶板下方通过直径40 mm的细管与底座相接，中间有一球阀开关。底座下方内径80 mm，外径150 mm，仪器附配重铁圈四块，每块重约 2.5kg。(a) 路面透水仪 (b) 透水仪结构图 (c) 透水试验图图2. 10透水试验试验步骤将放置于坚实平面上的试件表面清扫干净；对被测试件用水充分湿润；在被测试件顶面中心放上透水面积标准环，抹一层薄的密封材料，密封材料厚度要低于标准环高度，并用刮刀修补成内径80 mm、外径约150 mm、厚约35 mm的密封材料环；将透水仪用力压在密封材料上，使透水仪底座与密封材料环吻合，加上四块配重块，以防压力水从底座与路面间流出；关闭透水仪下方的阀门开关，向量筒内注入自来水至略低于量筒顶面；迅速将阀门完全打开，水开始从透水系数测试仪下部流出，待水面下降到0ml时，立即开动秒表，至水面下降2000ml停止秒表读数；注：测试过程中，应观察透水的情况，正常情况下水应该通过被测试件的反面及四周渗出，如水是从底座与密封材料间渗出，说明底座与被测试之间密封不好，应重新刮涂密封材料后对试件重新操作。若试验时水面下降至一定程度后基本保持不动，说明试件基本不透水或根本不透水，则在报告中注明。 按以上步骤对一种材料制作3块或以上的试件测定其透水系数，取其平均值作为检测结果。结果计算试件的透水系数按式（2.3）计算，计算时以水面从0ml下降至2000ml所需的时间为标准。每个试件测试3次，取均值作为结果。（2.3）式中：试件的透水系数，单位为ml/scm2或cm/s；第一次读数时的水量（ml），通常为0ml；第二次读数时的水量 (ml)，通常为2000ml；量筒中水的读数由变到所花的时间，单位s。(4) 特别说明从上式看出，采用路用透水仪测定透水混凝土透水系数的公式中，并没有考虑流水落差和试件厚度的影响。而从本文试验现象来看，透水仪量筒内的水并不仅从试件的底面流出，而是从试件四周和底面同时流出，这势必使测出的透水系数增大。2.3 配合比设计2.3.1 配合比设计指标设计透水混凝土的配合比时，需要考虑混凝土的强度和耐久性，并且兼顾透水性要求。为了提高强度和耐久性，普通混凝土总是设法减少孔隙率；而通过采用特殊的材料配方，透水混凝土在满足路用性能基本要求的同时，仍需保证一定的透水性。透水混凝土中孔隙的多少影响其强度，孔隙多、强度就低，反之接触点就多、强度就高。但连通孔的减少势必影响透水混凝土的透水性，有悖其设计本意。因此，透水混凝土配合比设计的指标是孔隙率和强度。孔隙率孔隙是指混凝土总体积扣除固体骨架后的剩余部分，而透水混凝土的孔隙分为三类：连通孔隙、半连通孔隙和封闭孔隙。连通孔隙是相互连通、贯穿试件上下表面的孔，这种孔是透水混凝土透水性能的保证；封闭孔隙是与其他孔隙不连通、孤立的孔隙；半连通孔隙的一端与其他孔隙连通，但另一端封闭。此外，孔隙又分为有效孔隙和无效孔隙。有效孔隙是指能通过水、缓存水的孔隙，由连通孔隙和半连通孔隙两部分组成；无效孔隙是指对透水混凝土的透水性没有益处的孔隙，即封闭孔隙。强度透水混凝土作为具有承载能力的路面材料，必须具有一定的强度。透水混凝土受力时通过骨料间的胶结点传递力的作用，由于骨料本身的强度较高，水泥凝胶层很薄，水泥凝胶体与粗骨料界面之间的胶结面积小，其破坏特征是骨料颗粒间的连接点处被破坏。因此在保证一定孔隙率的前提下，增加胶接点的数量和面积，提高胶接层的强度是提高透水混凝土强度的关键。提高胶凝材的强度主要从所使用的水泥强度等级、水灰比以及外加剂等方面来控制；提高胶凝材与骨料间的界面强度应从混凝土拌合物的粘聚性和骨料表面的洁净程度来控制。2.3.2 配合比设计原理透水混凝土的配合比设计，到目前为止还没有成熟的计算方法，国内一般采用体积法进行计算。体积法的基本思路类似碾压混凝土的填充包裹理论。碾压混凝土由液相变为固相的理想条件是：一、砂的孔隙恰好被水泥浆所填充；二、石子的孔隙又恰好被砂浆所填充，凝固后形成坚固的密实整体。根据透水混凝土所要求的孔隙率和透水的特性，可以将这个理想条件改为：集料在紧密堆积的情况下，被水泥等胶结材均匀的包裹粘结在一起，凝固后形成了多孔堆聚的结构，其剩余的孔隙变成了混凝土内部连通的孔隙。1透水混凝土的重量大约在16002200 kg之间 53。2.3.2.1 影响透水混凝土性能的主要因素(1) 骨料2,54骨料形状对透水混凝土的透水系数有重大影响，在相同骨料粒径的情况下，由碎石骨料配置的透水混凝土总孔隙率和透水系数明显大于卵石骨料配置的透水混凝土。这主要由于碎石骨料的棱角系数大于卵石骨料的，骨料的孔隙率较大，配置的透水混凝土的孔隙率变大，其中连通孔隙率也较多，所以碎石配置的透水系数也跟着提高。骨料粒径对透水混凝土的强度影响很大，当孔隙率和水灰比相同时，骨料粒径越小，透水混凝土的强度越高。因为骨料粒径越小，单位体积骨料的比表面积越大，透水混凝土结构骨架内骨料颗粒之间接触点数量就越多，总的胶结面积越大，从而提高混凝土的强度，但这必须增大单位体积的水泥用量。如果孔隙率和配合比相同，则透水混凝土的强度随骨料粒径的增大而增大。骨料粒径对透水性影响不大，因为包裹在骨料表面的水泥不会改变骨料粒径分布，只相当于增大了骨料的粒径，在水泥用量一定时，粒径小的骨料制备的透水混凝土虽然孔径较小，但孔隙数量多，因此骨料粒径对透水性影响不大。(2) 水泥试验表明，保证最佳用水量的前提下，适当增加水泥用量，能够增加骨料周围水泥浆膜层的稠度和厚度，可有效地提高透水混凝土的强度。但水泥用量过大会使浆体增多，减少孔隙率，降低透水性。因此水泥用量受骨料粒径的影响，如果骨料粒径较小、骨料的比表面积较大，则应适当增加水泥用量。通常透水混凝土的水泥用量在250350范围内。(3) 外加剂选用适合的外加剂可以降低水灰比，提高混凝土的工作性，使浆体能够均匀包裹住骨料，运输和施工过程中不离析，从而保证混凝土的强度。(4) 水灰比水灰比既影响透水混凝土的强度，也影响其透水性。透水混凝土的水灰比有一最佳值，此时在保证透水性的同时具有最大的极限强度。当水灰比小于该值时，水泥浆难以均匀包裹所有的骨料颗粒，透水混凝土工作度变差，达不到理想的强度；反之，如果水灰比过大，则易产生离析，水泥浆会从骨料颗粒上淌下，堵塞孔隙，形成不均匀的混凝土组织，降低透水混凝土的透水性。一般透水混凝土的水灰比介于0.200.35之间。2.3.2.2 配合比的计算按照体积法计算配合比，即单位体积拌合物所需各组成材料的用量。假定新成型的混凝土体积为1，即：（2.4）式中：分别是1 m3混凝土中水、水