高透水混凝土配合比设计优化及其应用.pdf

第 3 7卷第 5期 2 0 1 1年 1 O月 四川建筑科学研究 S i e h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 23 7 高透水混凝土配合比设计优化及其应用 王从锋， 刘德富 ( 三峡大学水利与环境学院， 湖北 宜昌4 4 3 0 0 2 ) 摘要： 分析了高透水混凝土的配合比设计步骤， 着重讨论了水灰比对高透水混凝土强度和透水性能的影响， 指出制备高透 水混凝土时， 使水泥浆液包裹在骨料表面 ， 而又不产生浆液流动， 可为高透水混凝土的制作与应用提供参考。 关键词： 高透水混凝土 ； 配合比； 水灰比 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 8—1 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) 0 5— 2 3 7— 0 3 Hi g h- p e r me a b l e c o n c r e t e mi x d e s i g n o p t i mi z a t i o n a n d a p p l i c a t i o n W_AN G C o n g f e n g ． L I U De f u ( C o l l e g e o f H y d r a u li c&E n v i r o n me n t a l E n g i n e e ri n g ， C h i n a T h r o e G o r g e s U n i v e r s i t y ， Y i c h a n g 443 0 0 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h i s p a p e r a n a l 3 ， z e s t h e hig h—p e r me a b l e c o n c r e t e mi x r a t i o d e s i g n s t e p s ． I t f o c u s e d o n wa t e r - c e me n t r a t i o o n s t r e n g t h a n d p e rm e a b i l i t y p r o p e r t i e s ． Wh e n t h e p r e p a r a t i o n o f h i g h p e rm e abi li ty o f c o n c r e t e ， c e me n t g r o u t w r a p p e d i n a g g r e g a t e t o t h e s u r f a c e ， b u t w i tho u t p r o d u c i n g s e r o u s fl o w． I t i s r e f e r e n c e f o r p r o d u c t i o n a n d a p p l i c a t i o n o f h i g h - p e rm e abl e c o n c r e t e ． Ke y wo r d s ： h i g h pe rm e ab l e c o n c r e t e ； mi x r a t i o ； w a t e r — c e me n t r a t i o 0前言 随着都市化的进程不断扩大， 都市化引起 的一 系列环境问题也越来越突出， 比如城市的热岛效应、 积水严重、 噪音污染等问题， 已经严重影响着人们的 生活。而人们对居住环境的要求不断提高， 促使人 们在满足城市化要求的情况下， 开始思考如何改变 城市化过程中不断增加的混凝土路面和屋面。透水 路面材料的出现 ， 为改善城市环境提供了新的材料， 人们开始在人行道、 停车场、 公园、 河岸等位置开始 采用透水性混凝土 J 。透水 混凝土与普通 混凝土 路面相 比， 具有诸 多生态方面的优点 引， 具体 有： 雨水能够迅速地渗入地表， 还原成地下水， 使地下水 资源得到及时补充 ， 减缓洪水的汇积速度 ， 降低洪水 风险 ； 提高地表的透气、 透水性 ， 保持土壤湿度 ， 雨水 流经高透水混凝 土一 土壤一河流 ， 可 以消减面源污 染量， 改善河流水质 ； 吸收车辆行驶时产生的噪声 ， 创造安静舒适 的交通环境 ， 雨天能防止路面积水和 夜间反光， 改善车辆行驶以及行人的舒适性和安全 性 ； 透水性路面材料具有较大的孔隙率 ， 能蓄积较多 的能量 ， 有利于调节城市地表的温度和湿度。 收稿 日期 ： 2 O 1 0 5 — 1 4 作者简介 ： 王从 锋( 1 9 7 4一) ， 男 ， 山东曹 县人 ， 博士 ， 副 教授 ， 主要从 事生态混凝土材料方面的教学与科研工作。 基金项目： 湖北省教育厅重点项目( D 2 0 0 8 1 3 0 7 ) ； 湖北省 自 然科学基 金资助项目( 2 0 0 9 C D B 3 5 3 ) E—ma l l ： w a n g e f @ c t g u ． e d u ． c n 高透水混凝土是在无砂透水混凝土( n o n - fi n e s c o n c r e t e ) 的基础上 ， 采用单粒径骨料和水 泥胶 结材 料经挤压成型而成的一种蜂窝状混凝土 。高透水性 混凝土与普通的透水性混凝 土的不 同之处 ， 是采用 单粒径骨料， 骨料粒径差别较小， 从而使其内部形成 的孔隙不被小颗粒粒径填充， 达到强透水效果。 1 高透水性混凝土的原材料 骨料可以是 卵石 、 也可以是人工碎石。骨料作 为构成透水混凝土 的最基本材料 ， 它 的性质不仅影 响到透水混凝土的强度 ， 而且骨料 的粒径直接影 响 到} 昆 凝土的孔隙率和孔隙直径， 因为骨料的直径越 大， 透水混凝土的孔隙率就越小， 而平均孔隙直径也 会越大。透水混凝土 的骨料必须具有一定 的强度 ， 因为透水混凝土的破坏部分是由于骨料间相互挤压 剪切， 使得骨料发生断裂而破坏。骨料的形状也是 影响透水混凝土性质的重要原因， 骨料选择时， 必须 选择颗粒状 的骨料， 形状接近圆形为佳 ， 避免较多的 片状骨料 ， 因为片状骨料不仅影 响透水混凝 土的强 度， 而且还会影响其透水性能。 水泥作为透水混凝 土的胶结材料 ， 虽然强度破 坏时有个别骨料发生脆断现象 ， 但是骨料的强度一 般都远高于混凝土的强度 ， 而骨 料与水泥石之间的 粘结强度将是透水混凝土的最薄弱环节， 破坏主要 还是首先发生在骨料和水泥石层中。因此， 水泥的 品种、 强度、 数量等对透水混凝土的强度影响极大。 2 3 8 四川建筑科学研究 第 3 7卷 制备混凝土所用水泥的品种一般选用普通硅酸盐水 泥， 也可使用矿渣硅酸盐水泥 J 。两种水 泥技术要 求见表 l 。配制高透水混凝土时 ， 一般要使用 4 2 ． 5 以上等级。 表 1 普通硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥的强度要求 ( G B 1 7 5— 9 9 ， G B 1 3 4 4—9 2 ) Tabl e l Th e s t r e ng t h r e q ui r e me n t o f or d i na r y por t l a nd c e me n t and s l a g s i l i c a t e c e me n t( GB 1 7 5— 9 9 - GB1 3 4 4—9 21 减水剂是一种能显著改善混凝土和易性和显著 减少其拌合水量的一种化学外加剂。因为用水量的 多少直接影响到混凝土样品的强度和孔隙率 ， 所以， 减水剂的使用能尽量减少水的使用， 从而提高混凝 土的强度和控制孔隙率。 2 高透水混凝土配合 比设计原则 高透水混凝土的配合比设计 的原则是根据选用 材料的性能， 在确保透水性能的情况下， 尽可能地提 高混凝土的强度。高透水性混凝土的配制首先是满 足透水性能， 失去透水性能这一条件， 也就失去了高 透水性的本身的意义。因此， 高透水性混凝土配合 比的设计 ， 不能象普通混凝 土那样仅以满足强度 为 首要条件的配制。透水性的好坏主要以孔隙率来反 映 ， 所以， 孔隙率和强度是高透水性混凝土配合 比设 计的重要指标 刮。下面， 阐述采用试配的方法确 定高透水性混凝土的配合 比的设计优化步骤。 2 ． 1 计算高透水混凝土的试配强度 根据 ：1 ． 1 ， 计算 高 透水 混凝 土 的 试 配 强度 。 式中厂 m为高透水混凝土的试配强度 ； 为高透水 混凝土的设计强度。 2 ． 2骨料的用量 采用骨料紧密堆积密度来确定。 2 ． 3水泥用量 根据文 献 [ 7 ] 经 验公 式 ： C=6 9 ． 3 6+7 8 4 ． 9 3 饥 来计算 。 式中 C为每 m 混凝土 中的水泥用量 ( ) ； 厂 h 为 水泥活性 ， 取 1 ． 1 3倍水泥强度 。 2 ． 4合 理水灰 比确 定 水灰 比的大小将影响着高透水混凝土 的强度和 透水性能， 当水灰 比较大时， 会产生浆液 ， 在重力作 用下， 浆液将会向下流动， 填充底部孔隙， 影响透水 性能； 当水灰 比过小时 ， 水泥强度得不 到充分发挥 ， 影响高透水混凝土 的强度。在大量试验 的基础上 ， 笔者总结水灰 比的确定原则是 ， 在搅 拌均匀 的情况 下， 确保水泥浆液包裹在骨料表面， 而不产生浆液流 动为原则。用肉眼观察骨料表面浆液晶莹剔透、 粘 结性好 ， 用手轻握骨料聚团状而手面没有稀浆析出。 因此 ， 水灰比的确定是在搅拌过程中逐渐增加用水 量而得到的 ， 当一次用水量过大时 ， 出现浆液流动， 必须重新试配 。 2 ． 5 计算 1Ⅱ l 3 各成分的重量 采用体积法计算， 即根据高透水混凝土体积等 于各成分体积之和， 与普通混凝土区别是， 各成分体 积要包括孔隙的体积。 旦 +旦 + + p：l — —+— —+— —+D=l Pg Pc Pw 式中 G ， C， 1 m 混凝土 中石子 、 水泥 、 水 的 质量( k g ) ； p ， P 。 ——水 、 水泥的密度 ( k g ／ m ) ； p ——石子的表观密度( k g ／ m ) ； p ——高透水混凝土的孔隙率。 根据上式 和上述 比例 计算 出 1 m。各成 分 的 数量 。 2 ． 6试配 通过上述步骤计算得到的配合 比， 是参照经验 公式和参数确定的初步材料用量， 它同材料的实际 情况存在一定的差异。因此， 必须通过试验进行配 合 比调整。进行试拌时 ， 要 观察 用水量 ， 调整水 灰 比， 按照前述原则， 观察拌合物含水量情况， 若集料 表面干燥 、 松散 ， 水泥浆不能包裹集料 ， 应适 当增大 水灰比； 若水泥浆含量过大， 出现水泥浆下滴现象， 应适 当减小水灰比， 直至保证水泥浆均匀包裹集料 ， 用肉眼观察骨料表面浆液晶莹剔透、 粘结性好 ， 用手 轻握骨料聚团状而手面没有稀浆析出。 2 ． 7 测定抗压强度和透水系数 养护到一定龄期后 ， 分别测定各试件 的抗压强 度和透水系数， 并进行对比分析。 3 高透水混凝土制作效果应用 为了更 明确地说明水灰 比对高透水混凝土的强 度和透水性能影响， 试验对 比了各种水灰 比下各组 试件的强度和透水性 。通过改变水灰 比的大小 ， 采 用插捣击实的方法成型 ， 标准养护 ， 测得 2 8 d抗压 强度及透水性能 ， 见表 2 。 王从锋 ， 等： 高透水混凝土配合比设计优化及其应用 2 3 9 表 2 不同水灰比对抗压强度及透水性的影响 Ta bl e 2 The i n f l ue nc e o f di ffe r e nt wa t e r - c e me nt r at i o t o c o mpr e s s i on s t r e n gt h and pe r m e abl e c o e ffi c i e nt 粒 孕 大 小 水 灰比 2 8 ／ m m ／荛 1 ~ 1甓 a 强 度 水m n l／ 8 r ／ ， 6 ～8 6 ～8 6 ～8 6 8 6 ～8 6 ～8 6 ～8 O． 2 5 0． 2 7 O． 2 9 O． 3 1 0 ． 3 3 O． 3 5 O． 3 7 5． O 5． 2 6． 5 7． 9 7． 7 7． 2 6． 8 1 8 ． 2 1 2 ． 3 7 ． 5 5 ． 1 4． 8 1 ． 5 0 ． 5 从图 1可 以看出， 高透水混凝土的抗压强度随 着水灰比的增大而增大， 而到一定值时( 6— 8 粒级 为0 ． 3 1 ) ， 强度开始降低。当水灰比较小时， 水泥浆 较少 ， 而不能完全包裹在骨料的表面， 甚至有的部位 出现散粒体状况， 水灰比为0 ． 2 5时， 通过抗压试验 后的现象表 明， 大多数颗粒都处于散粒状态 。因此 ， 强度较低时， 若水灰比再小， 拆模后， 试块不能成型。 当水灰比达到 0 ． 3 1 时 ， 透水混凝土的强度达到最大 值 ， 此时， 水泥浆包裹在骨料颗粒的表面， 新拌的透 水混凝土处于凝 团状态， 没有水泥浆液流动， 处于比 较理想的状态。当水灰比高于0 ． 3 1 时， 透水混凝土 的抗压强度开始下降。当水灰比大到一定程度时， 水泥浆液开始出现流动， 当成型时， 即使不采用振 捣， 水泥浆液也会在 自重的作用下， 流动到试件的底 部 ， 使得底部强度较大 ， 而上部骨料粘结性能较差 ， 导致强度下降， 如图 2所示。 水灰 比 图 1 水灰比对抗压强度的影响曲线 F i g ．1 Th e i n flu e n c e c u r v e o f wa t e r - c e m e n t r a t i o t 0 c o m p r e s s i v e s t r e n gt h 图 2 水泥浆液下沉底部示意 Fi g ． 2 The pi c t ur e o f s l ur r y s i nki ng i n th e bo t t om 透水性能随着水灰比的增大而降低， 从透水系 数曲线图3可以明显看出： 水灰比较小时， 透水系数 比较大， 这是由于颗粒比较松散， 颗粒间的粘结性也 比较差 ， 孔隙率比较大的缘故 。随着水灰比的增大， 颗粒问的粘结较好， 孔隙率也降低。当水灰比过大 时， 水泥浆都集 中在试件底部 ， 底部的孔隙率很小 ， 甚至接近普通混凝土 ， 所 以其透水 系数很小。由图 4可以看出 ， 两种水灰比下， 高透水混凝土的表 面孔 隙率明显不一样 ， 从而其透水性能也相差较大。 水灰比 图3 水灰比对透水系数的影晌曲线 F i g ． 3 Th e i n flu e n c e c u r v e o f wa t e r - c e me n t r a ti o t o p e r me a b l e c o e ffi c i e n t 图 4 同粒径不 同水灰 比下的透水混凝土 F i g ． 4 Pi c t u r e o f d i f f e r e n t wa t e r c e me n t r a t i o wi t h par t i c l e s i z e o f pe r m e abl e c o nc r e t e 4 结 语 1 ) 高透水混凝土 的配合 比对其强度和透水性 能影响较大 ， 尤其是水灰 比的选定 ， 要结合不同骨料 的粒径 ， 通过试配 ， 达到理想的效果 。 2 ) 确定高透水混凝土水灰比的原则是要确保 水泥浆液包裹在骨料表面 ， 而又不产生浆液流动， 用 肉眼观察骨料表面浆液晶莹剔透、 粘结性好， 用手轻 握骨料聚团状而手面没有稀浆析出。 参 考 文 献 ： [ 1 ] 王武祥， 等． 透水透气型彩色混凝土路面砖 [ J ] ． 新型建筑材 料 ， 1 9 9 5 ( 7 )： 2 7 - 2 9 ． [ 2 ] P r a t t C J ． U s e o f p e r me a b l e ． r e s e r v o i r p a v e m e n t c o n s t r u c t i o n s f o r - s t o r m w a t e r t r e a t m e n t a n d s t o r a g e f o r re u s e [ J ] ． Wa t e r S c i e n c e a n d T e c h - n o l o g y ，1 9 9 9， 3 9： 1 45 — 1 5 1 ． [ 3 ] T e t s u o K o b a y a s h i M K ． D e v e l o p m e n t o f t h e e n v i r o n m e n t f r i e n d l y h y b ri d p e r m e a b l e c o n c re t e p a v e m e n t [ J ] ． T r a n s — a c t i o n s of t h e J a — p a n c o n c r e t e i n s t i t u t e， 2 0 0 2， 2 3： 6 5- 7 6 ． [ 4 ] 洪雷． 混凝土性能及新型混凝土技术[ M ] ． 大连： 大连理工 大学出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 5 ] 程娟 ， 杨杨． 透水混凝土配合比设计的研究[ J ] ．混凝土， 2 0 0 6 ( 1 0 ) ： 8 1 - 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