多孔混凝土配合比设计方法初探.pdf

第30卷 第3期重 庆 建 筑 大 学 学 报Vol. 30 No .3 2008年6月Journal of Chongqing Jianzhu UniversityJ un. 2008 多 孔 混 凝 土 配 合 比 设 计 方 法 初 探 3收稿日期2 25 基金项目 重庆市科技攻关计划项目(ST53)。 作者简介 王智(682) ,男,副教授,重庆大学博士后,工学博士,硕士生导师,主要从事固体废弃物建材资源化、 土木建筑材料和建筑功能材 料等方面研究。( T )32656; (2)qz6。 王 智1, 钱觉时2, 张朝辉3, 石从黎2 (1.重庆大学 化学化工学院,重庆 400030 ;2.重庆大学 材料科学与工程学院,重庆 400045 ;3.常州市建筑科学研究院, 常州 213015) 摘要:多孔混凝土是一种具有较大孔隙率和较高强度的生态型混凝土,但由于缺乏合适、 统一的配合比 设计方法,在一定程度阻碍其应用。根据多孔混凝土的结构特征和功能要求,确定了以孔隙率为主设计 参数、 通过改变胶结材料和骨料粒径来满足强度的配合比的设计思路。设计方法为首先根据设计要求 确定选用的材料,再确定单位体积混凝土中骨料的用量,然后根据骨料的表观密度和设计要求的孔隙率 确定胶结材料用量,最后根据成型工艺的要求确定水灰比,从而确定单位体积水泥用量和拌合水用量。 试配结果表明该多孔混凝土配合比设计方法具有可靠性和可行性。 关键词:多孔混凝土;配合比设计;孔隙率;强度 中图分类号:TU528 文献标志码:A 文章编号:100627329 (2008)0320121204 Preliminary Discussion on Mixing Design of Porous Concrete WAN G Zhi1,QIAN Jue2shi2,ZHANG Zhao2hui3,SHI Cong2li2 (1. College of Chemistry and Chemical Engineering ,Chongqing University ,Chongqing 400030;2. College of Chemistry and Chemical Engineering ,Chongqing University , Chongqing 400045 ;3. Changzhou Academy of Building Research ,Changzho u 213015) Abstract :Porous concrete is an eco2concrete with high porosity and high strength , whose application was restricted to some extent , because there is lack of app rop riate and unitive mixing design method. According to the features of porous concrete , proportio n design idea of porous co ncrete whose major design parameter was porosity and strength was satisfied by changing variety of cementing material and aggregate size.The design met hod of porous concrete was that the raw materials were selected according to design requirement at first , seco ndly , aggregate do sage per unit volume of porous concrete was calculated , thirdly , dosage of cementing material was calculated by apparent density of aggregate and poro sity of design requirement , finally , cement dosage of the unit physical volume and water dosage were calculated by water cement ratio deter mined by requirement of forming process. The test result indicated that this mixing design method of porous concrete was reliable and feasible. Key words :porous concrete ; mixing design ; void ratio ;strength 多孔混凝土也称为无砂混凝土或大孔混凝土,其 结构特点是采用特定粒径骨料作为骨架,胶结材料包 裹在骨料颗粒的表面,作为骨料颗粒之间的胶结层,形 成骨架 孔隙结构的多孔混凝土材料,结构模型 1 如 图1所示。 由图中可见多孔混凝土内部含有较多的孔隙,与 普通混凝土相比,具有良好的透水、 透气性。通过调整 骨料粒径和胶结材料的用量可形成孔径不同的孔隙, 满足不同的用途需要。目前多孔混凝土的研究开发主 要集中在透水路面、 植被生长、 水质净化等方面,而其 作为消声材料、 有害气体的吸收材料、 湿度调节材料、 蓄热材料等研究较少 2 。多孔混凝土在欧洲、 美国、 日本等国家和地区已经有了广泛的应用,而在我国 还处于初步阶段,到目前为止尚无合适 、 统一的多孔 混凝土配合比设计方法,在某种程度上阻碍其应用。 本文从多孔混凝土的结构特点和使用功能要求出 :2007 12 2 :CC200 AC409 :19 el0212 109E mailc uwang hi12 . com 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图1 多孔混凝土的结构模型图 发,对多孔混凝土的配合比设计方法作了一些初步 探讨。 1 多孔混凝土配合比设计分析 1. 1 设计要求 多孔混凝土的使用功能要求和结构特点要求其配 合比设计,应考虑到孔隙率、 渗透系数及强度3个方 面,如何保证这三个指标达到要求是配合比设计的 关键。 (1)孔隙率和透水系数 虽然多孔混凝土应用范围广泛,且不同的应用对 孔隙率的大小有不同的要求,但都是在利用其自身多 孔、 透水、 透气性好的特点,所以,在进行配合比设计时 应首先保证多孔混凝土具有所要求的通透性,通常用 透水系数来表征。 多孔混凝土的孔隙率包括总孔隙率和连通孔隙 率,它们和透水系数之间具有一定的相关性,有研究 者 3 通过试验已推导出孔隙率和透水系数之间的 关系: k =0.20n0-2.76 (R 2 =0.86) (1) k =0.12ne-0.73 (R 2 =0.94) (2) 其中: k为渗透系数, n0及ne分别为总孔隙率和 连通孔隙率。 由式(1)和式(2)看出,孔隙率越高,透水系数越 大,其间存在线性关系,而透水系数在配合比设计时并 不方便直接作为目标参数,所以配合比设计时应把孔 隙率作为目标参数代替透水系数。虽然连通孔隙率与 透水系数相关性好,但考虑到配合比设计时连通孔隙 率不能直接反映出来,所以采用总孔隙率作为目标设 计参数。 (2)孔隙率和强度 对于混凝土来说,在材料相同的条件下,强度和孔 隙率是相互矛盾的,孔隙率高,则混凝土强度低,反之, 混凝土越密实,其强度就越高;而多孔混凝土的使用功 能要求在多孔混凝土配合比设计时一般是要首先满足 孔隙率。在必须保证所要求的孔隙率的情况下,通过 加大胶结材料的用量来增加混凝土强度的方法显然是 不可行的。所以多孔混凝土配合比设计时,应首先保 证其孔隙率,然后通过改变胶结材料的强度和骨料粒 径来满足强度要求。 1.2 设计思路 根据多孔混凝土结构特征,可以认为单位体积混 凝土的表观体积由骨料紧密堆积而成。因此配合比设 计的原则是将骨料颗粒表面用胶结材料包裹,并将骨 料颗粒互相粘结起来,形成一个整体,具有一定的强 度,而不需要将骨料之间的孔隙填充密实。单位体积 多孔混凝土的质量应为单位体积骨料的质量和胶结材 料质量之和,这样可以初步确定多孔混凝土的配比设 计思路,即首先根据设计要求确定选用的材料,并测 试选用材料的基本性能,再确定单位体积混凝土中 骨料的用量,然后根据骨料的表观密度和设计要求 的孔隙率确定胶结材料用量,根据成型工艺的要求 确定水灰比,从而确定单位体积水泥用量和拌合水 用量。 2 多孔混凝土配合比设计方法 2.1 确定骨料用量 单位体积多孔混凝土的骨料用量按下式计算 5 : WG=G c 其中,WG 为单位体积多孔混凝土骨料用量,kg/ m 3 ; Gd 为骨料的紧密堆积密度,kg/ m 3 ; 为折减系数,碎石取0.98。 2.2 确定胶结材料浆体用量 由于单位体积多孔混凝土=胶结材浆体体积+骨 料体积+目标孔隙体积,所以单位体积多孔混凝土中 胶结材料浆体的用量可按下式计算: WJ=(1- WG G -Rvoid) J 其中,WJ 为单位体积多孔混凝土胶结浆体用量, kg/ m 3 ; G 为骨料的表观密度,kg/ m 3 ; Rvoid 为目标孔隙率; J 为胶结浆体的密度,kg/ m 3 ,参照砂浆质量 密度测试方法。 2.3 确定水灰比和水泥用量 用水泥制作多孔混凝土存在一个最佳水灰比,水 灰比过小,多孔混凝土会因干硬而搅拌不均匀,集料表 面包裹不完全,影响集料颗粒间的粘结,从而影响强度 221重 庆 建 筑 大 学 学 报 第30卷 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 的提高。反之,如果水灰比过大,水泥浆就可能把多孔 混凝土中的部分孔隙堵死,形成致密的水泥浆层,不仅 影响孔的连通性,也不利于强度的提高。判定水灰比 是否合适,可参考标准 水泥胶砂流动度测定方法 来 对胶结材料的流动度进行测试,净浆扩展度在160 180 mm时适合振动成型,压制成型最佳范围为180 200 mm。确定了水灰比,便可以确定单位体积多孔混 凝土中水泥以及拌合水的用量,按下式计算: WC= WJ 1+ w/ c Ww= WJ- WC 其中,WC 单位体积多孔混凝土水泥用量,kg/ m 3 ; w c 为水灰比; Ww 为单 位体 积多 孔混 凝土 拌合 水 用量, kg/ m 3 。 3 多孔混凝土配合比的试配 作者在分析了多孔混凝土的结构特点之后,确定 多孔混凝土的配合比设计思路和设计方法,该方法是 否可行和可靠还需要试验研究来验证。 3.1 试验原材料及方法 3.1.1 原材料 试验选用重庆歌乐山石灰石碎石,一种连续级配 (粒径9.526.5 mm)和三种单一粒级(粒径分别为 9. 516 mm、1619 mm、1926. 5 mm)。 水泥为重庆腾辉地维水泥公司生产的32.5、42.5 和52.5普通硅酸盐水泥。 3.1.2 多孔混凝土配制工艺 试验所采用的配制工艺是: 骨料和70 %的拌和 水,搅拌1 min ;加入50 %胶凝材料,搅拌1 min ; 加入剩余的50 %胶凝材料和30 %的拌和水,搅拌 2 min。 新拌混凝土分3层(每层5 cm)装入模具(150 150150 mm 3) ,每层用16 mm铁棒插捣20次,装 满模具后先机械振动20 s ,然后施加100150 kPa的 压力,标准条件养护。 3.1.3 多孔混凝土孔隙率测试方法 多孔混凝土的孔隙率分为总孔隙率(P1)和连通 孔隙率(P2),分别按下式计算 4 : P1=1- w2- w1 v 100 % = w3- w1 % 其中, 试件的外观体积, 3 ; 试件水中浸泡,在水中称得的质量,; w2 烘干至恒重,称取其在空气中的质量,g; w3 试件在标准养护的条件下放置24 h ,称取 其在空气中的质量,g。 3.2 试验结果 试验中选择了不同粒径范围的碎石为骨料,普通 硅酸盐水泥为胶结材料,配合比设计时首先测定所使 用材料的表观密度、 紧密堆积密度、 空隙率等物理性 能,然后根据上述配合比设计方法计算出多孔混凝土 配合比见表1,多孔混凝土性能见表2。从表2中可以 看出,任意粒径骨料配制的多孔混凝土,其孔隙率均达 到了设计要求。测试结果同时也表现出实测总孔隙率 略偏大,主要原因是水泥浆体水化硬化后要发生收缩, 因而测得的总孔隙率偏大,但连通孔隙率与目标孔隙 率相差不多。该方法在控制孔隙率大小方面具有简 便、 快捷和较好的可靠性和可行性。 表1 多孔混凝土设计参数及配合比 骨料粒径 范围/mm 骨料折 减系数 目标 孔隙率 水灰比 单位体积原材料用量/ (kgm- 3) 石子水泥水 9. 5160. 9828 %0. 301 58725676 16190. 9828 %0. 301 56227081 1926. 50. 9828 %0. 301 55827282 9. 526. 50. 9828 %0. 301 63622969 注:32.5、42.5和52.5普通硅酸盐水泥净浆(w/ c= 0.30)的密度统一 取为2 045 kg/ m3 表2 试配多孔混凝土的主要性能 粒径范围 /mm 设计 孔隙率 水泥强 度等级 实测孔隙率 抗压强度/ MPa 总孔隙率 连通孔隙率7 d28 d 9. 51628 % 32. 528. 7 %27. 9 %9. 711. 5 42. 528. 5 %28. 1 %12. 1 14. 6 52. 528. 3 %27. 6 %14. 4 16. 0 161928 % 32. 528. 9 %28. 0 %7. 89. 5 42. 528. 4 %27. 5 %9. 612. 4 52. 528. 6 %27. 8 %11. 2 13. 4 1926. 528 % 32. 528. 6 %28. 2 %6. 17. 8 42. 528. 7 %28. 0 %7. 49. 3 52. 528. 9 %28. 3 %8. 710. 6 56 58 % 358%3 % 58%5 %55 558 3 %3 66 321第3期 王 智,等:多孔混凝土配合比设计方法初探 P21- v 100 vcm w124 hg 9.2 .2 2.2 . 127.10. 2 11. 4 42.2 . 027.12.1 . 1 2.2 .27. 21 .1 . 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 讨 论 多孔混凝土与普通混凝土相比有着其独特的特点, 因而在配合比设计上存在一定的不同,本研究从多孔混 凝土的结构和性能特征出发,提出一种多孔混凝土的配 合比简捷的设计方法,且通过试验证明了其有效性。本 文提出的多孔混凝土配合比设计方法具有以下特点: 1)根据多孔混凝土的结构特点提出简洁明了的设 计思路,各设计指标物理意义明确直观,避免使用经验 公式和经验曲线。 2)本配合比设计法把保证孔隙率放在了首要的位 置,只有在保证孔隙率的前提下采取措施提高多孔混 凝土强度才是切实可行的。 3)在满足孔隙率的前提下采取措施提高混凝土强 度。多孔混凝土强度与骨料的粒径、 胶结材料强度有 关。作者提出针对不同要求,采用不同方法提高多孔 混凝土的强度,比如若对孔隙直径没有要求可通过减 小骨料粒径和提高胶结材料强度来提高混凝土强度, 对孔隙直径有要求时可通过提高胶结材料强度来提高 混凝土强度。 4)论文仅以混凝土工程中常用的碎石集料研究该 多孔混凝土配合比设计方法可靠性和可行性,但对采 用卵石、 再生混凝土集料或其他固体废弃物作集料的 多孔混凝土配合比设计方法也具有一定参考作用。 参考文献: 1 YAN G Jing , JIANG Guo2liang.Experimental study o n p roperties of pervious concrete pavement materials J . 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