透水混凝土配合比参数选择及设计方法研究.pdf

2 0 1 1年 第 8 期 (总 第2 6 2 期 ) N u mb e r 8 i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 2 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 预拌混凝土 READY M I XED CONCRETE d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 8 0 3 6 透水混凝土配合比参数选择及设计方法研究 徐仁 崇 ，桂苗苗 ，刘君秀 z ，陈清 己 ， ，龚明子 ( 1 厦 门市建筑科学研究 院集 团股份有 限公司 ，福建 厦门 3 6 1 0 0 4；2 厦门天 润锦龙建材有 限公司 ，福建 厦门 3 6 1 0 0 9 ) 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， 并研究设计孑 L 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； 以设计孑 L 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 ： T U5 2 8 0 6 2 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) O 8 一 O 1 O 9 一 O 4 St udy on p ar a me t e r s s el e c t i on an d d es i gn me t ho d of per vi ous c onc r et e mi x pr o por t i on XURe n - c h o n g ， GU I Mi a o mi a o ， L I UJ u n - x i u ， C HE NQ i n g - j i ， GO NGMin g - z i ( 1 Xi a me nA c a d e my o f Bu i l d i n gR e s e a r c hG r o u pC o ， L t d ， Xi a me n 3 6 1 0 0 4 ， C h i n a 2 Xi a me n T i a n r u n J i n l o n g B u i l d i n g Ma t e r i a l C o ， L t d ， X i a me n 3 6 1 0 0 9 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Gr a d a t i o n a n d pa r t i c l e s i z e o f a g g r e g a t e a n d s a n d v o l u me r a t i o we r e i n t r o d u c e d i n t o t h e mi x p r o p o rti o n o f p e r v i o u s c o n c r e t e a n d t h e i n fl u e n c e o fd e s i g n p o r o s i t y， g r a d a t i o n a n d p a rti c l e s i z e o f a g gre g a t e， s a n d v o l u m e r a t i o o n p e r f o r ma n c e o f pe rv i o u s c o n c r e t e we r e s t u d i e d Th e r c s u i t s i n d i c a t e t h a t t h e e x p o n e n t i a l r e l a t i o n i s p r e s e n t e d be t we e n t he d e s i g n p o r o s i t y a n d pe rm e a t i o n c o e ffi c i e n t Gr a d a t i o n a n d p a rti c l e s i z e o f a g g r e g a t e h a s a g r e a t e f f e c t o n s t r e n g t h a n d p e r me a t i o n c o e ffi c i e n t Th e s t r e ng t h c a n b e i nc r e a s e d a n d t h e p e r m e a t i o n c o e ffi c i e n t wa s n o t r e d u c e d wh e n s a n d wa s a d d e d i n t o t h e p e rvi o u s c o n c r e t e a n d t h e s an d v o l u me r a t i o i s r e l a t e d t o t he c o n t e n t o f c e me n t a nd t h e gra d a t i o n a n d pa r t i c l e s i z e o f a g gre g a t e Th e d e s i gn me t h o d o fmi x p r o p o rti o n t h a t i n c l u d e s t h e pa r a m e t e r s o f d e s i gn p o r o s i t y， wa t e r b i n d e r r a t i o s ， gr a d a t i o n a n d p a rti c l e s i z e o f a g gre g a t e， s a n d v o l u m e r a t i o i s v e r y u s e f u 1 Key w or ds ： p e r v i o us c o n c r e t e ； mi x p r o p o rti o n； gra d a t i o n a n d p a r t i c l e s i z e o f a g gr e g a t e； s a n d v o l u me r a t i o 0 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ll I 。 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 C J J T 1 3 5 2 o 0 9 透水水泥混凝土路面技术规程 中给出了以孑 L 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 1 1 原材料 水泥： 福建三德水泥股份有限公司生产的P 04 2 5 级水泥； 碎石： 厦门海沧顺信建材厂生产的粒径分别为 5 1 0 mm和 l 0 2 0 m m 的花岗岩碎石， 表观密度为 2 7 8 0 k g m 3 ， 紧密堆积密度 分别为 1 5 3 0 k g m 和 1 5 2 0 k e C m ； 砂子： 厦门海城商贸有限公 收稿 日期 ：2 0 1 1 一 O 2 1 5 基金项 目：厦 门市科技计划资助项 目( 3 5 0 2 Z 2 0 1 0 0 0 4 4 ) 司生产的中砂 ， 细度模数 2 4 ， 含泥量 2 1 ， 堆积密度 1 5 1 0 k g m ， 表观密度 2 6 6 0 k g m ， 级配区属二区； 减水剂： 福建科之杰新材 料有限公司生产的P o i n t S聚羧酸缓凝高效减水剂， 减水率为 2 5 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 2 4 h 后 ， 在水 中测试试 件的质量 m。 ， 然 后将试件风干 2 4 h ， 测其质量 m ： ， 根据式( 1 ) 计算混凝土的孑 L 隙 率 P。 1 1 一 j 1 0 0 ( 1 ) l V。 P j 式中： 试件的体积； P 水的密度。 1 ， 2 2 抗压强度的测定 透水 昆 凝土的抗压强度测试按照 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混 凝土力学性能试验方法标准 进行， 成型 1 5 0 mm x l 5 0 mr n x l 5 0 mm 立方体试块。 1 2 _3 透水系数的测定 采用“ 固定水位高度法” 测试透水混凝土的透水系数。 事先 l 09 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 1 8 0 mm降至 0 mm时所用时间 t ， 通过式( 2 ) 计 算透水系数 。 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? 昆 凝土透水系 数的一个重要指标， 但孑 L 隙率与透水系数并不存在对等关系， 其 他一些因素比如孑 L 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 1 0 2 0 mm 的碎石 ， 设计透水混凝土的孔隙 率为 1 5 、 2 0 、 2 5 和 3 0 时， 研究设计孔隙率、 实测孑 L 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 ， ( a ) 实测 孔 隙率 【 b ) 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， 设计孑 L 隙率与实测孑 L 隙率存在着一定的 差异， 且设计孔隙率越小， 实测孑 L 隙率与设计孔隙率的比值越 1 1 0 小， 数值相差越大。 透水混凝土内部孑 L 隙示意图如图 2所示， 透 水 昆 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孑 L 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 孑 L 隙形成的几率 ， 即造成 的封闭孑 L 隙与半封 闭孑 L 隙越多。 # 封 闭孔 隙 图 2透水 混凝土 内部子 L 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孑 L 隙率 、 实测孑 L 隙率的增大而增大。 确定设计孑 L 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孑 L 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 设计孑 L 隙率与透水 系数 的函数关系式为 ： v = 6 1 4 2 6 9 x 1 0 - 4 R 。 。 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。 试验证明口 ， 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 O 2 5 0 3 5 t 。 2 3 骨料级配与粒径 在 C J J T 1 3 5 2 0 0 9 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， 只给出孑 L 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 5 1 0 mm和 l 0 2 0 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胜能的影响， 试验结果见图3 。 水泥用量 ( k g m ) 水泥用量 ( k g m ) f a 1 5 1 0 mm 碎石( b ) 1 0 2 0m m碎石 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 5 1 0 mm的碎石配制的透水混凝土抗压强 l 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 一 g一 辐峨 蝈 度值较高， 但透水系数较低， 而 1 0 2 0 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I6 - ， 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 1 0 ,- , 2 0 mm的碎石， 在透水混凝土配合 比中引入 5 、 1 0 、 1 5 、 2 0 和 2 5 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 注 ： 水胶 比为 0 3 。 由表2中可知， 体积砂率在0 - 1 5 范围内透水系数变化较小， 当体积砂率超过 1 5 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2 8 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， 2 8 d抗压强度最高， 体积砂率超过 1 5 时， 2 8 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 昆 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 1 5 。 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 3 配合比设计步骤 对 C J J T 1 3 5 -2 0 0 9 ( 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 5 1 0 rai n的碎石， 配制强度等级较低的透水混凝土可选用粒径为 1 0 2 0 i n l Y l 的碎石； 水胶比可根据实际经验在 0 2 5 0 3 5 之间选择。 ( 2 ) 根据设计 的透水 系数 ( ml T I S ) 和式 ( 3 ) 计 算 出透水 混 凝 土的设计孑 L 隙率 ( ) ， m、 n为 回归系数 。 ) = 7 , R ( 3 ) ( 3 ) 根据粗骨料的紧密堆积密度 p c ( k g m3 ) 按式( 4 ) 计算出 粗骨料的用量 。 ( k g m ) ， O t 为骨料修正系数( 通常取 0 9 8 ) 。 W6 ,-= c t P G ( 4 ) ( 4 ) 根据孑 L 隙率 ( ) 和水胶 比a ( 。 ) 按式( 5 ) 、 ( 6 ) 计 算 出初步水泥用量 W ( k g m ) 和用水量 W ( k g m ) ， 其 中P 。 l 为 粗骨料表观密度 ( k g m ) ， P 为水 泥的表观密度 ( k g m ) 。 a = Ww l Wc I ( 5 ) R = 1 一 p d p G ， 一 Ww 1 1 O 0 0 - Wc 1 p c ( 6 ) ( 5 ) 在表 3中， 根据初步水泥的用量 W ( k g m ) 及粗骨料 的级配选择体积砂率 s ( ) ， 根据式( 7 ) ( 9 ) 计算砂的用量 W ( k g m ) 、 实际水泥用量 W ( k g m ) 及用水量 W ( k g m ) ， 其 中 P 。 为砂 紧密堆积密度 ( k g m， ) 。 Ws =Wc l p c 。 S T ps ( 7 ) Wc 1 ( 1 一 S T ) ( 8 ) Ww = Wc a ( 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 ( k g m ) ， 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 = c ： Ww ： Ws ： G ： J 4配合 比设计试验 设计强度等级为 C 3 0 ， 透水系数3 i T I 1 T I 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 5 1 0 mm的碎石 ， 每立方米混凝土的碎石用量为 G ： 1 5 3 0 x O 9 8 =1 4 9 9 k g m 。 ( 2 ) 透水系数3 r n m s ， 由公式计算得到设计孑 L 隙率为 R ： 1 9 5 ， 即设计孔隙率为 1 9 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 Wc I= 4 2 0 k g m 。 ( 4 ) 石子选用 5 1 0 mm碎石， 初始水泥用量为 4 2 0 k g m ， 因此根据表 4选择体积砂率为 1 5 ， 根据式( 7 ) 、 ( 8 ) 、 ( 9 ) 计算 得到砂的用量 Ws = 5 6 k g m ， 水泥用量 Ivc = 3 5 7 k g m 及用水量 W w =1 0 7 k g m 。 ( 5 ) 根据经验并在实验室试拌 ， 确定减水剂的用量 Wy 2 3 2 k g m 。 ( 6 ) 另选择 0 2 7 、 0 3 3两个水胶比， 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 。 】1 1