基于骨料特性和漿體厚度的透水混凝土配合比設計

張 駿 王小亮 焦 巖 王俊杰 姚東冬

1. 云南省建設投資控股集團有限公司 云南 昆明 650501；2. 云南建投綠色高性能混凝土股份有限公司 云南 昆明 650501

透水混凝土作為一種多孔混凝土，是由一系列相連通的孔隙和混凝土實體部分骨架構成的具有透氣、透水性的多孔結構混凝土，具有良好的透氣、透水、緩解城市“熱島效應”、吸聲降噪、改善光環境和出行環境等優異性能，被廣泛應用于公園、人行道、廣場等一些輕交通路面鋪裝[1]。目前關于透水混凝土的配合比設計方法主要有體積法[2-4]、質量法、比表面積法和球模型包裹法[5]等，其關鍵參數為骨料緊密堆積密度、目標孔隙率和漿體體積，以目標孔隙率為控制指標，通過目標孔隙率的大小漿體體積，進而計算配合比各組分的用量[6]。實際應用中由于原材料變化及膠凝材料用量缺乏科學的計算，導致漿體數量難以控制，實際孔隙率和目標孔隙率相差較大，透水性能不能滿足要求；上述幾種配合比設計方法缺乏強度設計依據，在保證透水性能的前提下強度難以保證[7]。

本文提出一種基于骨料特性和漿體均勻包裹模型的配合比設計方法，以骨料的比表面積和漿體厚度為主要設計依據，通過科學合理的控制漿體厚度來解決透水混凝土孔隙率、透水系數和強度之間的矛盾，為透水混凝土的配合比設計與實際應用提供理論指導和依據。

1 配合比設計原理

1.1 漿體均勻包裹模型

透水混凝土和普通混凝土的主要區別在于不含或含有少量的細骨料，粗骨料作為骨架，輔以適量的膠凝材料作為黏結劑，成型后含有一定數量的連通孔隙用以保證透水性能。漿體均勻包裹模型的基本原理為：骨料在緊密堆積的狀態下，膠凝材料和水拌和后在骨料表面形成一層均勻漿體包裹層，設定一定的漿體厚度和水膠比，通過計算透水混凝土中骨料的用量和比表面積來計算水和膠凝材料的用量。透水混凝土的透水性能主要取決于骨料緊密堆積孔隙率和漿體體積之間的差值，即漿體厚度越厚，透水混凝土中的孔隙所占體積越小，透水性能隨之變差；力學性能主要取決于骨料的強度、骨料與漿體之間的黏結力和整體密實度（孔隙率的大小），因此漿體厚度還和透水混凝土的力學性能相關（圖1）。

圖1 透水混凝土漿體均勻包裹模型

1.2 配合比設計原理

透水混凝土的強度和透水性能與孔隙率有很大關系，孔隙率的大小與骨料的緊密堆積孔隙率和膠凝材料用量相關。在透水混凝土的配合比設計過程中，如何控制合理的漿體數量是保證透水混凝土強度和透水性能的關鍵。本文的配合比設計方法以漿體均勻包裹模型和比表面積配合比設計為基礎，通過計算透水混凝土骨料的比表面積，設定合理的漿體包裹厚度來計算混凝土中各組分的用量，以骨料緊密堆積孔隙率和漿體體積的差值作為控制混凝土強度和透水性能的參數，最終確定了透水混凝土的配合比。

1.3 主要參數的確定和計算

1.3.1 骨料參數

按JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》的規定方法，測試骨料的顆粒級配、分計篩余、表觀密度、堆積密度、緊密堆積密度，根據上述參數計算骨料的緊密堆積孔隙率，各粒徑范圍的比表面積因子取值為：骨料粒徑大于20 mm時取10 m2/kg，骨料粒徑為10～20 mm時取20 m2/kg，骨料粒徑為4.75～10.00 mm時取40 m2/kg，骨料粒徑范圍為2.36～4.75 mm時取80 m2/kg，骨料粒徑范圍為1.18～2.36 mm時取160 m2/kg。

1.3.2 骨料用量和比表面積

按照CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術規程》的規定計算每立方米透水混凝土骨料用量mg，按式（1）計算每立方米透水混凝土骨料的總比表面積Sg：

式中：Sg——骨料的比表面積，m2；

δi——骨料分計篩余，%；

γi——骨料比表面積因子，m2/kg。

1.3.3 確定漿體厚度

確定漿體包裹厚度hJ，強度等級為C10時取0.24～0.28 mm，強度等級為C15時取0.28～0.32 mm，強度等級為C20時取0.32～0.36 mm，按式（2）計算每立方米透水混凝土漿體體積VJ：

式中：VJ——每立方米透水混凝土漿體體積，m3；

hJ——漿體包裹厚度，mm；

Sg——每立方米透水混凝土骨料的比表面積，m2。

1.3.4 孔隙率驗證

骨料緊密堆積孔隙率和漿體體積的差值在15%～25%之間，如不符合，則需重新調整漿體包裹厚度取值。

1.3.5 膠凝材料、水、外加劑用量的確定

確定水膠比Rw/c，按式（3）計算膠凝材料mc，根據水膠比膠凝材料用量、水膠比和外加劑摻量計算用水量和外加劑用量。

式中：mc——每立方米透水混凝土中膠凝材料用量，kg/m3；

Rw/c——水膠比；

VJ——每立方米透水混凝土漿體體積，m3；

ρc——膠凝材料密度，kg/m3；

β——漿體用量修正系數，取0.98。

2 原材料及試驗方法

2.1 原材料

水泥采用紅獅P.O 42.5，骨料采用粒徑4.75～10.00 mm單粒級石灰巖碎石，壓碎值16.1%，表觀密度2 720 kg/m3，堆積密度為1 550 kg/m3，緊密堆積密度為1 630 kg/m3，孔隙率40.1%，骨料粒徑分布為：＞20 mm的篩分為0，10～20 mm的為1.41%，4.75～10.00 mm的為96.25%，2.36～ 4.75 mm的為0.97%，1.18～2.36 mm的為0.28%。

2.2 配合比計算

根據設計強度等級和漿體厚度取值范圍分別取漿體厚度為0.24、0.26、0.28、0.30、0.32、0.34、0.36，水膠比取0.27，外加劑摻量為1.6%，按照上述配合比計算步驟計算各組分材料的用量，具體計算所得配合比如表1所示。

2.3 試件成型及養護方法

為了最大程度地減小成型方法對透水混凝土力學性能和透水性能的影響，統一采用人工插搗的方式成型，設定松鋪系數為1.05，稱取相應質量的混凝土分2層裝入邊長為150 mm×150 mm×150 mm的正方體試模，每層按順時針方向由外向里插搗25次，裝滿后采用平板振搗器將試塊表面整平壓實，試件成型24 h后拆模放入標養室，養護至規定齡期后進行試驗測試。

表1 配合比數據

2.4 試驗方法

透水系數的測定采用國內測量透水磚透水系數的測量裝置，對正方體試塊進行鉆芯后制成尺寸為φ100 mm×50 mm的圓柱形試件（圖2）。有效孔隙率的測試采用稱重法，先稱取干燥試件的質量m1，將其浸泡在水中24 h后稱取試件在水中的質量m2，有效孔隙率P按式（4）計算：

式中：v0——試件的體積；

m1——試件干燥時的質量；

m2——試件浸泡飽水時的質量。

圖2 透水系數試驗裝置示意

3 試驗結果分析

根據上述計算所得的配合比成型試塊，可得透水混凝土的各齡期抗壓強度與漿體厚度的變化關系曲線〔圖3（a）〕，以及漿體厚度與有效孔隙率和透水系數的關系曲線〔圖3（b）〕。

由圖3（a）可知，透水混凝土各齡期的抗壓強度均隨著漿體厚度的增加而增大，這是因為漿體厚度的增加增大了透水混凝土中漿體的體積，混凝土成型后骨料呈緊密堆積狀態，富余漿體填充到骨料間空隙中，提高了密實度，同時增加了骨料和漿體間的接觸面積，內部空隙數量的減少使得骨料間點接觸引起的應力較分散，透水混凝土的抗壓強度增加[8]。由圖3（b）可知，漿體厚度的增加減少了透水混凝土的有效孔隙率，透水系數隨著下降。試驗結果表明：采用本配合比設計方法，在有效的漿體厚度取值范圍內，透水混凝土的抗壓強度符合設計強度等級的要求，且透水系數均＞1 mm/s，符合現行透水混凝土技術規范的要求。

圖3 試驗結果

4 結語

1）從骨料的比表面積和漿體包裹厚度角度出發，提出了一種新的透水混凝土的配合比設計方法，解決透水混凝土工作性能、強度與透水性能之間的矛盾，避免因原材料變動和使用經驗公式造成透水混凝土因漿體數量過多或過少而出現封底現象，進而避免因透水性能下降或漿骨間黏結力不足導致的力學性能下降問題。

2）本設計方法配制的透水混凝土能達到配合比設計的目標，抗壓強度符合要求，透水性能良好。