市政道路透水混凝土的配合比設計研究

鐘遠偉

（中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川 成都 610000）

0 引 言

在海綿城市建設中，透水混凝土作為一種透水功能良好的材料，在實踐中得到了較為廣泛的應用。混凝土實體骨架和分布其中的孔隙是透水混凝土的主要組成結構，其中的孔隙相互貫穿連通，形成蜂窩狀的多孔結構，從而具備良好的透水透氣能力。在城市公園、活動廣場、人行道路面鋪裝時，作為輕交通路面材料，透水混凝土因具有吸聲降噪、緩解熱島效應、調蓄積水、改善道路環境等功能，得到了廣泛的應用[1-3]。透水混凝土的應用符合國家可持續發展的要求，環境效益顯著。它能有效改善城市道路積水，吸收行車噪聲，在不同的自然環境和氣候條件下均有良好的適用性。透水混凝土鋪成的道路等效于天然草坪和自然土壤，有利于地表植物和微生物的生態環境營造。與此同時，滿足了交通運輸所需的硬化地面的使用功能要求，完美實現了可持續發展理念中的“與環境共生”這一原則[4]。

在目前的研究中，透水混凝土配合比設計的指標主要為集料緊密堆積密度、漿體體積和目標孔隙率。其常用的方法包括球模型包裹法[5]、質量法、體積法和比表面積法等。主要的控制指標為目標孔隙率。確定目標孔隙率后，便能確定漿體體積，繼而可得出配合比的設計組成[6]。在工程實踐中，由于原材料的不同和膠凝材料用量計算的不科學，往往無法對漿體數量進行精準受控，使得實際孔隙率較大地偏離目標孔隙率，難以滿足透水混凝土功能的要求。另外，常用的配合比設計方法中，其強度的設計依據不足，雖透水性符合要求，但強度卻難以保證[7-8]。因此，為解決上述問題，引入了漿體的厚度與集料的比表面積這兩個參數，并將其作為設計時的根據，提出了一種基于漿體均勻包裹模型與集料特性的透水混凝土配合比設計辦法，使混凝土強度與透水性能之間的矛盾由漿體厚度的合理控制而得以解決，可為透水混凝土配合比的科學設計提供參考思路。

1 透水混凝土的配合比設計機理

1.1 均勻包裹的漿體模型

與常規的混凝土設計不同，透水混凝土的骨架為粗集料，細集料很少或基本沒有，通過加入適量作為黏結劑的膠凝材料，使混凝土成型后具有相當數量的孔隙且相互連通，從而具有透水性能。如圖1 所示，作為本文所提出的一種新型的理念，漿體均勻包裹模型的原理主要如下：在集料中加入水和膠凝材料攪拌均勻，當水膠比和漿體厚度一定時，基于集料為緊密堆積的狀態，則膠凝材料與水的加入量可由集料的用量及其比表面積計算得到。漿體厚度（漿體體積和緊密堆積孔隙率的差值）決定了混凝土的透水功能，即透水混凝土中孔隙所占體積隨漿體厚度的增大而減小，繼而透水性能也降低。集料與漿體的黏結力、孔隙率的大小（整體密實度）和集料強度決定了混凝土的力學性能。由此可知，混凝土的力學性能與漿體厚度之間也存在聯系。

圖1 基于漿體均勻包裹的透水混凝土模型

1.2 配合比設計原理

透水混凝土的孔隙率影響著其強度與透水性，而膠凝材料用量和集料緊密堆積孔隙率與孔隙率存在一定的關系。在保證透水性能的同時，使之具有較好的抗壓強度，是在配合比設計過程中合理控制漿體數量的關鍵目標。本文通過混凝土集料的比表面積計算，基于比表面積配比設計與漿體均勻包裹模型，進而將混凝土中各組分用量通過所設定的漿體包裹厚度計算得到。同時，設定混凝土透水性和強度的控制參數為漿體厚度，從而確定最終的配合比。

1.3 控制參數的計算與確定

1.3.1 集料參數

集料的緊密堆積孔隙率一般根據規范《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》（JGJ 52），通過計算相關參數（包括緊密堆積密度、顆粒級配、分計篩余、表觀密度和堆積密度）而確定。集料粒徑為1.18～2.36 mm 時，比表面積因子為160 m2/kg。集料粒徑所處范圍為2.36 ～4.75 mm、4.75 ～10 mm、10～20 mm 和20 mm 以上時，相應的比表面積因子分別為80 m2/kg、40 m2/kg、20 m2/kg、10 m2/kg。

1.3.2 比表面積與集料用量

根據《透水水泥混凝土路面技術規程》（CJJ/T 135）規定，設α 為集料用量修正系數（取值為0.98），ρg為集料的緊密堆積密度（kg/m3），則單位體積透水混凝土中的集料用量mg= α × ρg。另設集料的分計篩余為δi（%），γi為集料比表面積因子（m2/kg），則單位體積透水混凝土集料的總比表面積Sg可由下式計算得出：

1.3.3 漿體厚度確定

當混凝土漿體強度等級為C10 時，漿體厚度取值為0.24～0.28 mm；漿體強度等級為C15 時，漿體厚度取值為0.28～0.32 mm；漿體強度等級為C20時，漿體厚度取值為0.32～0.36 mm。

設漿體包裹厚度為hj，單位體積透水混凝土集料的比表面積為Sg，則hjSg/1000 即單位體積透水混凝土漿體體積，記為Vj。

1.3.4 孔隙率檢驗

15%～25%之間的區域是漿體體積和集料緊密堆積孔隙率差值的合理區間，應不斷調整漿體包裹厚度，使之符合上述區間的數值要求。

1.3.5 確定水、外加劑和膠凝材料的用量

設水的密度為ρw，水膠比為Rw/c，膠凝材料密度為ρc，漿體用量修正系數為β（一般為0.98），外加劑的摻量為a，則可由式（2）～式（4），分別計算得到水的用量mw、膠凝材料的用量mc和外加劑的用量ma。

2 試驗材料與方法

2.1 材料選擇

表1 為紅獅牌水泥的性能測試結果，水泥強度等級為P.O 42.5。集料為單粒徑碎石，粒徑為4.75 mm。其粒徑分布和性能測試見表2。

表1 水泥性能技術指標

表2 集料性能技術指標和粒徑分布

2.2 配合比計算

基于漿體厚度取值范圍與設計強度等級，取0.24～0.36 mm 區間的漿體厚度進行配比設計，厚度級差為0.02 mm，編號依次為A-1～A-7。水膠比定為0.27，碎石為1 600 kg。根據上述計算步驟確定配比中各成分的材料量（見表3）。

表3 配合比設計組成

2.3 試件養護與成型

本次試驗統一采用人工插振的辦法進行成型，以盡量避免成型方法不同對透水混凝土透水和力學性能產生的影響[9-10]。按松鋪系數1.5 考慮，將一定質量的混凝土裝入150 mm2的正方體模型中。裝入時分2 次進行，每次裝入后均由外向內以順時針插振25 次。模型中混凝土裝滿后，再用平板振搗器將其表面整平壓實成型，于24 h 后再放入標養室中進行標養，至相應齡期后取出測試。

2.4 試驗方法

將標養室中的立方體試塊進行鉆心取樣，取樣形狀為圓柱體，尺寸為φ100×50 mm。利用相應的測量裝置對透水系數進行測定。該測試裝置在國內用于透水磚的透水系數測定。相應裝置如圖2 所示。

圖2 用于透水系數測定的試驗裝置

另外，試樣的有效孔隙率可通過稱重法進行測定。試樣的有效孔隙率可按下式計算：

式中：m1為試樣干燥時的質量；m2為其在水中浸泡24 h 后的質量；V0為試樣體積。

3 試驗結果分析

根據上文所述配合比和相應的養護方法，對成型試件的性能進行測試。試驗可得漿體厚度與透水系數、有效孔隙率的關系如圖3 所示，混凝土漿體厚度與不同齡期抗壓強度間的關系如圖4 所示。

圖3 漿體厚度與透水系數、有效孔隙率的關系

圖4 漿體厚度與抗壓強度的關系

由圖3 可知，有效孔隙率隨漿體厚度的增加而減少，進而透水系數減少。由圖4 可知，混凝土各齡期的抗壓強度隨漿體厚度的增大而增大。原因是混凝土中漿體體積會隨著漿體厚度的增大而增大，集料在成型后為緊密堆積形態，多余的漿體使集料間的孔隙得以充填，使混凝土的密實度提升。與此同時，漿體與集料之間的接觸面積也得以增大，減少了內部孔隙，使集料間由點接觸而引起的應力趨于分散，從而增大了透水混凝土的抗壓強度。

由試驗結果可知，采用本次試驗的配合比設計方法，透水混凝土的抗壓強度在有效的漿體厚度取值范圍內滿足設計要求的強度等級。同時，其透水系數均超過1 mm/s，滿足現行透水混凝土標準的要求。

4 結 語

（1）基于漿體包裹厚度和集料比表面積的角度，為解決透水混凝土工作性能、透水性能與強度之間的矛盾問題，提出了一種新型的透水混凝土配合比設計辦法，可避免在原材料改變和應用經驗公式時，透水混凝土因過多或過少的漿體數量而出現封底情況，繼而導致漿體與集料間黏結力不夠而降低混凝土力學性能或者透水性能變差。

（2）利用本文所設計的配合比方法制備的透水混凝土透水系數符合要求，透水性能良好，且抗壓強度滿足設計要求，取得了理想的應用效果。