透水混凝土配合比設計參數對其性能影響研究

張燦文ZHANG Can-wen

（佛山市運勝工程檢測技術有限公司，佛山 528500）

0 引言

近幾年由于天氣原因，大氣降水集中，時間短強度大，城市出現嚴重內澇，小雨小積水，大雨成洪水。工業發現和城市人口集中造成地下水位下降，大氣降水白白流走得不到利用。海綿城市的建設成為國家大力提倡推行的新型生態城市的主流方向。海綿城市建設中最重要的環節是對雨水、雪水等大氣降水的消納與利用，而透水鋪裝很好地解決了這一問題。透水混凝土以其獨特骨架-孔隙結構特性成為海綿城市建設中重要應用材料。透水混凝土和傳統混凝土相比，有著較大的孔隙率，良好的透水性能，適宜的強度，能很好地緩解城市內澇補充地下水源，并憑著多孔透氣的特點對降低城市熱島效應、削減噪音傳播等方面都具有良好性能，具有廣闊的應用前景。

1 透水混凝土配合比設計

1.1 透水混凝土配合比設計方法選擇

本次透水混凝土配合比設計依據《透水水泥混凝土路面技術規程》CJJT135-2009。

1.2 透水混凝土配合比設計參數

1.2.1 配合比設計主要參數

透水混凝土配合比設計參數主要有目標孔隙率、配制強度、水膠比等。

1.2.2 目標孔隙率

透水混凝土目標孔隙率主要滿足透水性能要求，透水性要求越高則取值越大。一般目標空隙率取值為15%-40%。目標空隙率與實測孔隙率存在差異，實測孔隙率要小于目標孔隙率。透水混凝土中的孔隙有三種形態：一是封閉的孔隙；二是開口但不連續的孔隙；三是貫穿混凝土且連續的有效孔隙，有效孔隙率是透水混凝土透水性的保證。

1.2.3 強度

目前透水混凝土發展方向是高強高透水性，強度已經達到40MPa，透水系數則達到K8 級不小于8mm/s。由于透水混凝土的強度受孔隙率影響很大，如何在保證透水性能前提下提高強度是透水混凝土設計成功的關鍵。影響透水混凝土強度主要因素有：孔隙率、水膠比、骨料粒徑、增強劑摻量等。

1.2.4 水膠比

水膠比是影響透水混凝土強度的重要因素。水膠比既影響透水混凝土的強度，又影響其透水性，水膠比的確定要兼顧二者之間相互關系。透水混凝土水膠比選擇范圍一般控制在0.25-0.35 之間。

1.2.5 骨料粒徑與級配

透水混凝土為了保證孔隙率一般采用單粒徑集料，集料規格通常是（2.36-4.75）mm、（4.75-9.5）mm、（9.5-13.2）mm 碎石。使用大粒徑的骨料配制的混凝土孔隙率較大，強度較低，較小粒徑骨料適宜配制強度較高的透水混凝土。

1.2.6 增強料

使用增強料能提高透水混凝土強度，增強料兼有減水、增黏、提強作用，常用增強料摻量為水泥用量3%-6%。

1.2.7 外加劑

摻加適量的減水劑可以減少水泥用量提高透水混凝土強度并改善其工作性能。

1.2.8 粉煤灰和硅灰等外摻料

摻加適量的粉煤灰和硅灰等外摻料可以改善透水混凝土的工作性能，節約水泥用量。

2 透水混凝土配合比設計實例

2.1 本次試配目地

通過試配檢驗透水混凝土配合比各項參數相互作用及對其各項性能影響。

2.2 透水混凝土配合比設計參數

本次透水混凝土配合比設計強度為C25，目標空隙率采用Rvoid1＝15%、Rvoid2＝20%、Rvoid3＝25%。

2.3 材料采用情況

2.3.1 粗集料

本次試配采用云浮市金昇石料有限公司祥盛石場的4.75-9.5mm 花崗巖碎石各項技術指標檢驗匯總見表1。

表1 4.75-9.5mm 碎石各項技術指標匯總表

2.3.2 水泥

采用廣州產“石井牌”P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，28 天強度為49.6MPa，密度為3100kg/m3。

2.3.3 增強料

采用廣東中山產粉狀“維多利”牌透水混凝土增強劑，密度為2190kg/m3，推薦摻量為水泥用量3%-6%，本次試配采用3.5%摻量。

2.3.4 外加劑

采用紅墻股份CSP-13 聚羧酸高效減水劑，減水率25%，推薦摻量為0.5%-3.0%，本次試配采用1.0%摻量。

2.3.5 拌和水

可飲用自來水。

2.4 配合比計算過程

2.4.1 配制強度

本次擬配透水混凝土強度設計為C25，配制強度fcu，o=33.2MPa。

2.4.2 計算粗集料用量

單位體積粗骨料用量：WG=α×ρG=1500×0.98=1470kg

2.4.3 水泥漿體體積

水泥漿體體積計算按下式確定（以Rvoid2=20%為計算實例）：

VP=1-α×（1-vc）-1×Rvoid=1-0.98×（1-0.446）-1×0.20=0.257m3/m3

經計算得出各孔隙率對應的水泥漿體體積VP為：

Rvoid1=15%，VP1=0.307m3/m3

Rvoid2=20%，VP2=0.257m3/m3

Rvoid3=25%，VP3=0.207m3/m3

2.4.4 水膠比的確定

水膠比宜控制在0.25-0.35，本次試配采用水膠比RW/C=0.30，并按增加0.05 和減少0.05 浮動，計算各材料用量。

2.4.5 單位水泥用量

按下公式確定

WC=（VP×ρc）/（RW/C+1）

ρc——水泥漿體密度（《透水水泥混凝土路面技術規程》CJJT135-2009 中2.3.3.4 中ρc為水泥密度是錯誤的，應為水泥漿體密度，本次水泥漿體密度經試驗確定為1900kg/m3）。

2.4.6 單位用水量

單位用水量為水膠比同水泥用量乘積。

Ww=WC×RW/C

2.4.7 單位增強料用量、單位外加劑用量

單位增強料用量、單位外加劑用量是以水泥用量為基礎乘以摻量計算得到。

2.4.8 單位材料用量

經計算得到配合比各材料用量匯總如表2。

表2 單位體積材料用量

2.5 透水混凝土配合比拌制

2.5.1 工作性能檢驗

按計算得到各材料用量拌制適宜數量的混凝土，檢驗工作性能。在最初進行透水混凝土的試拌與調整時，根據經驗來判定水膠比是否合適。取適量拌和好的混凝土拌和物進行觀察，如果水泥漿在骨料顆粒表面包裹均勻，沒有水泥漿下滴流淌積聚在集料下面現象，顆粒不松散且手捻成團，表面有類似金屬的光澤，則說明水膠比較為合適。然后以該水膠比為最佳水膠比，進行試配拌制混凝土檢驗其性能。

2.5.2 配合比調整

①配合比編號P1 目標孔隙率Rvoid=15%水膠比RW/C=0.25 一組透水混凝土比較黏稠，有水泥漿體下沉現象，說明水泥漿體過多。把該組水膠比調整為RW/C=0.28，水泥及增強料用量隨之減少，經拌制后工作性能良好。

②配合比編號P8、P9 目標孔隙率Rvoid=30%中水膠比RW/C=0.30、RW/C=0.35 兩組透水混凝土比較松散，手攥不能成團，說明水泥漿體不足，把該兩組水膠比調整為RW/C=0.28、RW/C=0.30，水泥、增強料、外加劑用量隨之增加后經拌制工作性能良好。

2.6 透水混凝土硬化后透水性能力學性能指標檢驗

按每個目標孔隙率每個水膠比制作成型100mm×100mm×100mm 抗壓試件及?100mm×h50mm 透水系數試件，經標準養護28 天后檢測其抗壓強度和透水系數，剔除異常數據后匯總見表3。

3 透水混凝土試配結果分析

利用2.6 表3 的數據可以得到如圖1-圖3。

從表3 和圖1、圖2、圖3 數據分析可以得到如下關系：

表3 透水混凝土性能檢測匯總表

3.1 目標空隙率對透水性能和強度影響

水膠比一定，隨著目標孔隙率增大透水系數增大，強度則降低；目標孔隙率減小透水系數減小，強度則增高。由于透水混凝土骨架孔隙結構特點決定了孔隙越多越大則透水性能越好，但在孔隙的影響下結構不夠緊密，往往在骨料黏結處出現破壞，結構強度則隨之下降。

當目標孔隙率為25%時，編號為P7、P8、P9 的配合比抗壓強度雖然能夠達到設計強度要求但配制強度難以滿足要求。從2.4.8 表2 可以看出雖然水膠比相同，但由于目標孔隙率不同，單位體積水泥用量相差很大。

3.2 水膠比對強度和透水性能影響

目標孔隙率一定，隨著水膠比的增大透水系數增大，強度則減少；水膠比減小透水系數變小，強度則增高。

水膠比小，水泥漿就會變稠，雖有利于凝膠體包裹骨料進而形成強度，但過多的漿料會堵塞孔隙造成透水性能下降。水膠比大，雖然有利于孔隙形成透水性能良好，但卻容易出現離析骨料膠接變差，整體強度會較低，不利于其耐久性。

3.3 增強料、外加劑對強度和透水性能的影響

從圖2 可以看出，摻加增強料、摻外加劑、增強料和外加劑雙摻對透水混凝土強度影響大到小依次為：增強料和外加劑雙摻、摻加增強料、摻外加劑。

從圖3 可以看出，摻加增強料、摻外加劑、增強料和外加劑雙摻對透水混凝土透水性能影響大到小依次為：摻外加劑、增強料和外加劑雙摻、摻加增強料。

4 透水混凝土試配總結

4.1 透水混凝土設計時要兼顧透水性能和強度平衡的原則

透水混凝土的透水性能和強度是相互矛盾的一對參數，良好的透水性能意味著要犧牲一部分強度，較高的強度意味著混凝土結構密實透水性能有所降低。透水混凝土最重要的特性是透水性能，在考慮透水性能要求前提下采取措施保證強度，是透水混凝土配合比設計成功的關鍵。

4.2 確保強度滿足設計要求

透水混凝土在配合比設計時，不但要確保設計強度滿足要求還要保證配制強度滿足設計要求。確保強度滿足要求就要選擇適宜水膠比，合適的骨料并且外摻增強料或者外加劑。強度是透水混凝土耐久性的重要保證。

4.3 適當摻加增強料和外加劑

當設計C25 以下透水混凝土配合比時，建議要摻外加劑，對于C25-C30 透水混凝土要摻增強料，對于C30 以上透水混凝土建議增強料和外加劑雙摻。如果要求大的孔隙率又要保證高強度則需要選用優質材料尤其是骨料料徑和級配，適宜的水膠比，并且在摻增強料的同時摻外加劑。