C25透水混凝土设计参数优化及性能试验研究

张新胜，吴跃辉，李多元，王宪国，陈文彬

（河南中建西部建设有限公司，河南 郑州 451450）

C25透水混凝土设计参数优化及性能试验研究

张新胜，吴跃辉，李多元，王宪国，陈文彬

（河南中建西部建设有限公司，河南 郑州 451450）

本文对 C25 透水混凝土的配合比设计及其性能进行研究，根据水胶比、成型方式、石子级配三个参数设计不同的配合比，分析强度及透水性能随参数的变化规律。结果表明水胶比对透水系数起主导作用，成型方式对抗压强度起决定作用，为透水混凝土的优化设计提供一定的借鉴。

透水混凝土；设计参数；性能试验

0 引言

随着城市化进程的迅猛发展，城市建设与环境问题的矛盾日益突出，目前国内多个城市均提出将“海绵城市”的设计理念融入到城市化建设中。透水混凝土[1]是“海绵城市”模型中极其重要的一个组成部分，它是一种由粗骨料、水、胶材、外加剂等拌合而成的具有一定孔隙率和透水性的蜂窝状绿色环保混凝土，其具有透水性强、消除噪声、改善水循环、经济实用等诸多优点。国内学者的研究方向主要集中在透水混凝土配合比设计方法对比[2]、矿物掺合料掺量对强度的影响、高新材料的使用对强度的影响、堵塞机理试验研究等方面，透水混凝土的性能规律尚不清晰。本文以技术规程为基础，着重考虑骨料级配、成型工艺、水胶比等因素，分析总结了透水混凝土强度和透水性能随参数的变化规律。

1 透水混凝土试验设计

1.1 配合比设计方法的选择

考虑多孔性的设计常从如下三种方法入手：质量法、比表面积法、体积法。质量法作为一种经验方法，可根据经验图表快速确定材料使用量，具有简化计算过程的优点，适用于强度要求不高的现场拌制，但在浆体量控制、骨料裹浆厚度控制等方面有很大的局限性。比表面积法主要技术路线为先通过多次试验得到合适的裹浆厚度和骨料的比表面积，再计算表面积和裹浆厚度的乘积得到浆体量，这种方法对于浆体量的控制有一定的优势，但是计算之前的试验工作量很大。体积法以孔隙率为控制目标，通过对孔隙率的控制实现预设的透水性能及强度等级，但该种方法对施工过程要求较高，受水胶比、成型方式、骨料形状和级配的影响很大，浆体量常出现失控情况，严重影响实际孔隙率和透水系数[3]。

综合上述方法的优缺点，本文采用体积法，并考虑骨料粒径级配、设计孔隙率、成型方式、水胶比等对体积法影响较大的几个关键因素，力求得到透水混凝土强度和透水性能随参数的变化规律。

1.2 设计参数的选择

1.2.1 骨料粒径

在通用设计参数确定的情况下，骨料级配的选择尤为重要。已有研究通常认为骨料的粒径越小越好，多选择5～10mm 细石作为粗骨料，但在实际施工时常出现成型后实际孔隙率低、透水系数小甚至不透水的缺陷，因此本文在选取 5～10mm 细石的基础上，考虑加入一定比例粒径为10～16mm 的碎石。骨料粒径选择情况见表1。

表1 骨料级配设计

1.2.2 成型方式

目前常用的四种成型方式为：手工插捣、机械振捣、插捣与振捣结合、静压成型。手工插捣成型的试块较为均匀但密实度较低，导致实际孔隙率远大于设计孔隙率，进而降低抗压强度。机械振捣成型的试块密实度高，但非常容易产生沉降现象，透水性大幅降低。静压成型方式需要专业的静压机械及特制成型模具，试验室的试验条件一般很难达到要求。手工插捣与机械振捣相结合取长补短，均匀性和密实性兼顾，本文采用该方法进行成型，具体的插捣次数见表2。

表2 成型方式设计

1.2.3 水胶比和设计孔隙率

水胶比主要影响裹浆厚度。水胶比过小导致浆体量过少，裹浆厚度小，对透水性能有利，但是对强度非常不利。水胶比过大导致浆体量过大、裹浆厚度大，填充了一部分孔隙，对透水性能不利，对强度提高有利。综合考虑透水性能和已有研究成果[4]，本文选用如下水胶比：0.23，0.26，0.29。

采用体积法时对于实际孔隙率的控制是关键，设计孔隙率与成型后的实际孔隙率直接关联，在其他因素确定的情况下，设计孔隙率的大小在一定程度上决定透水性能的好坏。技术规程要求连续孔隙率≥10%，结合已有研究成果，综合考虑选取设计孔隙率为 15%。

1.3 配合比设计

体积法计算配合比的公式如下：

式中：

mG、ρS——分别为石子的质量和表观密度，石子质量 mG可根据经验公式 mG=0.98ρG进行计算，ρG为石子的紧密堆积密度；

mW、ρW——分别为水的质量和密度；

mJ、ρJ——分别代表胶材的质量和密度，其中密度可根据胶材的种类进行展开；

P——设计孔隙率。

2 试验过程及性能测定

试验选取荥阳贾峪镇 5～20mm 连续级配碎石，荥阳天瑞水泥厂生产的 P·O42.5 水泥，粉煤灰为河南焦作电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，外加剂为河南科之杰生产的脂肪族高效减水剂，掺量设定为 0.8%，可进行微调。原材料的性能指标均符合规程要求。

对于投料方式，一次投料法容易出现浆体在不同的石子上分布不均匀的情况。浆体裹石法在水灰比较低的情况下浆体很难均匀分布于石子表面。本试验采用二次投料法，水先加入 20% 使得石子在表面润湿的情况下再加入粉料，更宜于浆体的均匀分布。二次投料法工艺见图1。试验配比设计及性能测定结果如表3 所示。

3 试验结果分析

对 18 次试配数据进行整理，得到透水混凝土性能随参数的变化规律。

（1）水胶比对混凝土抗压强度的影响见图2，对透水性能的影响见图3。

图1 二次投料法流程图

表3 配合比设计清单及性能试验结果

图2 强度及透水性能随水胶比的变化

由图2 可知，强度值随水胶比的增大整体上逐渐减小。结合表3 可知，其他影响因素不变时，水胶比在 0.23～0.29范围内时每减小 0.01，试块抗压强度约增大 2MPa。所采用的三组水胶比对应的三组强度曲线较平缓，这说明水胶比对强度的影响有限，其他因素如成型方式、骨料级配等对于抗压强度也有一定影响，无主导因素，多种因素之间是相互耦合的关系。

图3 水胶比对混凝土透水性能的影响

由图3 可知，随着水胶比的增大，透水性能整体上逐渐变差。水胶比每减小 0.01，透水系数约提高 0.2mm/s，透水系数的变化图形平稳下降，不同水胶比之间透水系数值无交集，说明在诸多影响因素中，水胶比对透水混凝土的透水系数起主导作用。

（2）骨料级配的影响见图4 和图5。

图4 强度随石子级配的变化

图5 透水性能随石子级配的变化

作散点图，见图4 和图5。通过多项式拟合得到变化曲线，随着 5～10mm 细石比例提高，强度值整体呈增大趋势。5～ 10mm 细石比例每增大10%，强度仅提高 0.5MPa，说明石子级配并不是强度改变的决定因素。5～10mm 细石不同占比下散点强度范围重合度较高也印证了这一点。

对于透水系数，随着 5～10mm 细石比例的增大，透水性整体上呈下降趋势，细石占比每增大 10%，透水系数约降低0.05mm/s。

（3）成型方式的影响见图6 和图7。

成型方式 2 的手工插捣次数和机械振捣秒数均为成型方式 1 的两倍。由图6 可知随着手工插捣次数和机械振捣秒数的增加，抗压强度值整体上呈现增大趋势，方式 2 较方式 1所得到的试块抗压强度约增大 3.5MPa，说明在诸多影响因素中，水胶比对透水性能起主导作用。

手工插捣次数和机械振捣秒数的增加使得透水性能急剧下降，且下降幅度较大，成型方式 2 较方式 1 试块的透水系数约降低 0.5mm/s，但两种成型方式间透水系数值范围有一定的交集，说明成型方式对透水系数有一定的影响但并不是决定性因素。

4 结论

（1）水胶比每减小 0.01，透水混凝土试块抗压强度约增大 2MPa，透水系数约提高 0.2mm/s，水胶比对于透水混凝土的透水系数起主导作用。

（2）5～10mm 细石所占比例每增大 10%，透水混凝土试块强度约增大 0.5MPa，透水系数约降低 0.05mm/s。5～10mm 细石在骨料总量中比例的增加对强度及透水性能均有一定的影响，但不起主导作用。

（3）手工插捣次数和机械振捣秒数每提高一倍，试块强度约增大 3.5MPa，透水系数约降低 0.5mm/s，成型工艺对抗压强度起主导作用。

图6 强度随成型工艺的变化

图7 透水性能随成型工艺的变化

[1] 张贤超，尹健，池漪．透水混凝土性能研究综述[J]．混凝土，2010(12): 47-50．

[2] 徐仁崇，刘君秀，曾冲圣．采用Design-Expert软件优化透水混凝土配合比设计[J]．新型建筑材料，2010(07): 17-20．

[3] Y Cui, P Gary, TE Lisle. Experimental study on properties of pervious concrete pavement materials[J]. Cement and Concrete Research, 2003, 33(3):381-386.

[4] C Lian, Y Zhuge. Optimum mix design of enhanced permeable concrete-An experimental investigation[J]. Construction and Building Materials, 2010, 24(12):2664-2671.

［通讯地址］河南省郑州市金水区经三路与农业路交叉口财富广场 2 栋 7 楼（451450）

Optimization design parameters and performance test of C25 pervious concrete

Zhang Xinsheng, Wu Yuehui, Li Duoyuan, Wang Xianguo, Chen Wenbin
(China Construction Commercial Concrete Hannan Company Limited, Zhengzhou 451450)

This article studies the design and performance of the C25 pervious concrete, considering the water cement ratio, forming method, stone gradation to design different mix proportions, and analyses the influence of the change of parameters on compressive strength and permeability coefficient. The results show that the water cement ratio plays a leading role in the water permeability coefficient, and the forming method plays a decisive role in determining the degree of pressure, which can be used for reference for the optimal design of the pervious concrete.

pervious concrete; design parameters; performance test

张新胜（1985—），男，河南中建西部建设有限公司技术质量部经理。