透水混凝土配合比设计及测试方法

陈 超，王义恒，陈 琴

(1.华新水泥股份有限公司，武汉 430073；2.武汉市汉阳市政建设集团公司，武汉 430050)

2013年12月，习近平总书记提出“建设自然积存、自然渗透和自然净化的海绵城市”，《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》要求必须坚持节约资源和保护环境的基本国策，加快建设资源节约型、环境友好型社会，《住房城乡建设事业“十三五”规划纲要》提出加强城市地下综合管廊建设和改造城市地下管网，努力营造城市宜居环境，建设低碳生态城市，全面推进海绵城市建设，《混凝土与水泥制品行业“十三五”发展规划》也提出提高城市综合承载能力，建设宜居城市，缓解日益加大的排洪排涝压力的思路，加快推进海绵城市和地下综合管廊、地下储水空间建设，因此海绵城市作为国家规划正紧锣密鼓地建设中。透水混凝土是一种有利于促进水循环，改善城市生态环境的环保型建筑材料，在海绵城市建设透水铺装过程中扮演了重要角色。

透水混凝土是由集料表面包裹一层浆体粘结层并相互胶结而形成的孔隙均匀分布的结构。20世纪60年代，美国、欧洲、日本等国已开始对透水混凝土进行设计研究和开发，并形成国家级标准规范，广泛应用于市政、园林、环保等工程，20世纪90年代我国对透水混凝土的研究逐步展开，取得一定成果[1]。笔者即对现有透水混凝土配合比设计方法和透水性能测试方法作出探讨。

1 透水混凝土配合比设计方法

1.1 绝对体积法理论

国内外学者对透水混凝土配合比设计做出了大量研究，从水胶比、孔隙率、有效孔隙率、孔径大小、胶凝材料用量、集料用量、集料粒径和粒型、有效粒径、级配、均匀系数、拌合物稠度等不同因素对透水混凝土性能的影响做出了全面研究，并提出了透水混凝土配合比设计方法。目前，较为成熟的是浆体包裹并粘结骨料的理论[1-2]，并形成了常用的绝对体积法设计透水混凝土配合比。行业标准《透水水泥混凝土路面技术规程》CJJ/T135—2009、《再生骨料透水混凝土应用技术规程》CJJ/T253—2016，以及北京市地方标准《透水混凝土路面技术规程》DB11/T775—2010、厦门市地方标准《透水水泥混凝土应用技术规程》DB3502/Z5006—2015等标准规范都采用了绝对体积法设计透水混凝土配合比。

绝对体积法设计透水混凝土配合比的基本原理是：透水混凝土主要由粗集料、浆体、孔隙三元素组成(见图1)，其中粗集料堆积形成透水混凝土的基本骨架单元，浆体包裹在粗集料表面形成粘结层，集料-集料、集料-浆体、浆体-浆体之间形成孔隙结构。孔隙分为连通孔、半连通孔和封闭孔三种结构，其中连通孔成为穿透性水流通道而使透水混凝土具有透水性能。因此，通过计算集料体积、浆体体积和孔隙体积即可确定透水混凝土配合比。

1.2 主要设计参数

根据试验研究及现行标准规范的要求，表1、表2总结了透水混凝土设计部分参数范围。

表1 透水混凝土设计参数

表2 Typical Pervious Concrete Materials Proportions[4]

表2为美国ACI协会《Report on Pervious Concrete》522R-10对透水混凝土设计参数提出的相关指标，可以看出表1与表2技术指标具有类似性。通过设计参数可对透水混凝土配合比进行设计。

1.3 配合比设计方法

1)确定配制强度

透水混凝土的配制强度和普通混凝土相同。

2)确定粗集料用量

研究认为，透水混凝土主要由粗集料作紧密堆积形成基本骨架，因此粗集料用量可采用1 m3紧密堆积用量，但粗集料表面包裹着一层浆体，因此实际透水混凝土粗集料用量需进行修正，按下式计算

mG=α×ρG×1

(1)

式中,mG为每立方米粗集料用量；ρG为粗集料紧密密度；α为修正系数，可取0.98。

在透水混凝土中可掺入细集料以增强其力学性能，但相反地，透水性能可能将有所降低[5，6](图2)，相应地修正系数α应根据实际情况予以修正。细集料可按质量砂率或体积砂率形式掺入，徐仁崇等人[6]采用体积砂率对透水混凝土配合比参数选择及设计方法进行了研究，效果优异。体积砂率是细集料体积与砂浆体积的比率，更加符合浆体包裹粗集料的理论。

研究[7]表明，粗集料最大粒径越小、级配越优，则透水混凝土强度越高，因此制备强度较高的透水混凝土时应选取粒径相对小的粗集料。

3)选择水胶比

普通混凝土水胶比和抗压强度满足鲍罗米线性关系，但透水混凝土有独特的骨架-孔隙结构形式，水胶比与抗压强度不再满足鲍罗米公式。包裹粗集料的浆体应具有适宜的粘性，使透水混凝土浆体包裹骨料粘聚性好，不松散，手攥成团具有光泽，因此水胶比具有适用范围(如表1所示)，为0.25～0.35。透水混凝土水胶比不再由公式计算得出，而是在上述适用范围内选取。

4)计算胶凝材料用量

透水混凝土由粗集料、浆体和孔隙三元素组成，因此浆体体积可按下式计算

Vp=1-VG-1×Rviod

(2)

VG=mG/ρg

(3)

式中，Vp为每立方米透水混凝土中浆体体积；VG为每立方米透水混凝土中粗集料体积，可由式(3)计算；Rviod为设计孔隙率；ρg为粗集料表观密度。

设计孔隙率包括连通孔隙、半连通孔隙和封闭孔隙的总占比，其中连通孔隙(连续孔隙)为混凝土透水提供了必要通道。然而，在实际配合比设计及制备过程中连续孔隙率是不可控制的，无法通过设计连续孔隙率制备透水混凝土。

实际过程中，可由实验测定透水混凝土连续孔隙率，根据所采用的原材料特点和设计方法建立设计孔隙率和实测连续孔隙率、实测连续孔隙率和实测透水系数的关系，由此建立设计孔隙率和测试透水系数的关系。通过设计孔隙率和透水系数关系(图3)，即可以确定满足透水系数要求的设计孔隙率。研究[8]表明，浆体体积与粗集料堆积后内部颗粒间隙体积(即1-VG)比例为30%～60%时，透水混凝土力学性能和透水性能均较优，因此可推算出设计孔隙体积占据粗集料颗粒间隙体积(即1-VG)比例为40%～70%时，透水混凝土性能较优异。

胶凝材料用量可按式(4)计算

(4)

(5)

式中，mb为每立方米透水混凝土胶凝材料用量；ρb为胶凝材料表观密度，可由式(5)计算；W/B为水胶比；ρw为水的密度；βc、βf、βk分别为水泥、粉煤灰、其他矿物掺合料的质量分数；ρc、ρf、ρk分别为水泥、粉煤灰、其他矿物掺合料的表观密度。然后根据胶凝材料用量及各种胶凝材料的质量分数计算各种胶凝材料质量。

5)计算用水量及外加剂用量

每立方米透水混凝土用水量和外加剂用量可分别按式(6)、式(7)计算。

mw=mb×(W/B)

(6)

mca=mb×βa

(7)

式中，mw、mca分别为每立方米透水混凝土用水量和外加剂用量；βa为外加剂对胶凝材料的掺量。

2 透水性能测试方法

透水系数是透水混凝土最重要性能之一，透水性能优异的透水混凝土连通孔隙应较多，相应的连续孔隙率也越大，因此连续孔隙率可一定程度上反映透水性能优劣。连续孔隙率可按式(8)计算

(8)

式中，ν为透水混凝土连续孔隙率；m1、m2分别为透水混凝土试件在水中的质量(图4)和干燥后的质量；V为透水混凝土试件体积。

连续孔隙率间接反映透水性能，透水系数则直接反映了透水性能，透水系数是指单位时间内透过混凝土的水位高度。目前测试透水系数的方法有两种，一是固定水位法(图5)，行业标准《透水水泥混凝土路面技术规程》CJJ/T135—2009、Dang Hanh Nguyen[2]等采用了该方法；二是固定水量法(图6)，北京市标准《透水混凝土路面技术规程》DB11/T775—2010、厦门市地方标准《透水水泥混凝土应用技术规程》DB3502/Z5006—2015、张超贤[1]等采用了该方法。

固定水位法(图5)是固定水位高度H，通过测量一定时间t内排到容器内的水量Q来计算透水系数的方法，按式(9)计算

(9)

式中，k为透水系数；L为试件厚度；A为试件透水横截面积。

固定水量法(图6)采用了具有刻度的水位圆筒，水位圆筒内径应与试件透水横截面积相同(或水位圆筒可直接读出体积)，透水稳定后通过读取时间t内水位下降高度(或水位下降对应的体积)计算透水系数，按式(10)计算

(10)

式中，h0为初始水位高度；h1为最终水位高度；t为水位从h0下降至h1所消耗的时间。

通过比较两种测试方法可知其基本原理都一样，但固定水位法相对严谨，因为该方法是通过精确测定最终排出的总水量来计算透水系数，且水位高度不变，试件内部各点受压不变，结论更科学。而固定水量法则对水位圆筒的精度要求更高，肉眼读数误差和水位圆筒精度误差使测量结果误差相对较大，且随着水位降低，试件内部水压也有所变化，透水速度也有所变化，均影响透水系数的准确性，但实际测试过程中上述误差是可接受的，并且便于操作。

3 结 论

a.绝对体积法计算透水混凝土配合比是目前较为成熟和通用的一种方法。实际应用过程中，宜根据原材料性能和设计方法建立设计孔隙率与实测连续孔隙率、实测透水系数的关系，然后根据三者之间的关系反推设计孔隙率，再计算透水混凝土配合比。

b.设计孔隙体积占据粗集料颗粒间隙体积比例为40%～70%时，透水混凝土性能较优异。

c.固定水位法和固定水量法均是通过测定单位时间内透过混凝土的水位高度来评价透水系数的方法，其中固定水位法更严谨、科学。

[1] 张贤超.高性能透水混凝土配合比设计[D].湖南：中南大学，2010.

[2] Dang Hanh Nguyen，Nassim Sebaibi，Mohamed Boutouil etc.A Modified Method for the Design of Pervious Concrete Mix[J].Construction and Building Materials，2014,73:271-282.

[3] Linoshka Soto-Perez，Sangchul Hwang.Mix Design and Pollution Control Potential of Pervious Concrete with Nan-compliant Waste Fly Ash[J].Journal of Environmental Management，2016,176:112-118.

[4] ACI 522R-2010,Report on Pervious Concrete[S]. American Concrete Institute，Farmington Hills，2010.

[5] 吴 冬，刘 霞，吴小强，等.成型方式和砂率对透水混凝土性能的影响[J].混凝土，2009(5)：100-102.

[6] 徐仁崇，桂苗苗，刘君秀，等.透水混凝土配合比参数选择及设计方法研究[J].混凝土，2011(8)：109-112.

[7] Cosic K，Korat L，Ducman V，et al.Influence of Aggregate Type and Size on Properties of Pervious Concrete[J].Construction and Building Materials，2015,78:69-76.

[8] Ammar Yahia，K. Daddy Kabagire.New Approach to Proportion Pervious Concrete[J].Construction and Building Materials，2014,62:38-46.