陳 超，王義恒，陳 琴

(1.華新水泥股份有限公司，武漢 430073；2.武漢市漢陽(yáng)市政建設(shè)集團(tuán)公司，武漢 430050)

2013年12月，習(xí)近平總書記提出“建設(shè)自然積存、自然滲透和自然凈化的海綿城市”，《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃的建議》要求必須堅(jiān)持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國(guó)策，加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)，《住房城鄉(xiāng)建設(shè)事業(yè)“十三五”規(guī)劃綱要》提出加強(qiáng)城市地下綜合管廊建設(shè)和改造城市地下管網(wǎng)，努力營(yíng)造城市宜居環(huán)境，建設(shè)低碳生態(tài)城市，全面推進(jìn)海綿城市建設(shè)，《混凝土與水泥制品行業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》也提出提高城市綜合承載能力，建設(shè)宜居城市，緩解日益加大的排洪排澇壓力的思路，加快推進(jìn)海綿城市和地下綜合管廊、地下儲(chǔ)水空間建設(shè)，因此海綿城市作為國(guó)家規(guī)劃正緊鑼密鼓地建設(shè)中。透水混凝土是一種有利于促進(jìn)水循環(huán)，改善城市生態(tài)環(huán)境的環(huán)保型建筑材料，在海綿城市建設(shè)透水鋪裝過(guò)程中扮演了重要角色。

透水混凝土是由集料表面包裹一層漿體粘結(jié)層并相互膠結(jié)而形成的孔隙均勻分布的結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)60年代，美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)已開(kāi)始對(duì)透水混凝土進(jìn)行設(shè)計(jì)研究和開(kāi)發(fā)，并形成國(guó)家級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，廣泛應(yīng)用于市政、園林、環(huán)保等工程，20世紀(jì)90年代我國(guó)對(duì)透水混凝土的研究逐步展開(kāi)，取得一定成果[1]。筆者即對(duì)現(xiàn)有透水混凝土配合比設(shè)計(jì)方法和透水性能測(cè)試方法作出探討。

1 透水混凝土配合比設(shè)計(jì)方法

1.1 絕對(duì)體積法理論

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)透水混凝土配合比設(shè)計(jì)做出了大量研究，從水膠比、孔隙率、有效孔隙率、孔徑大小、膠凝材料用量、集料用量、集料粒徑和粒型、有效粒徑、級(jí)配、均勻系數(shù)、拌合物稠度等不同因素對(duì)透水混凝土性能的影響做出了全面研究，并提出了透水混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。目前，較為成熟的是漿體包裹并粘結(jié)骨料的理論[1-2]，并形成了常用的絕對(duì)體積法設(shè)計(jì)透水混凝土配合比。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》CJJ/T135—2009、《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》CJJ/T253—2016，以及北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《透水混凝土路面技術(shù)規(guī)程》DB11/T775—2010、廈門市地方標(biāo)準(zhǔn)《透水水泥混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》DB3502/Z5006—2015等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范都采用了絕對(duì)體積法設(shè)計(jì)透水混凝土配合比。

絕對(duì)體積法設(shè)計(jì)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、漿體、孔隙三元素組成(見(jiàn)圖1)，其中粗集料堆積形成透水混凝土的基本骨架單元，漿體包裹在粗集料表面形成粘結(jié)層，集料-集料、集料-漿體、漿體-漿體之間形成孔隙結(jié)構(gòu)?？紫斗譃檫B通孔、半連通孔和封閉孔三種結(jié)構(gòu)，其中連通孔成為穿透性水流通道而使透水混凝土具有透水性能。因此，通過(guò)計(jì)算集料體積、漿體體積和孔隙體積即可確定透水混凝土配合比。

1.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)研究及現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，表1、表2總結(jié)了透水混凝土設(shè)計(jì)部分參數(shù)范圍。

表1 透水混凝土設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 Typical Pervious Concrete Materials Proportions[4]

表2為美國(guó)ACI協(xié)會(huì)《Report on Pervious Concrete》522R-10對(duì)透水混凝土設(shè)計(jì)參數(shù)提出的相關(guān)指標(biāo)，可以看出表1與表2技術(shù)指標(biāo)具有類似性。通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)可對(duì)透水混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.3 配合比設(shè)計(jì)方法

1)確定配制強(qiáng)度

透水混凝土的配制強(qiáng)度和普通混凝土相同。

2)確定粗集料用量

研究認(rèn)為，透水混凝土主要由粗集料作緊密堆積形成基本骨架，因此粗集料用量可采用1 m3緊密堆積用量，但粗集料表面包裹著一層漿體，因此實(shí)際透水混凝土粗集料用量需進(jìn)行修正，按下式計(jì)算

mG=α×ρG×1

(1)

式中,mG為每立方米粗集料用量；ρG為粗集料緊密密度；α為修正系數(shù)，可取0.98。

在透水混凝土中可摻入細(xì)集料以增強(qiáng)其力學(xué)性能，但相反地，透水性能可能將有所降低[5，6](圖2)，相應(yīng)地修正系數(shù)α應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況予以修正。細(xì)集料可按質(zhì)量砂率或體積砂率形式摻入，徐仁崇等人[6]采用體積砂率對(duì)透水混凝土配合比參數(shù)選擇及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，效果優(yōu)異。體積砂率是細(xì)集料體積與砂漿體積的比率，更加符合漿體包裹粗集料的理論。

研究[7]表明，粗集料最大粒徑越小、級(jí)配越優(yōu)，則透水混凝土強(qiáng)度越高，因此制備強(qiáng)度較高的透水混凝土?xí)r應(yīng)選取粒徑相對(duì)小的粗集料。

3)選擇水膠比

普通混凝土水膠比和抗壓強(qiáng)度滿足鮑羅米線性關(guān)系，但透水混凝土有獨(dú)特的骨架-孔隙結(jié)構(gòu)形式，水膠比與抗壓強(qiáng)度不再滿足鮑羅米公式。包裹粗集料的漿體應(yīng)具有適宜的粘性，使透水混凝土漿體包裹骨料粘聚性好，不松散，手攥成團(tuán)具有光澤，因此水膠比具有適用范圍(如表1所示)，為0.25～0.35。透水混凝土水膠比不再由公式計(jì)算得出，而是在上述適用范圍內(nèi)選取。

4)計(jì)算膠凝材料用量

透水混凝土由粗集料、漿體和孔隙三元素組成，因此漿體體積可按下式計(jì)算

Vp=1-VG-1×Rviod

(2)

VG=mG/ρg

(3)

式中，Vp為每立方米透水混凝土中漿體體積；VG為每立方米透水混凝土中粗集料體積，可由式(3)計(jì)算；Rviod為設(shè)計(jì)孔隙率；ρg為粗集料表觀密度。

設(shè)計(jì)孔隙率包括連通孔隙、半連通孔隙和封閉孔隙的總占比，其中連通孔隙(連續(xù)孔隙)為混凝土透水提供了必要通道。然而，在實(shí)際配合比設(shè)計(jì)及制備過(guò)程中連續(xù)孔隙率是不可控制的，無(wú)法通過(guò)設(shè)計(jì)連續(xù)孔隙率制備透水混凝土。

實(shí)際過(guò)程中，可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定透水混凝土連續(xù)孔隙率，根據(jù)所采用的原材料特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法建立設(shè)計(jì)孔隙率和實(shí)測(cè)連續(xù)孔隙率、實(shí)測(cè)連續(xù)孔隙率和實(shí)測(cè)透水系數(shù)的關(guān)系，由此建立設(shè)計(jì)孔隙率和測(cè)試透水系數(shù)的關(guān)系。通過(guò)設(shè)計(jì)孔隙率和透水系數(shù)關(guān)系(圖3)，即可以確定滿足透水系數(shù)要求的設(shè)計(jì)孔隙率。研究[8]表明，漿體體積與粗集料堆積后內(nèi)部顆粒間隙體積(即1-VG)比例為30%～60%時(shí)，透水混凝土力學(xué)性能和透水性能均較優(yōu)，因此可推算出設(shè)計(jì)孔隙體積占據(jù)粗集料顆粒間隙體積(即1-VG)比例為40%～70%時(shí)，透水混凝土性能較優(yōu)異。

膠凝材料用量可按式(4)計(jì)算

(4)

(5)

式中，mb為每立方米透水混凝土膠凝材料用量；ρb為膠凝材料表觀密度，可由式(5)計(jì)算；W/B為水膠比；ρw為水的密度；βc、βf、βk分別為水泥、粉煤灰、其他礦物摻合料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ρc、ρf、ρk分別為水泥、粉煤灰、其他礦物摻合料的表觀密度。然后根據(jù)膠凝材料用量及各種膠凝材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算各種膠凝材料質(zhì)量。

5)計(jì)算用水量及外加劑用量

每立方米透水混凝土用水量和外加劑用量可分別按式(6)、式(7)計(jì)算。

mw=mb×(W/B)

(6)

mca=mb×βa

(7)

式中，mw、mca分別為每立方米透水混凝土用水量和外加劑用量；βa為外加劑對(duì)膠凝材料的摻量。

2 透水性能測(cè)試方法

透水系數(shù)是透水混凝土最重要性能之一，透水性能優(yōu)異的透水混凝土連通孔隙應(yīng)較多，相應(yīng)的連續(xù)孔隙率也越大，因此連續(xù)孔隙率可一定程度上反映透水性能優(yōu)劣。連續(xù)孔隙率可按式(8)計(jì)算

(8)

式中，ν為透水混凝土連續(xù)孔隙率；m1、m2分別為透水混凝土試件在水中的質(zhì)量(圖4)和干燥后的質(zhì)量；V為透水混凝土試件體積。

連續(xù)孔隙率間接反映透水性能，透水系數(shù)則直接反映了透水性能，透水系數(shù)是指單位時(shí)間內(nèi)透過(guò)混凝土的水位高度。目前測(cè)試透水系數(shù)的方法有兩種，一是固定水位法(圖5)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》CJJ/T135—2009、Dang Hanh Nguyen[2]等采用了該方法；二是固定水量法(圖6)，北京市標(biāo)準(zhǔn)《透水混凝土路面技術(shù)規(guī)程》DB11/T775—2010、廈門市地方標(biāo)準(zhǔn)《透水水泥混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》DB3502/Z5006—2015、張超賢[1]等采用了該方法。

固定水位法(圖5)是固定水位高度H，通過(guò)測(cè)量一定時(shí)間t內(nèi)排到容器內(nèi)的水量Q來(lái)計(jì)算透水系數(shù)的方法，按式(9)計(jì)算

(9)

式中，k為透水系數(shù)；L為試件厚度；A為試件透水橫截面積。

固定水量法(圖6)采用了具有刻度的水位圓筒，水位圓筒內(nèi)徑應(yīng)與試件透水橫截面積相同(或水位圓筒可直接讀出體積)，透水穩(wěn)定后通過(guò)讀取時(shí)間t內(nèi)水位下降高度(或水位下降對(duì)應(yīng)的體積)計(jì)算透水系數(shù)，按式(10)計(jì)算

(10)

式中，h0為初始水位高度；h1為最終水位高度；t為水位從h0下降至h1所消耗的時(shí)間。

通過(guò)比較兩種測(cè)試方法可知其基本原理都一樣，但固定水位法相對(duì)嚴(yán)謹(jǐn)，因?yàn)樵摲椒ㄊ峭ㄟ^(guò)精確測(cè)定最終排出的總水量來(lái)計(jì)算透水系數(shù)，且水位高度不變，試件內(nèi)部各點(diǎn)受壓不變，結(jié)論更科學(xué)。而固定水量法則對(duì)水位圓筒的精度要求更高，肉眼讀數(shù)誤差和水位圓筒精度誤差使測(cè)量結(jié)果誤差相對(duì)較大，且隨著水位降低，試件內(nèi)部水壓也有所變化，透水速度也有所變化，均影響透水系數(shù)的準(zhǔn)確性，但實(shí)際測(cè)試過(guò)程中上述誤差是可接受的，并且便于操作。

3 結(jié) 論

a.絕對(duì)體積法計(jì)算透水混凝土配合比是目前較為成熟和通用的一種方法。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，宜根據(jù)原材料性能和設(shè)計(jì)方法建立設(shè)計(jì)孔隙率與實(shí)測(cè)連續(xù)孔隙率、實(shí)測(cè)透水系數(shù)的關(guān)系，然后根據(jù)三者之間的關(guān)系反推設(shè)計(jì)孔隙率，再計(jì)算透水混凝土配合比。

b.設(shè)計(jì)孔隙體積占據(jù)粗集料顆粒間隙體積比例為40%～70%時(shí)，透水混凝土性能較優(yōu)異。

c.固定水位法和固定水量法均是通過(guò)測(cè)定單位時(shí)間內(nèi)透過(guò)混凝土的水位高度來(lái)評(píng)價(jià)透水系數(shù)的方法，其中固定水位法更嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)。

[1] 張賢超.高性能透水混凝土配合比設(shè)計(jì)[D].湖南：中南大學(xué)，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，F(xiàn)armington Hills，2010.

[5] 吳 冬，劉 霞，吳小強(qiáng)，等.成型方式和砂率對(duì)透水混凝土性能的影響[J].混凝土，2009(5)：100-102.

[6] 徐仁崇，桂苗苗，劉君秀，等.透水混凝土配合比參數(shù)選擇及設(shè)計(jì)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.