研究探索：球模型包裹法設(shè)計(jì)含砂透水混凝土及其性能的研究

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本文選自《商品混凝土》雜志2024年第2期

球模型包裹法設(shè)計(jì)含砂透水混凝土及其性能的研究

黃英姿，孔洲斌，夏志偉，王晨程，王華麗

［摘 要］針對(duì)球模型包裹法設(shè)計(jì)透水混凝土，明確了含砂透水混凝土的設(shè)計(jì)步驟，并提出利用骨料總表面積、漿體密度、質(zhì)量之間關(guān)系測(cè)量骨料裹漿厚度的方法，開展了凈漿流動(dòng)度、砂漿流動(dòng)度、加砂量對(duì)骨料裹漿厚度和混凝土抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)的影響研究。結(jié)果表明，提出的裹漿厚度測(cè)試方法準(zhǔn)確度較高，可用于指導(dǎo)球模型包裹法進(jìn)行透水混凝土設(shè)計(jì)；凈漿和砂漿流動(dòng)度越大，骨料包裹厚度越小；混凝土抗壓強(qiáng)度隨著骨料裹漿厚度的增加而增加，透水系數(shù)隨著裹漿厚度的增加而減小。摻入單級(jí)配石英砂后對(duì)混凝土有增強(qiáng)效果但對(duì)透水性能有影響，所用石英砂摻量宜控制在 6% 以內(nèi)。研究成果實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，效果良好。

［關(guān)鍵詞］透水混凝土；裹漿厚度；透水系數(shù)

0 引言

伴隨我國(guó)城市化進(jìn)程的進(jìn)一步推進(jìn)，人們對(duì)生態(tài)化、宜居化城市居住體驗(yàn)的要求提升，配套建設(shè)的公園道路、廣場(chǎng)、小區(qū)路面、停車場(chǎng)等場(chǎng)所多將海綿城市的理念融入其中，充分發(fā)揮城市綠地、道路、水系統(tǒng)等對(duì)雨水的吸納、蓄滲和緩釋作用，有效緩解了城市內(nèi)澇，削弱城市徑流污染負(fù)荷，節(jié)約水資源，保護(hù)和改善城市生態(tài)環(huán)境。

透水混凝土是建設(shè)海綿城市的一種重要建筑材料。隨著這種材料應(yīng)用量的增長(zhǎng)，其研究熱度持續(xù)不減。作為制備透水混凝土的基礎(chǔ)，其配合比設(shè)計(jì)的研究也受到關(guān)注。行業(yè)出臺(tái)了標(biāo)準(zhǔn)CJJT 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》，基于體積法引入設(shè)計(jì)孔隙率目標(biāo)，選擇合適的水膠比，根據(jù)各種材料的密度計(jì)算其用量，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單直觀，但實(shí)測(cè)空隙率往往與目標(biāo)值有較大差距，容易淌漿封底。比表面積法是基于球模型包裹的概念而提出，通過(guò)計(jì)算粗骨料的總表面積，根據(jù)空隙率和強(qiáng)度的要求選擇合適的裹漿厚度，進(jìn)而計(jì)算出膠凝材料和骨料的用量。以往的研究中，往往直接給出裹漿厚度等參數(shù)的參考范圍。李彥坤等^[1]給出了不同級(jí)配骨料單位體積骨料顆粒數(shù)和總表面積計(jì)算數(shù)據(jù)，裹漿厚度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值選取0.5～2mm，水膠比選取0.25～0.4；鐘遠(yuǎn)偉^[2]給出了2.36～4.75mm、4.75～10mm、10～ 20mm和20mm以上五種不同粒徑集料的比表面積因子。這些研究數(shù)據(jù)都是基于試驗(yàn)用材料給出，對(duì)于裹漿厚度這一重要參數(shù)的具體測(cè)量方法沒(méi)有作出說(shuō)明，試驗(yàn)再現(xiàn)性不佳；裹漿厚度經(jīng)驗(yàn)值往往基于凈漿給出，對(duì)于含砂裹漿料并未開展研究。

本文以球模型包裹理論為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)含砂透水混凝土，提出裹漿厚度的便捷測(cè)量方法，研究?jī)魸{、砂漿流動(dòng)度等因素對(duì)骨料實(shí)際裹漿厚度的影響，并測(cè)試了透水混凝土的透水性能和力學(xué)性能變化規(guī)律，為含砂透水混凝土的設(shè)計(jì)提供研究參考。

1 透水混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.1 球模型包裹法設(shè)計(jì)原理

透水混凝土與普通混凝土的設(shè)計(jì)不同，它是以粗骨料為骨架，不添加或只添加少量細(xì)骨料，加入適量膠凝材料作粘結(jié)劑，使成型后的混凝土有相當(dāng)數(shù)量的空隙相互連通，從而具有透水功能?；炷链止橇蠌男螒B(tài)學(xué)上講，雖然有一定的邊角差異，但在試件空間的任意方向上是隨機(jī)均勻的。據(jù)此，球模型包裹法將骨料化為以骨料粒徑為直徑的球體模型（圖1），這些球體將填充整個(gè)混凝土試件空間形成骨架結(jié)構(gòu)，膠凝材料以一定厚度包裹在骨料表面提供黏結(jié)力，并決定混凝土空隙率的大小。

1.2 主要參數(shù)的確定

1.2.1 確定粗骨料空隙率 P

根據(jù)規(guī)范JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，測(cè)量骨料表觀密度和緊密堆積密度，計(jì)算出骨料空隙率P：

式中：P ——骨料空隙率，%；

——骨料表觀密度，kg/m

ρ’——骨料緊密堆積密度，kg/m

1.2.2 確定骨料總表面積

單位體積內(nèi)骨料顆粒數(shù)為n，則單位體積骨料總表面積：

式中：D ——骨料直徑，m；

——單位體積骨料總表面積，m

——單位體積骨料總表面積系數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)研究，單位體積骨料總表面積系數(shù)與骨料數(shù)目、骨料粒徑有關(guān)。經(jīng)計(jì)算不同粒徑骨料系數(shù)可按表1選取。對(duì)于連續(xù)級(jí)配的骨料，可以取多個(gè)級(jí)配區(qū)間骨料系數(shù)的平均值。

1.2.3 確定骨料包裹厚度

水泥漿同裹漿厚度決定透水混凝土具有不同強(qiáng)度等級(jí)。水泥漿包裹骨料過(guò)薄，骨料間黏結(jié)力不足，不利于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；而包裹過(guò)厚，富余的漿體會(huì)沉淀到試塊底部，影響透水功能。根據(jù)骨料總表面積和裹漿厚度可計(jì)算得到總的漿體體積：

V = S×h (3)

式中：V ——水泥漿總體積，m

h ——裹漿厚度，m。

1.2.4 確定凈漿水膠比

根據(jù)文獻(xiàn)研究，透水混凝土要保證合適的施工性能和力學(xué)強(qiáng)度，漿體的流動(dòng)度不宜低于80mm。因此，固定膠凝材料配比為94%水泥＋3%礦粉＋3%硅灰，按試驗(yàn)設(shè)計(jì)水膠比R_W/C配制凈漿膠凝材料，通過(guò)調(diào)整外加劑摻量使流動(dòng)度在80～220mm之間。

1.2.5 確定砂用量

提高砂率可改善透水混凝土強(qiáng)度，但砂率過(guò)高會(huì)堵塞孔隙嚴(yán)重影響透水性能，因此配制砂漿膠凝材料的砂用量不宜過(guò)高，控制在10%以內(nèi)。砂添加量按占骨料質(zhì)量的百分比計(jì)。砂子選用單級(jí)配以降低對(duì)透水性能的影響。

1.2.6 確定骨料用量

粗骨料通過(guò)緊密堆積形成透水混凝土的骨架結(jié)構(gòu)，考慮到包裹漿體會(huì)對(duì)骨料體積有一定影響，根據(jù)CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，骨料用量修正系數(shù)取值為0.98。

ρ’ (4)

式中：m——骨料用量，kg；

——骨料用量修正系數(shù)。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 原材料

水泥：葛洲壩松滋水泥有限公司生產(chǎn)三峽牌P·O42.5水泥。物理性能見(jiàn)表2。

礦粉：S95級(jí)，表觀密度2810kg/m，28d活性指數(shù)99%。

硅灰：表觀密度2140kg/m，水量比114%，7d活性指數(shù)108%。

砂：2.36～4.75mmm單級(jí)配石英砂。

石：顆粒粒徑5～10mm，表觀密度2730kg/m，緊密堆積密度1580kg/m

外加劑：蘇博特高性能減水劑，固含量10.22%。

2.2 試驗(yàn)方法

（1）攪拌工藝：將50%水和全部骨料投入攪拌鍋中攪拌，再投入水泥攪拌使骨料表面裹上水泥粉料，最后加入外加劑和剩余水?dāng)嚢琛?/span>

（2）成型與養(yǎng)護(hù)：將混凝土分兩層裝入邊長(zhǎng)100mm的正方體試模中，每層用搗棒插搗20次后使用平板振動(dòng)器壓振動(dòng)15s，24h后脫模放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)。

（3）力學(xué)強(qiáng)度：按GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的方法測(cè)試抗壓強(qiáng)度，試塊尺寸100mm×100mm×100mm。

（4）透水系數(shù)：按JC/T 2558—2020 《透水混凝土》中附錄A規(guī)定的方法測(cè)試。

（5）為準(zhǔn)確測(cè)量骨料的實(shí)際裹漿厚度，本研究基于漿體體積、質(zhì)量、密度之間的關(guān)系設(shè)計(jì)出一種測(cè)試方法，具體如下：

1）制備膠凝材料漿體：稱量膠凝材料和砂倒入攪拌鍋中，混拌60s，稱量拌合水和外加劑加入攪拌鍋中。先慢攪60s，再快攪60s，制得膠凝材料漿體。

2）測(cè)定膠凝材料漿體流動(dòng)度：參照GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》，稱取300×(1+ R_W/C) g膠凝材料漿體，注入截錐圓模內(nèi)至與圓模上端平齊，提起截錐圓模，測(cè)定膠凝材料漿體在玻璃板上流淌的最大直徑，即為膠凝材料漿體流動(dòng)度。

3）測(cè)定膠凝材料漿體密度：將配制好的膠凝材料倒入500mL容量筒中讀取體積后，稱取膠凝材料質(zhì)量，通過(guò)計(jì)算質(zhì)量體積比可得到膠凝材料漿體密度。

4）測(cè)定粗骨料裹漿厚度：用濕毛巾將粗骨料提前潤(rùn)濕至飽和面干狀態(tài)，稱取配制好的膠凝材料500g，粗骨料約150g，混合后手工攪拌3min至充分均勻裹漿；將全部粗骨料撈出置于篩孔小于骨料粒徑一個(gè)等級(jí)的篩網(wǎng)上，連續(xù)輕振篩網(wǎng)20次使多余的漿體流出；靜置10min左右，觀察粗骨料表面基本裹漿穩(wěn)定后，收集粗骨料稱量。根據(jù)骨料表面積、膠凝材料漿體密度和質(zhì)量之間的關(guān)系，結(jié)合式(2)和式(3)計(jì)算出骨料裹漿厚度h。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 凈漿流動(dòng)度的影響

基于裹漿厚度進(jìn)行透水混凝土配比設(shè)計(jì)，固定水膠比0.25，粗骨料用量1550kg，為保證能夠形成不同包裹層厚度，外加劑用量經(jīng)調(diào)整確定后摻比不變。配合比設(shè)計(jì)如表3所示。強(qiáng)度和透水率按照配比制備成100mm×100mm×100mm混凝土立方體試塊后測(cè)試，實(shí)際裹漿厚度、凈漿流動(dòng)度按照混凝土配比剔除骨料后制備成漿體測(cè)試。各項(xiàng)性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4、圖2和圖3。

利用本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的裹漿厚度測(cè)試方法，實(shí)測(cè)裹漿厚度與設(shè)計(jì)裹漿厚度偏差在0.03mm以內(nèi)，均為正偏差，可用于測(cè)量裹漿厚度參數(shù)。從不同凈漿流動(dòng)度下實(shí)測(cè)裹漿厚度變化圖（圖2）中可以看到，裹漿厚度隨漿體流動(dòng)的減小呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，原因在于膠凝材料漿體流動(dòng)度不同其黏附性也必然發(fā)生改變，流動(dòng)度越大，漿體粘性降低越難附著在骨料表面。在進(jìn)行無(wú)砂混凝土配比設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)控制漿體流動(dòng)度的大小以保證合適的裹漿厚度。

由圖3可以看出，隨著裹漿厚度增加混凝土抗壓強(qiáng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，在0.25水膠比下，裹漿厚度0.43時(shí)混凝土28d強(qiáng)度超過(guò)TC20等級(jí)強(qiáng)度要求。隨著裹漿厚度增加混凝土透水系數(shù)逐漸降低，控制合適的裹漿厚度能夠使骨料具有一定的黏結(jié)力保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)要避免漿體過(guò)多造成沉漿影響透水性能。

3.2 砂漿流動(dòng)度的影響

按照A-2組試驗(yàn)配比，加入一定比例單級(jí)配石英砂，石英砂等質(zhì)量替代粗骨料方式加入，研究石英砂摻量對(duì)砂漿流動(dòng)度、骨料裹漿厚度的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5和圖4、圖5?？梢钥闯?，摻入石英砂后漿體變稠，裹漿厚度增大，當(dāng)石英砂摻量提高至12%時(shí)，漿體失去流動(dòng)度，不能正常進(jìn)行裹漿厚度測(cè)量。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，砂摻量宜控制在9%以內(nèi)。在實(shí)際透水混凝土的配制中，加砂后需提高拌合水或減水劑用量以保證工作性。

在A組試驗(yàn)配比基礎(chǔ)上，加入6%單級(jí)配石英砂，研究加砂后不同設(shè)計(jì)裹漿厚度下混凝土透水系數(shù)和強(qiáng)度的變化規(guī)律。從表6中可以看到，裹漿厚度與凈漿相比增加，各組試樣28d強(qiáng)度增長(zhǎng)都超過(guò)3MPa，但透水系數(shù)大幅降低，特別是設(shè)計(jì)裹漿厚度較大時(shí)。原因在于加入石英砂能夠更好地改善混凝土級(jí)配結(jié)構(gòu)，漿體與骨料之間的接觸面積也得以增大，減少了內(nèi)部孔隙，使骨料間由點(diǎn)接觸而引起的應(yīng)力趨于分散，從而增大了透水混凝土的抗壓強(qiáng)度。與此同時(shí)，由于采用的是單級(jí)配砂，結(jié)構(gòu)空隙未被完全填充，透水系數(shù)仍大于1mm/s，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 工程應(yīng)用情況

項(xiàng)目組在供應(yīng)三峽快速路互通立交——中南一路節(jié)點(diǎn)工程時(shí)，采用裹漿厚度法設(shè)計(jì)了含砂透水混凝土，其配合比為：5～10mm碎石1430kg，石英砂90kg，水泥300kg，粉煤灰40kg，水98kg，外加劑6.8kg。透水混凝土層的施工工藝為：斗車下料、機(jī)械攤鋪、人工攤鋪、平板振搗器來(lái)回振搗2次，28d齡期后鉆芯取樣并進(jìn)行強(qiáng)度和透水系數(shù)測(cè)試；同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了相同配比試驗(yàn)，成型和養(yǎng)護(hù)方式為棒插搗20次后使用平板振動(dòng)器壓振動(dòng)15s，24h后脫模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d。結(jié)果見(jiàn)表7。

從結(jié)果來(lái)看，工程現(xiàn)場(chǎng)取芯試塊強(qiáng)度略低于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)成型試塊強(qiáng)度，原因在于成型方式不同。工程現(xiàn)場(chǎng)為一次下料，兩次平板振搗器在同一面層振搗；實(shí)驗(yàn)室內(nèi)為兩次裝料，每層都進(jìn)行平板振搗器振搗，且增加人工插搗步驟，骨料間接觸更緊密。同時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)成型試塊骨料間連接相對(duì)較弱，空隙率更高，因此透水系數(shù)更大。兩組試塊強(qiáng)度等級(jí)均達(dá)到TC25要求，應(yīng)用效果良好。

5 結(jié)論

（1）提出的骨料包裹厚度測(cè)試方法，利用骨料總表面積、漿體密度、質(zhì)量之間的關(guān)系，可較準(zhǔn)確地測(cè)量透水混凝土骨料裹漿厚度，可指導(dǎo)使用球模型包裹法設(shè)計(jì)透水混凝土。

（2）凈漿和砂漿流動(dòng)度越大，包裹厚度越小。透水混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著骨料裹漿厚度的增加而增加，透水系數(shù)隨著裹漿厚度的增加而減小。摻入單級(jí)配石英砂后對(duì)混凝土有增強(qiáng)效果但對(duì)透水性能有影響，所用石英砂摻量宜控制在6%以內(nèi)。

（3）研究成果應(yīng)用于三峽快速路互通立交——中南一路節(jié)點(diǎn)工程，利用球模型包裹法設(shè)計(jì)的含砂透水混凝土強(qiáng)度等級(jí)TC25，應(yīng)用效果良好。

參考文獻(xiàn)

[1] 李彥坤，胡曉波，等．球模型包裹法設(shè)計(jì)透水混凝土配合比[J]．混凝土，2008(9): 29-32．

[2] 鐘遠(yuǎn)偉．市政道路透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)研究[J].城市道橋與防洪，2022(5): 209-231．

供稿人：黃英姿，孔洲斌

編輯員：李海亮

審核人：孫繼成，寧夏

【標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范】

《建筑固廢再生砂粉應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》行標(biāo)

《建筑物綠色拆除與建筑垃圾綜合利用技術(shù)規(guī)程》CECS

《預(yù)拌混凝土使用說(shuō)明書》團(tuán)標(biāo)

《砂漿和混凝土用石屑》團(tuán)標(biāo)

《預(yù)拌混凝土產(chǎn)品質(zhì)量追溯規(guī)范》團(tuán)標(biāo)

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