透水混凝土屬于一種環(huán)保型綠色建筑材料，用其鋪設(shè)的混凝土路面具有良好的透水透氣性，將其應(yīng)用于廣場(chǎng)、小區(qū)路面、公園道路及停車場(chǎng)等，對(duì)提高行人和行車舒適度、緩解城市熱島效應(yīng)、保持生態(tài)平衡具有良好的效果[1]。但至今為止，國(guó)內(nèi)還沒有一套比較成熟的透水混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。雖然CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》中給出了以孔隙率為目標(biāo)的配合比設(shè)計(jì)方法，但是由于計(jì)參數(shù)較少，致使配合比設(shè)計(jì)人員需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)才能得到目標(biāo)配合比。探索研究了對(duì)透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法進(jìn)行，引入了骨料級(jí)配和粒徑、體積砂率2 個(gè)配合比設(shè)計(jì)參數(shù)，完善了透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法。
1 原材料及試驗(yàn)方法
1.1 原材料
水泥：福建三德水泥股份有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5 級(jí)水泥；
碎石：廈門海滄順信建材廠生產(chǎn)的粒徑分別為5~10 mm 和10~20 mm 的花崗巖碎石，表觀密度為2 780 kg/m3，緊密堆積密度分別為1 530 kg/m3 和1 520 kg/m3；砂子：廈門海城商貿(mào)有限公司生產(chǎn)的中砂，細(xì)度模數(shù)2.4，含泥量2.1%，堆積密度1 510 kg/m3，表觀密度2 660 kg/m3，級(jí)配區(qū)屬二區(qū)；減水劑：福建科之杰新材料有限公司生產(chǎn)的Point-S 聚羧酸緩凝高效減水劑，減水率為25.9%（0.8%摻量）；水：自來水。
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 孔隙率的測(cè)定
將試件在水中浸泡24 h 后，在水中測(cè)試試件的質(zhì)量m1，然后將試件風(fēng)干24 h，測(cè)其質(zhì)量m2，根據(jù)式（1）計(jì)算混凝土的孔隙率Ρ。
1.2.2 抗壓強(qiáng)度的測(cè)定
透水混凝土的抗壓強(qiáng)度測(cè)試按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，成型150mm×150mm×150mm立方體試塊。
1.2.3 透水系數(shù)的測(cè)定
采用“固定水位高度法”測(cè)試透水混凝土的透水系數(shù)。事先將試塊四個(gè)側(cè)面用凈漿密封，使成型面作為測(cè)試表面，測(cè)試透水儀中水位由180 mm 降至0 mm 時(shí)所用時(shí)間t，通過式（2）計(jì)算透水系數(shù)v。
v=h/t （2）
2 配合比設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇
2.1 孔隙率
由于進(jìn)行透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)時(shí)，透水系數(shù)并不能直接通過配合比設(shè)計(jì)確定。雖然孔隙率是反映透水混凝土透水系數(shù)的一個(gè)重要指標(biāo)，但孔隙率與透水系數(shù)并不存在對(duì)等關(guān)系，其他一些因素比如孔隙的特征、大小及孔隙的路徑走向等，對(duì)透水混凝土的透水性能也有著不可忽略的影響。因此，探討孔隙率與透水系數(shù)的關(guān)系對(duì)透水混凝土配合比設(shè)計(jì)具有重要意義。
試驗(yàn)采用粒徑為10~20 mm 的碎石，設(shè)計(jì)透水混凝土的孔隙率為15%、20%、25%和30%時(shí)，研究設(shè)計(jì)孔隙率、實(shí)測(cè)孔隙率與透水系數(shù)的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果見表1 及圖1。
從表1 可以看出，設(shè)計(jì)孔隙率與實(shí)測(cè)孔隙率存在著一定的差異，且設(shè)計(jì)孔隙率越小，實(shí)測(cè)孔隙率與設(shè)計(jì)孔隙率的比值越小，數(shù)值相差越大。透水混凝土內(nèi)部孔隙示意圖如圖2 所示，透水混凝土的內(nèi)部宏觀孔隙分為連通孔隙、封閉孔隙及半封閉孔隙3 種，其中對(duì)透水混凝土透水性能有貢獻(xiàn)的只有連通孔隙；透水混凝土的設(shè)計(jì)孔隙率較小時(shí)，配合比中膠凝材料用量較多，膠凝材料用量的增加提高了透水混凝土內(nèi)部封閉孔隙與半封閉孔隙形成的幾率，即造成的封閉孔隙與半封閉孔隙越多。
圖2 透水混凝土內(nèi)部孔隙種類示意圖
由圖1 可知，透水系數(shù)與設(shè)計(jì)孔隙率和實(shí)測(cè)孔隙率皆呈現(xiàn)一定的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，透水混凝土的透水系數(shù)隨著設(shè)計(jì)孔隙率、實(shí)測(cè)孔隙率的增大而增大。確定設(shè)計(jì)孔隙率與透水系數(shù)的函數(shù)關(guān)系后，可以根據(jù)所需的透水系數(shù)設(shè)計(jì)值計(jì)算得到設(shè)計(jì)孔隙率這一配合比設(shè)計(jì)參數(shù).
2.2 水膠比
水膠比是普通混凝土配合比設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。試驗(yàn)證明[2]，在水泥強(qiáng)度等級(jí)相同的條件下，水膠比是影響混凝土強(qiáng)度的最主要因素，水膠比越大，混凝土水化剩余的水分越多，而多余的水分殘留在混凝土中形成水泡或水道，隨著混凝土硬化而蒸發(fā)后便留下孔隙，孔隙的存在降低了混凝土的密實(shí)性，從而降低了混凝土的強(qiáng)度。但是對(duì)于透水混凝土而言，由于其結(jié)構(gòu)中存在大量的孔隙，水膠比對(duì)其強(qiáng)度的影響與對(duì)普通混凝土的影響不同，透水混凝土的水膠比宜選為0.25~0.35
2.3 骨料級(jí)配與粒徑
在CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》的透水混凝土配合比設(shè)計(jì)中，只給出孔隙率和水膠比兩個(gè)配合比設(shè)計(jì)參數(shù)，但是僅僅依靠這兩個(gè)參數(shù)求得的透水混凝土配合比很難滿足強(qiáng)度的要求。有時(shí)盡管使用了較小的水膠比和相當(dāng)大的水泥用量，但仍然配制不出符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度的透水混凝土，因?yàn)橛绊懲杆炷列阅苓€有另一個(gè)重要因素—骨料級(jí)配與粒徑。試驗(yàn)選用5~10mm 和10~20 mm 兩種不同粒徑的碎石，在不同水泥用量下研究了骨料級(jí)配對(duì)透水混凝土性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。
圖3 不同級(jí)配骨料對(duì)透水混凝土強(qiáng)度及透水系數(shù)的影響
從圖3 中可以看出，不論使用哪種石子，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度皆隨水泥用量的增加而增加，而透水系數(shù)則隨著水泥用量的增加而減小。在相同水泥用量的情況下，對(duì)比兩種不同粒徑的碎石可發(fā)現(xiàn)，使用5~10 mm 的碎石配制的透水混凝土抗壓強(qiáng)度值較高，但透水系數(shù)較低，而10~20 mm 的碎石得到的相反結(jié)果。使用大粒徑骨料配制的透水混凝土抗壓強(qiáng)度較低，主要是因?yàn)楣橇狭皆酱?，骨料間的咬合點(diǎn)越少，由此產(chǎn)生的咬合摩擦力及其與水泥漿體的黏接力減少所致。因此，進(jìn)行透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)時(shí)，有必要把“骨料級(jí)配與粒徑”作為一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇合適的骨料級(jí)配與粒徑，才可得到透水系數(shù)和抗壓強(qiáng)度相匹配的透水混凝土。
2.4 體積砂率
通常情況下為了得到理想的孔隙率，設(shè)計(jì)透水混凝土?xí)r一般不會(huì)使用砂子。但有研究表明[6-7]，在透水混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)摻入適量的砂子，可以在不降低透水系數(shù)的條件下獲得較高的強(qiáng)度?！绑w積砂率”即透水混凝土配合比中砂子體積占砂子與水泥總體積的百分比。
試驗(yàn)選用10~20 mm 的碎石，在透水混凝土配合比中引入5%、10%、15%、20%和25%的體積砂率，研究體積砂率對(duì)透水混凝土強(qiáng)度及透水系數(shù)的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表2。
由表2 中可知，體積砂率在0~15%范圍內(nèi)透水系數(shù)變化較小，當(dāng)體積砂率超過15%時(shí)，透水系數(shù)明顯下降。這主要是因?yàn)?，在配合比設(shè)計(jì)中，砂子等體積取代水泥，透水混凝土的孔隙率保持不變，因此其透水系數(shù)隨著體積砂率的變化較??；但體積砂率超過一定值后，由于骨料的級(jí)配得到改善且砂子堵塞透水混凝土孔隙的幾率增大，從而導(dǎo)致透水系數(shù)下降。
從表2 中還可以看出，透水混凝土的28 d 抗壓強(qiáng)度隨體積砂率的增加先增大后減小，體積砂率為5%時(shí)，28 d 抗壓強(qiáng)度最高，體積砂率超過15%時(shí)，28 d 抗壓強(qiáng)度值下降明顯。在膠結(jié)材料用量較大時(shí)，即使部分膠凝材料被砂子取代，骨料的表面也能被漿體充分包裹，顆粒之間仍能形成較強(qiáng)的膠結(jié)層，且砂子在混凝土中也提高了混凝土的整體剛度，因此透水混凝土的強(qiáng)度有所增高；但是，當(dāng)體積砂率超過一定值時(shí)，使用的膠凝材料相對(duì)減少，膠凝材料的量不足以在骨料的顆粒之間形成足夠厚的漿體，使混凝土內(nèi)部的膠結(jié)性能降低，因此混凝土的強(qiáng)度開始下降。
由試驗(yàn)結(jié)果可知，“體積砂率”對(duì)透水混凝土的強(qiáng)度具有重要的影響，在透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)中引入“體積砂率”這一參數(shù)，對(duì)透水混凝土中摻用砂子時(shí)配合比設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。本試驗(yàn)中最佳體積砂率為5%，且體積砂率不宜超過15%。對(duì)于不同的水泥用量及石子級(jí)配，體積砂率的取值不同，表3 給出了經(jīng)過試驗(yàn)研究得到的砂率取值表。
3 配合比設(shè)計(jì)步驟
對(duì)CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》中配合比設(shè)計(jì)方法進(jìn)行完善，引入“骨料粒徑與級(jí)配”和“體積砂率”兩個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，配合比設(shè)計(jì)步驟如下：
（1）根據(jù)透水混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度選擇合適的粗骨料的粒徑與級(jí)配、水膠比。配制強(qiáng)度等級(jí)較高的透水混凝土可選用粒徑為5~10mm 的碎石，配制強(qiáng)度等級(jí)較低的透水混凝土可選用粒徑為10~20mm的碎石；水膠比可根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)在0.25~0.35 之間選擇。
（2）根據(jù)設(shè)計(jì)的透水系數(shù)v（mm/s）和式（3）計(jì)算出透水混凝土的設(shè)計(jì)孔隙率R（%），m、n 為回歸系數(shù)。
v=m·Rn （3）
（3）根據(jù)粗骨料的緊密堆積密度ρG（kg/m3）按式（4）計(jì)算出粗骨料的用量WG （ kg/m3），α 為骨料修正系數(shù)（通常取0.98）。
WG=α·ρG （4）
（4）根據(jù)孔隙率R（%）和水膠比a（WW1/WC1）按式（5）、（6）計(jì)算出初步水泥用量WC1 （ kg/m3）和用水量WW1 （ kg/m3），其中ρG′為粗骨料表觀密度（kg/m3），ρC 為水泥的表觀密度（kg/m3）。
a=WW1/WC1
（5）
R=1-ρG/ρG′-WW1/1 000-WC1/ρC
（6）
（5）在表3 中，根據(jù)初步水泥的用量WC1 （ kg/m3）及粗骨料的級(jí)配選擇體積砂率ST
（%），根據(jù)式（7）~（9）計(jì)算砂的用量WS （ kg/m3）、實(shí)際水泥用量WC（kg/m3）及用水量WW（kg/m3），其中ρS為砂緊密堆積密度（kg/m3）。
WS=WC1/ρC·ST·ρS
（7）
WC=WC1·（1-ST） （8）
WW=WC·a （9）
（6）根據(jù)各材料的計(jì)算用量進(jìn)行試拌，加入適量的外加劑WJ （ kg/m3），外加劑的用量可根據(jù)透水混凝土拌合物的表面漿體包裹情況進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)透水混凝土表面具有金屬光澤且經(jīng)振動(dòng)
后漿體不堆積為宜。
（7）根據(jù)試拌情況調(diào)整各材料的用量，確定最終配合比：水泥∶水∶砂∶石子∶減水劑=WC∶WW∶WS∶WG∶WJ
4 配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)
設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，透水系數(shù)≥3 mm/s 的透水混凝土，配合比設(shè)計(jì)步驟為：
（1）因?yàn)樗渲频耐杆炷翉?qiáng)度較高，因此選擇級(jí)配為5~10 mm 的碎石，每立方米混凝土的碎石用量為WG=1 530×0.98=1 499 kg/m3。
（2）透水系數(shù)≥3 mm/s，由公式計(jì)算得到設(shè)計(jì)孔隙率為R=19.5，即設(shè)計(jì)孔隙率為19.5%。
（3）選擇水膠比為0.3，根據(jù)式（5）、（6）計(jì)算得到初始水泥用量WC1=420 kg/m3。
（4）石子選用5~10 mm 碎石，初始水泥用量為420 kg/m3，因此根據(jù)表4 選擇體積砂率為15%，根據(jù)式（7）、（8）、（9）計(jì)算得到砂的用量WS=56 kg/m3，水泥用量WC=357 kg/m3 及用水量WW=107 kg/m3。
（5）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并在實(shí)驗(yàn)室試拌，確定減水劑的用量WJ=2.32 kg/m3。
（6）另選擇0.27、0.33 兩個(gè)水膠比，按照上述步驟進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，透水混凝土配合比及試驗(yàn)結(jié)果見表4。
5 結(jié)論
（1）設(shè)計(jì)孔隙率與透水系數(shù)存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系：v=6.142 69×10-4R2.860 1，在進(jìn)行透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求的透水系數(shù)計(jì)算出設(shè)計(jì)孔隙率。
（2）粗骨料的級(jí)配與粒徑對(duì)透水混凝土的性能有顯著影響，粒徑較小的粗骨料配制的透水混凝土強(qiáng)度較高，但透水系數(shù)相應(yīng)降低。為保證透水混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，應(yīng)當(dāng)選擇合適的骨料級(jí)配與粒徑。
（3）在透水混凝土中摻入適量體積的砂子會(huì)提高混凝土的抗壓強(qiáng)度而不降低其透水性能，對(duì)于不同的水泥用量及骨料級(jí)配，應(yīng)選擇合理的體積砂率。
（4）試驗(yàn)證明，以設(shè)計(jì)孔隙率、水膠比、骨料粒徑與級(jí)配和體積砂率為設(shè)計(jì)參數(shù)的透水混凝土配合比設(shè)計(jì)方法能夠配制出滿足設(shè)計(jì)要求的透水混凝土，可有效的指導(dǎo)透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)。(徐仁崇，桂苗苗，劉君秀，陳清己，龔明子)
