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、小區(qū)路面、公園道路及停車場等，對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，國內(nèi)還沒有一套比較成熟的透水混凝土配合比設(shè)計方法。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的配合比設(shè)計方法，但是由于計參數(shù)較少，致使配合比設(shè)計人員需要進行大量的試驗才能得到目標配合比。探索研究了對透水混凝土的配合比設(shè)計方法進行，引入了骨料級配和粒徑、體積砂率2 個配合比設(shè)計參數(shù)，完善了透水混凝土的配合比設(shè)計方法。
1 原材料及試驗方法
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 試驗方法
1.2.1 孔隙率的測定
將試件在水中浸泡24 h 后，在水中測試試件的質(zhì)量m1，然后將試件風干24 h，測其質(zhì)量m2，根據(jù)式（1）計算混凝土的孔隙率Ρ。
1.2.2 抗壓強度的測定
透水混凝土的抗壓強度測試按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行，成型150mm×150mm×150mm立方體試塊。
1.2.3 透水系數(shù)的測定
采用“固定水位高度法”測試透水混凝土的透水系數(shù)。事先將試塊四個側(cè)面用凈漿密封，使成型面作為測試表面，測試透水儀中水位由180 mm 降至0 mm 時所用時間t，通過式（2）計算透水系數(shù)v。
v=h/t （2）
2 配合比設(shè)計參數(shù)的選擇
2.1 孔隙率
由于進行透水混凝土的配合比設(shè)計時，透水系數(shù)并不能直接通過配合比設(shè)計確定。雖然孔隙率是反映透水混凝土透水系數(shù)的一個重要指標，但孔隙率與透水系數(shù)并不存在對等關(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)系對透水混凝土配合比設(shè)計具有重要意義。
試驗采用粒徑為10~20 mm 的碎石，設(shè)計透水混凝土的孔隙率為15%、20%、25%和30%時，研究設(shè)計孔隙率、實測孔隙率與透水系數(shù)的關(guān)系，試驗結(jié)果見表1 及圖1。
從表1 可以看出，設(shè)計孔隙率與實測孔隙率存在著一定的差異，且設(shè)計孔隙率越小，實測孔隙率與設(shè)計孔隙率的比值越小，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，其中對透水混凝土透水性能有貢獻的只有連通孔隙；透水混凝土的設(shè)計孔隙率較小時，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)計孔隙率和實測孔隙率皆呈現(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)計孔隙率、實測孔隙率的增大而增大。確定設(shè)計孔隙率與透水系數(shù)的函數(shù)關(guān)系后，可以根據(jù)所需的透水系數(shù)設(shè)計值計算得到設(shè)計孔隙率這一配合比設(shè)計參數(shù).
2.2 水膠比
水膠比是普通混凝土配合比設(shè)計中的重要參數(shù)。試驗證明[2]，在水泥強度等級相同的條件下，水膠比是影響混凝土強度的最主要因素，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性，從而降低了混凝土的強度。但是對于透水混凝土而言，由于其結(jié)構(gòu)中存在大量的孔隙，水膠比對其強度的影響與對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)計中，只給出孔隙率和水膠比兩個配合比設(shè)計參數(shù)，但是僅僅依靠這兩個參數(shù)求得的透水混凝土配合比很難滿足強度的要求。有時盡管使用了較小的水膠比和相當大的水泥用量，但仍然配制不出符合設(shè)計強度的透水混凝土，因為影響透水混凝土性能還有另一個重要因素—骨料級配與粒徑。試驗選用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配對透水混凝土性能的影響，試驗結(jié)果見圖3。
圖3 不同級配骨料對透水混凝土強度及透水系數(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度較低，主要是因為骨料粒徑越大，骨料間的咬合點越少，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，進行透水混凝土的配合比設(shè)計時，有必要把“骨料級配與粒徑”作為一個設(shè)計參數(shù)，根據(jù)設(shè)計要求選擇合適的骨料級配與粒徑，才可得到透水系數(shù)和抗壓強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)計透水混凝土時一般不會使用砂子。但有研究表明[6-7]，在透水混凝土配合比設(shè)計時摻入適量的砂子，可以在不降低透水系數(shù)的條件下獲得較高的強度。“體積砂率”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，研究體積砂率對透水混凝土強度及透水系數(shù)的影響，試驗結(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，當體積砂率超過15%時，透水系數(shù)明顯下降。這主要是因為，在配合比設(shè)計中，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小；但體積砂率超過一定值后，由于骨料的級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 抗壓強度隨體積砂率的增加先增大后減小，體積砂率為5%時，28 d 抗壓強度最高，體積砂率超過15%時，28 d 抗壓強度值下降明顯。在膠結(jié)材料用量較大時，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度有所增高；但是，當體積砂率超過一定值時，使用的膠凝材料相對減少，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，因此混凝土的強度開始下降。
由試驗結(jié)果可知，“體積砂率”對透水混凝土的強度具有重要的影響，在透水混凝土的配合比設(shè)計中引入“體積砂率”這一參數(shù)，對透水混凝土中摻用砂子時配合比設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。本試驗中最佳體積砂率為5%，且體積砂率不宜超過15%。對于不同的水泥用量及石子級配，體積砂率的取值不同，表3 給出了經(jīng)過試驗研究得到的砂率取值表。
3 配合比設(shè)計步驟
對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)計方法進行完善，引入“骨料粒徑與級配”和“體積砂率”兩個設(shè)計參數(shù)，配合比設(shè)計步驟如下：
（1）根據(jù)透水混凝土的設(shè)計強度選擇合適的粗骨料的粒徑與級配、水膠比。配制強度等級較高的透水混凝土可選用粒徑為5~10mm 的碎石，配制強度等級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)實際經(jīng)驗在0.25~0.35 之間選擇。
（2）根據(jù)設(shè)計的透水系數(shù)v（mm/s）和式（3）計算出透水混凝土的設(shè)計孔隙率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）及粗骨料的級配選擇體積砂率ST
（%），根據(jù)式（7）~（9）計算砂的用量WS （ kg/m3）、實際水泥用量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)各材料的計算用量進行試拌，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行調(diào)整，當透水混凝土表面具有金屬光澤且經(jīng)振動
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)計試驗
設(shè)計強度等級為C30，透水系數(shù)≥3 mm/s 的透水混凝土，配合比設(shè)計步驟為：
（1）因為所要配制的透水混凝土強度較高，因此選擇級配為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，由公式計算得到設(shè)計孔隙率為R=19.5，即設(shè)計孔隙率為19.5%。
（3）選擇水膠比為0.3，根據(jù)式（5）、（6）計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)驗并在實驗室試拌，確定減水劑的用量WJ=2.32 kg/m3。
（6）另選擇0.27、0.33 兩個水膠比，按照上述步驟進行配合比設(shè)計，透水混凝土配合比及試驗結(jié)果見表4。
5 結(jié)論
（1）設(shè)計孔隙率與透水系數(shù)存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系：v=6.142 69×10-4R2.860 1，在進行透水混凝土的配合比設(shè)計時，可以根據(jù)設(shè)計要求的透水系數(shù)計算出設(shè)計孔隙率。
（2）粗骨料的級配與粒徑對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)計強度，應(yīng)當選擇合適的骨料級配與粒徑。
（3）在透水混凝土中摻入適量體積的砂子會提高混凝土的抗壓強度而不降低其透水性能，對于不同的水泥用量及骨料級配，應(yīng)選擇合理的體積砂率。
（4）試驗證明，以設(shè)計孔隙率、水膠比、骨料粒徑與級配和體積砂率為設(shè)計參數(shù)的透水混凝土配合比設(shè)計方法能夠配制出滿足設(shè)計要求的透水混凝土，可有效的指導(dǎo)透水混凝土的配合比設(shè)計。(徐仁崇，桂苗苗，劉君秀，陳清己，龔明子)
