研究探索：球模型包裹法設計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

球模型包裹法設計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］針對球模型包裹法設計透水混凝土，明確了含砂透水混凝土的設計步驟，并提出利用骨料總表面積、漿體密度、質量之間關系測量骨料裹漿厚度的方法，開展了凈漿流動度、砂漿流動度、加砂量對骨料裹漿厚度和混凝土抗壓強度、透水系數(shù)的影響研究。結果表明，提出的裹漿厚度測試方法準確度較高，可用于指導球模型包裹法進行透水混凝土設計；凈漿和砂漿流動度越大，骨料包裹厚度越小；混凝土抗壓強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。摻入單級配石英砂后對混凝土有增強效果但對透水性能有影響，所用石英砂摻量宜控制在 6% 以內。研究成果實現(xiàn)工程應用，效果良好。

［關鍵詞］透水混凝土；裹漿厚度；透水系數(shù)

0 引言

伴隨我國城市化進程的進一步推進，人們對生態(tài)化、宜居化城市居住體驗的要求提升，配套建設的公園道路、廣場、小區(qū)路面、停車場等場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)等對雨水的吸納、蓄滲和緩釋作用，有效緩解了城市內澇，削弱城市徑流污染負荷，節(jié)約水資源，保護和改善城市生態(tài)環(huán)境。

透水混凝土是建設海綿城市的一種重要建筑材料。隨著這種材料應用量的增長，其研究熱度持續(xù)不減。作為制備透水混凝土的基礎，其配合比設計的研究也受到關注。行業(yè)出臺了標準CJJT 135—2009《透水水泥混凝土路面技術規(guī)程》，基于體積法引入設計孔隙率目標，選擇合適的水膠比，根據(jù)各種材料的密度計算其用量，計算過程簡單直觀，但實測空隙率往往與目標值有較大差距，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，通過計算粗骨料的總表面積，根據(jù)空隙率和強度的要求選擇合適的裹漿厚度，進而計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]給出了不同級配骨料單位體積骨料顆粒數(shù)和總表面積計算數(shù)據(jù)，裹漿厚度根據(jù)經驗值選取0.5～2mm，水膠比選取0.25～0.4；鐘遠偉^[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)都是基于試驗用材料給出，對于裹漿厚度這一重要參數(shù)的具體測量方法沒有作出說明，試驗再現(xiàn)性不佳；裹漿厚度經驗值往往基于凈漿給出，對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設計含砂透水混凝土，提出裹漿厚度的便捷測量方法，研究凈漿、砂漿流動度等因素對骨料實際裹漿厚度的影響，并測試了透水混凝土的透水性能和力學性能變化規(guī)律，為含砂透水混凝土的設計提供研究參考。

1 透水混凝土配合比設計

1.1 球模型包裹法設計原理

透水混凝土與普通混凝土的設計不同，它是以粗骨料為骨架，不添加或只添加少量細骨料，加入適量膠凝材料作粘結劑，使成型后的混凝土有相當數(shù)量的空隙相互連通，從而具有透水功能。混凝土粗骨料從形態(tài)學上講，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混凝土試件空間形成骨架結構，膠凝材料以一定厚度包裹在骨料表面提供黏結力，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、石質量及檢驗方法標準》，測量骨料表觀密度和緊密堆積密度，計算出骨料空隙率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。經計算不同粒徑骨料系數(shù)可按表1選取。對于連續(xù)級配的骨料，可以取多個級配區(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度等級。水泥漿包裹骨料過薄，骨料間黏結力不足，不利于結構強度；而包裹過厚，富余的漿體會沉淀到試塊底部，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)文獻研究，透水混凝土要保證合適的施工性能和力學強度，漿體的流動度不宜低于80mm。因此，固定膠凝材料配比為94%水泥＋3%礦粉＋3%硅灰，按試驗設計水膠比R_W/C配制凈漿膠凝材料，通過調整外加劑摻量使流動度在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度，但砂率過高會堵塞孔隙嚴重影響透水性能，因此配制砂漿膠凝材料的砂用量不宜過高，控制在10%以內。砂添加量按占骨料質量的百分比計。砂子選用單級配以降低對透水性能的影響。

1.2.6 確定骨料用量

粗骨料通過緊密堆積形成透水混凝土的骨架結構，考慮到包裹漿體會對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三峽牌P·O42.5水泥。物理性能見表2。

礦粉：S95級，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攪拌。

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

（3）力學強度：按GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》規(guī)定的方法測試抗壓強度，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)定的方法測試。

（5）為準確測量骨料的實際裹漿厚度，本研究基于漿體體積、質量、密度之間的關系設計出一種測試方法，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）測定膠凝材料漿體流動度：參照GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質性試驗方法》，稱取300×(1+ R_W/C) g膠凝材料漿體，注入截錐圓模內至與圓模上端平齊，提起截錐圓模，測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度。

3）測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，稱取膠凝材料質量，通過計算質量體積比可得到膠凝材料漿體密度。

4）測定粗骨料裹漿厚度：用濕毛巾將粗骨料提前潤濕至飽和面干狀態(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等級的篩網(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量之間的關系，結合式(2)和式(3)計算出骨料裹漿厚度h。

3 試驗結果及分析

3.1 凈漿流動度的影響

基于裹漿厚度進行透水混凝土配比設計，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，外加劑用量經調整確定后摻比不變。配合比設計如表3所示。強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試，實際裹漿厚度、凈漿流動度按照混凝土配比剔除骨料后制備成漿體測試。各項性能指標測試結果見表4、圖2和圖3。

利用本項目設計的裹漿厚度測試方法，實測裹漿厚度與設計裹漿厚度偏差在0.03mm以內，均為正偏差，可用于測量裹漿厚度參數(shù)。從不同凈漿流動度下實測裹漿厚度變化圖（圖2）中可以看到，裹漿厚度隨漿體流動的減小呈現(xiàn)增大趨勢，原因在于膠凝材料漿體流動度不同其黏附性也必然發(fā)生改變，流動度越大，漿體粘性降低越難附著在骨料表面。在進行無砂混凝土配比設計時可通過控制漿體流動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度呈增長趨勢，在0.25水膠比下，裹漿厚度0.43時混凝土28d強度超過TC20等級強度要求。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力保證結構強度，同時要避免漿體過多造成沉漿影響透水性能。

3.2 砂漿流動度的影響

按照A-2組試驗配比，加入一定比例單級配石英砂，石英砂等質量替代粗骨料方式加入，研究石英砂摻量對砂漿流動度、骨料裹漿厚度的影響規(guī)律。試驗結果見表5和圖4、圖5。可以看出，摻入石英砂后漿體變稠，裹漿厚度增大，當石英砂摻量提高至12%時，漿體失去流動度，不能正常進行裹漿厚度測量。從試驗結果來看，砂摻量宜控制在9%以內。在實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組試驗配比基礎上，加入6%單級配石英砂，研究加砂后不同設計裹漿厚度下混凝土透水系數(shù)和強度的變化規(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強度增長都超過3MPa，但透水系數(shù)大幅降低，特別是設計裹漿厚度較大時。原因在于加入石英砂能夠更好地改善混凝土級配結構，漿體與骨料之間的接觸面積也得以增大，減少了內部孔隙，使骨料間由點接觸而引起的應力趨于分散，從而增大了透水混凝土的抗壓強度。與此同時，由于采用的是單級配砂，結構空隙未被完全填充，透水系數(shù)仍大于1mm/s，滿足標準要求。

4 工程應用情況

項目組在供應三峽快速路互通立交——中南一路節(jié)點工程時，采用裹漿厚度法設計了含砂透水混凝土，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、機械攤鋪、人工攤鋪、平板振搗器來回振搗2次，28d齡期后鉆芯取樣并進行強度和透水系數(shù)測試；同時在實驗室內進行了相同配比試驗，成型和養(yǎng)護方式為棒插搗20次后使用平板振動器壓振動15s，24h后脫模，標準養(yǎng)護28d。結果見表7。

從結果來看，工程現(xiàn)場取芯試塊強度略低于實驗室內成型試塊強度，原因在于成型方式不同。工程現(xiàn)場為一次下料，兩次平板振搗器在同一面層振搗；實驗室內為兩次裝料，每層都進行平板振搗器振搗，且增加人工插搗步驟，骨料間接觸更緊密。同時，由于現(xiàn)場成型試塊骨料間連接相對較弱，空隙率更高，因此透水系數(shù)更大。兩組試塊強度等級均達到TC25要求，應用效果良好。

5 結論

（1）提出的骨料包裹厚度測試方法，利用骨料總表面積、漿體密度、質量之間的關系，可較準確地測量透水混凝土骨料裹漿厚度，可指導使用球模型包裹法設計透水混凝土。

（2）凈漿和砂漿流動度越大，包裹厚度越小。透水混凝土的抗壓強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。摻入單級配石英砂后對混凝土有增強效果但對透水性能有影響，所用石英砂摻量宜控制在6%以內。

（3）研究成果應用于三峽快速路互通立交——中南一路節(jié)點工程，利用球模型包裹法設計的含砂透水混凝土強度等級TC25，應用效果良好。

參考文獻

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

[2] 鐘遠偉．市政道路透水混凝土的配合比設計研究[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

【標準規(guī)范】

《建筑固廢再生砂粉應用技術規(guī)范》行標

《建筑物綠色拆除與建筑垃圾綜合利用技術規(guī)程》CECS

《預拌混凝土使用說明書》團標

《砂漿和混凝土用石屑》團標

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