摘要：本文主要介绍了透水混凝土透水系数确定的依据以及利用定量预留贯通开口孔隙设计法进行透水混凝土配合比设计的新方法。

关键词：透水系数；定量预留；贯通开口孔隙；增强机理；成孔机理

中途分类号：TU528.    ［文件编识码］A           ［文章编号］

 

随着人们环保意识的提高，城市建设的快速发展和施工技术的进步，对透水混凝土的使用范围、技术指标和经济指标都提出了新的要求，促使透水混凝土向着高强和耐久等方向发展。现在使用的透水混凝土砖，透水性基本满足使用要求，但是强度一般都比较低，大致在5—15MPa之间。随着高层建筑的增多，公共安全问题显得越来越突出，在发生火灾或其他意外时，现有的透水混凝土砖地面无法达到载重消防车辆通行和停放要求。而沥青硬地面虽然能够满足载重消防车辆的通行和停放要求，但是无法实现透水功能。透水混凝土砖一方面具有良好的透水性能，雨天不积水，表面不打滑，确保了行人的安全，改善了绿化环境；但较低的强度却限制了它的推广应用。

在技术层面上，国内外透水混凝土的配制技术一直采用无砂大孔混凝土的设计思路，在混凝土配制过程中增大透水系数使得混凝土强度不能满足设计要求，提高胶凝材料的用量使混凝土强度提高但透水系数又不能满足设计要求，这一矛盾一直困扰着混凝土生产企业和混凝土技术人员。本文以克服无砂大孔透水混凝土缺陷作为研究的技术课题，在保证混凝土透水顺畅的条件下，主要解决如何提高透水混凝土的强度问题。

为了科学地将特大暴雨的降水量、降水速度与混凝土的孔隙率、透水速度之间建立量化关系，实现透水混凝土透水功能与气象条件的协调统一，我们首先要确定透水混凝土合理的透水系数指标范围。

我国气象上规定，降雨分为小雨、中雨、大雨、暴雨。24小时降水量在200毫米以上称“特大暴雨”。为预防暴雨引起的破坏，设定了暴雨预警信号，暴雨预警信号分四级，分别以蓝色、黄色、橙色、红色表示。在世界上最大的暴雨出现在南印度洋上的留尼汪岛，24小时降水量为1870毫米。我国最大暴雨出现在台湾省新寮，24小时降水量为1672毫米。这些气象规定和暴雨降雨纪录是我们确定透水混凝土合理的透水系数的依据。

配制高强、绿色、环保透水混凝土的目的就是在雨天快速将雨水排出，防止地面积水。国内生产透水混凝土的单位很多，但是没有一个单位直接将混凝土的透水性与降雨量之间建立联系，结合我国各地的雨情，参考我国最大暴雨降水量记录1672 mm，世界最大的暴雨降水量记录1870 mm。我们初步确定透水混凝土在暴雨红色预警信号时雨水能通过透水混凝土开口孔隙顺利排出，达到最大暴雨降水量时仍不积水为设计计算的技术依据。假定取我国最大暴雨降水量记录1672 mm降水在半小时到一小时内完成，则降水速度为0.46—0.93mm/s；假定取世界最大的暴雨记录降水量1870 mm在半小时到一小时内完成，则降水速度为0.52—1.04mm/s。从透水混凝土截面看，开口孔隙部分透水，混凝土开口孔内雨水的最大流动速度由降水速度除以孔隙率求得，单位为mm/s，开口孔隙率不同的混凝土合理的透水速度也不同，具体计算数据如表1所示。这样一方面可以保证大暴雨时雨水在混凝土内部能够顺利通过，另一方面可以保证有路面污物堵塞部分开口孔隙时透水混凝土仍然能够正常工作。

降水速度（mm/s） 空隙率 %	0.46	0.52	0.93	1.04
15	3.1	3.5	6.2	6.9
18	2.6	2.9	5.2	5.8
21	2.2	2.5	4.4	5.0
24	1.9	2.2	3.9	4.3
27	1.7	1.9	3.4	3.9
30	1.5	1.7	3.1	3.5
33	1.4	1.6	2.8	3.2
36	1.3	1.4	2.6	2.9

 

由上表可知，透水混凝土开口孔隙率在15%--36%之间时，满足特大暴雨顺利通过的混凝土内最大水流动速度介于1.3mm/s—6.9mm/s之间。我们定义单位面积上水流过混凝土的速度为透水系数，单位取mm/s。也就是说，当混凝土的强度满足地面交通承载能力时，只要透水混凝土实际的透水系数大于上表对应数据，均能满足特大暴雨时路面不积水的要求。这样我们就科学地在特大暴雨记录降水量、降水速度与混凝土的孔隙率、透水速度之间建立了量化关系，实现了透水混凝土透水功能与气象条件的协调统一，确定了透水混凝土合理的透水系数指标范围。

透水混凝土作为一种承压材料，其强度的形成大体可分为两部分：一部分是由粗集料形成的骨架提供，石料的强度大于混凝土的设计强度，因此透水混凝土在工作状态时集料都具有足够的强度；另一部分来源于硬化浆体和粗集料之间的界面粘结，粘结强度主要来源于水泥水化形成的C-S-H凝胶，活性较高的掺合料水化形成的凝胶，填充于孔隙中的超细矿物掺合料等组成。当透水性混凝土受到外力作用时，主要通过粗集料之间的胶结点传力，由于浆体胶结层很薄，浆体和粗集料界面之间的胶结面积很小，混凝土破坏时主要是集料颗粒之间的传力浆体破坏，从而使混凝土散裂，失去强度，所以我们在配合比设计时重点考虑粗集料之间的粘结面积、胶凝材料的水化强度和界面粘结强度。

根据以上理论，我们认为透水混凝土的强度与水泥强度、胶凝材料用量、用水量和凝胶孔之间满足以下规律：

f =σ×（0.23 C/W-0.27)

f---混凝土设计强度值 

σ---水泥理论强度值，由水泥实测强度求得σ=R₂₈/0.19

C ---单方混凝土水泥用量

W---混凝土单方用水量 

0.27---水泥浆体凝胶孔孔隙率

无砂大孔透水混凝土用于粘结粗集料的只有水泥浆，粘结面积很小，因此强度较低。当水泥浆体的量增加时，浆体具有流动性，在成型时由于振动和自重的作用流到粗集料的下侧，使混凝土的下侧空隙被浆体堵塞，虽然强度增加但是由于形成底部封闭的杯形开口孔隙使透水系数下降，使强度与透水系数之间存在矛盾。

为克服以上矛盾，我们提出定量预留贯通开口孔隙设计法进行透水混凝土的配合比设计的设计思路。先用一个10L的量筒测出饱和面干状态时单粒级石子的容重和空隙率。在配制透水混凝土时，可以认为混凝土体积与粗集料自然堆积体积相同，石子的堆积密度数值就是配制1m³透水混凝土所用的粗集料用量。空隙被分成两部分，一部分由水泥混合砂浆填充，一部分作为开口孔隙用来透水，胶凝材料和其它组分所占的体积由石子空隙与预留贯通开口孔隙之差求得。

本研究提出在透水混凝土配合比设计时，首先测出石子的空隙率，根据透水要求定量预留满足混凝土透水所需要的贯通开口空隙。其次根据强度要求准确计算水泥、掺合料、外加剂和水的用量，最后根据预留孔隙的大小用粗集料空隙率对应的体积数减去水泥、掺合料、外加剂、水所占空隙体积和预留开口孔隙体积值，其差值即细集料体积准确数值。利用这种体积组成模型进行透水混凝土配合比设计的方法叫做定量预留贯通开口孔隙设计法。

在透水混凝土生产时采用二次投料工艺将各种原材料拌制成水泥混合砂浆，使粗集料颗粒表面由一层粘度较大的水泥混合砂浆包裹(约5--10mm)；成型时将内核含粗集料的颗粒碾压互相粘结起来，形成贯通开口孔隙，在胶凝材料用量相同的情况下，既保证了透水贯通开口孔隙又扩大了粗集料之间的有效粘结面积，增加了混凝土的强度。

按现行规范

fcu.k=fcu.o+1.645σ确定

根据透水混凝土所选用的粗集料，在以上研究的基础上，我们测出石子的堆积密度，即得到每方透水混凝土粗集料用量数值。

依据多组分混凝土理论公式：

f =σ×（0.23 C/W-0.27)

当设计强度、工作性、耐久性指标确定后，将各参数代入上式，以求得水泥用量C，为降低水泥水化热，采用掺合料取代填充法，计算求得水泥与掺合料的准确用量，实现了掺合料品种和用量的合理选择，使水泥与掺合料的掺量达到最佳。

等填充替换C₀ = u₁C+u₂F+u₃K

等活性替换C₀ = α₁C+α₂F+α₃K

最小用量条件C+F+K ≥ 300

最多用量条件C+F+K ≤ 600

外加剂：按厂家推荐掺量确定

胶粉：推荐掺量为胶凝材料0.5—3.0％

用水量 W= 0.23C×β×(1-n）

C-----单方混凝土胶凝材料用量

β----掺合料的需水量系数

n-----外加剂的减水率

由于砂石吸水率的变化，计算用水量在实际生产中要经常调整，使水泥混合砂浆均匀包裹住粗集料颗粒为宜。

采用定量预留贯通开口设计法配制的透水混凝土最大的特点就是在混凝土配制时加入适量的砂子，假定预留开口孔隙为x%，则砂子的体积用量Vs为石子空隙率对应的体积减去每立方混凝土中胶凝材料、外加剂和水分所占体积以及x%预留孔隙的体积数。

为了使我们设计的定量预留贯通开口孔隙透水混凝土能够顺利施工，在生产时采用水泥砂浆裹石工艺，具体过程：将粗集料、细集料、水泥、掺合料、外加剂、胶粉加入搅拌机，干拌30秒，然后加入拌和水，搅拌180s，使预拌的干硬性混凝土拌和物在粗集料表面包裹一薄层（5—10mm）水泥混合砂浆。由于混凝土拌合物含适量细集料和胶粉，这样制得的混凝土拌和物表面的水泥砂浆层厚度及粘结强度均明显提高。预防了无砂大孔透水混凝土由于水泥浆体太薄粘结面积太小影响混凝土强度的不足，同时胶粉的掺加大大增强了水泥混合砂浆的粘结力，有效提高了混凝土的强度。

为预防由于振捣引起石子表面水泥混合砂浆包裹层的脱落，采用碾压成型工艺保证贯通开口孔隙的顺利形成。预拌的混凝土拌合物由自卸车运输到施工现场后采用机械摊铺，碾压成型后相互粘结而形成开口孔隙均匀分布的蜂窝状结构，保证混凝土透水顺畅，实现粘结强度高且透水系数大。这种工艺能明显提高混凝土的强度，其主要原因就是由于石子表面较厚的水泥砂浆包裹层经过碾压成型后，使粗集料接触面之间的双凹粘结面由双尖角变为双元弧。根据格里菲斯理论，混凝土粘结界面为圆角时受力接触面抵抗破坏的能力远远大于受力接触面为尖角的材料，使透水混凝土的强度大大提高。另一方面，由于胶粉的掺加和粗集料接触面之间的圆弧形双凹粘结面的形成，使水泥混合砂浆更加牢固地粘结在石子表面，减少了浆体的下沉，使透水混凝土贯通开口孔隙顺利地形成，预防了无砂大孔透水混凝土由于浆体下沉堵塞底部影响透水的不足。

在以上研究的基础上，我们在2007年3月26日配制了透水混凝土试件，送中国建筑科学研究院建材所进行检测，经测试，送检的透水混凝土试件用定水位法测得的透水速度达76mm/s,抗压强度达29 MPa、30MPa，孔隙率为25%、28%，抗冻融循环50次，克服了无砂大孔透水混凝土强度不高、耐久性差的缺陷，达到研究预定的的目标。

经过试验室试配、中国建筑科学研究院检测验证后，我们配制了透水混凝土进行了小面积工程试验，混凝土强度在28d检测时达到C25的水平，经过几次降雨验证，雨水能迅速渗入地下，保持了土壤的湿度。该试验路面没有积水，夜间不反光，增加了路面的安全性和通行舒适性。使用后可以起到调节空间温度和湿度，改善城市热循环，缓解热岛效应的目的。绿色环保透水混凝土的大孔隙率能降低车辆行驶时的路面噪音，大量吸附城市污染物，减少扬尘污染，且易于维护，空隙不会破损、不易堵塞，创造舒适的交通环境。

我们于2007年6月至2008年7月期间成功地进行了奥林匹克森林公园南园、北园门区工程施工，通过2008年奥运会及近一年的使用，效果良好，得到了各界人士的好评。

定量预留贯通开口孔隙透水混凝土设计法用于绿色环保透水混凝土的设计，在理论上具有一定的科学性，在关键性控制指标上具有实用性，在技术推广方面具有指导性和可操性。技术创新点包括：

（1）科学地建立了降雨速度与混凝土的开口孔隙率和透水系数之间的对应关系，准确解释了透水系数的科学内涵以及合理的取值范围。

（2）确认了透水混凝土的体积组成，阐述了无砂大孔透水混凝土透水系数与强度这一矛盾形成的根本原因。

（3）提出了定量预留贯通开口孔隙方法设计绿色环保混凝土透水的技术原理。实现了在配合比设计时直接定量预留贯通开口孔隙透水，保证了混凝土的透水性。

（4）提出提高透水混凝土强度的两种技术措施：一是在混凝土配合比其他组分不变的条件下，掺加适量细集料，扩大粗集料之间的粘结面积，增大粗集料之间粘结力，提高透水混凝土强度的机理及实施方法；二是在胶凝材料用量一定的条件下，添加适量胶粉增大水泥浆粘度，使粗集料之间的粘结力变大，粘结强度提高，从而增加透水混凝土强度的机理及实施方法。从原理上解决了无砂大孔透水混凝土透水系数与强度之间的矛盾。

 

 

[1]朱效荣 绿色高性能混凝土辽宁大学出版社2005年10月。

[2] 孟宏睿等 无砂透水混凝土的试验研究混凝土与水泥制品 2004.NO2 April P43