C30透水混凝土在工程路面中的配合比設計及施工應用

傳統透水混凝土抗壓強度一般在C25以下，主要還是被用于人行步道、體育休閑場館、園林路等承載非機動車輛或輕型機動車輛的場所。與南方城市相比，北京地區透水混凝土用量少，設計需求抗壓強度低，施工水平參差不齊，易在施工過程中堵塞孔隙造成透水性較差。

近年來由于地下水的超量開采，北京原地面沉降呈快速增加趨勢，透水路面正是這樣一種能夠將雨水收集利用，或將雨水回滲地下，維持水資源生態平衡的環境友好型材料。透水混凝土路面有良好的滲水性及保濕性，透水性鋪裝地面以下的動植物及微生物的生存空間得到有效的保護，因而很好地體現了“與環境共生”的可持續發展理念[1]。用透水性鋪裝代替不透水鋪裝可以有效緩解城市不透水硬化地面對于城市水資源的負面影響[2]。

結合當前透水混凝土的市場需求，本文主要結合實際工程進行研究，形成一套符合工程要求的配合比及施工應用方法，為今后企業生產透水混凝土提供參考。

1 工程概況

北京某重點工程，總建設用地面積108633.561m2，主要包括主樓、配套管理用房、觀景廣場及門衛房。其中配套管理房周邊及廣場西側路面均為透水路面，面積約8000m2。該工程對透水混凝土路面設計要求為透水層厚度為150mm，透水混凝土設計強度為C30，表觀平整，透水系數≥1mm/s。

2 配合比設計

本文采用填充理論和體積法，以實際工程為基礎，開展C30透水混凝土配合比設計。根據項目設計要求和DB11/T 775—2010《透水混凝土路面技術規程》有關規定，建議施工方將厚度150mm的路面分為兩層，透水結構層為100mm，透水面層50mm，分兩道工序進行攤鋪施工。首先要結合實際生產確定原材料，通過多組試驗，研究配合比中各參數變化對透水混凝土強度及透水系數的影響，最后針對該工程要求進行最終的配合比設計和計算。

3 原材料及其對透水混凝土性能的影響

水泥：選用質量穩定、強度較高的北京金隅北水P·O 42.5水泥，其物理力學性能見表1。骨料：選用級配良好的威克碎石及玄武巖質骨料，其技術指標見表2。外加劑：選用河北合眾建材有限公司的HZ-2標準型聚羧酸高性能減水劑，減水率31%，含固量14.10%。其他原材料：硅灰、膠粉和纖維素醚等。

表1 水泥的物理力學性能

 

表2 骨料的物理性能

 

3.1 骨料粒徑對透水混凝土性能的影響

配合比中其他組成材料一定，水灰比取0.25，水泥用量為400kg/m3，外加劑用量為4.5kg/m3，采用4組不同粒徑的骨料進行預拌，考察骨料粒徑對透水混凝土性能的影響，結果見表3。表3可知，當配合比中其他組成材料一定時，隨著骨料粒徑的增加，混凝土的孔隙率逐漸增大，抗壓強度先增大后減小，骨料粒徑在5～10mm時，混凝土抗壓強度最高，透水系數隨著骨料粒徑的增大而增大。

表3 骨料粒徑對透水混凝土性能的影響

 

3.2 水灰比及水泥用量對透水混凝土性能的影響

其他材料保持固定，粗骨料選擇5～10mm，外加劑4.5kg/m3，水泥400kg/m3，采用4組不同水膠比，觀察透水混凝土的強度和透水系數，結果見表4。由表4可知，隨著水膠比的增大，混凝土的抗壓強度和透水系數均逐漸降低。

水灰比取0.25，采用不同水泥用量，觀察透水混凝土的強度和透水系數，結果見表5。由表5可知，隨著水泥用量的增大，混凝土的抗壓強度增大，透水系數逐漸降低。

表4 水膠比對透水混凝土性能的影響

 

表5 水泥用量對透水混凝土性能的影響

 

3.3 硅灰對透水混凝土性能的影響

選擇水泥用量400kg/m3，水灰比0.25，骨料5～10mm，外加劑4.0kg/m3，分別添加不同量的硅灰，觀察透水混凝土的抗壓強度，結果見表6。由表6可知，隨著硅灰用量的增加，混凝土的抗壓強度逐漸增大。

表6 硅灰對透水混凝土性能的影響

 

3.4 提高混凝土施工性的原材料

為了提高透水混凝土現場施工性，選取膠粉和纖維素醚作為研究混凝土施工性的材料，配合比為水泥400kg/m3，水灰比0.25，骨料5～10mm，結果見表7。

由表7可知，（1）隨著膠粉摻量的增加，混凝土的抗壓強度基本不變，透水混凝土黏聚性有所增加，分析原因是膠粉本身沒有活性，但是可以增加水泥漿的粘性，能夠提高施工性；（2）隨著纖維素醚摻量的增加，混凝土的抗壓強度基本不變；試驗發現，添加纖維素醚之后與之前相比，透水混凝土不易被風干，保水性大大提高，分析原因是由于纖維素醚分子上的羥基和醚鍵上的氧原子會與水分子締合成氫鍵，使游離水變成結合水，從而起到很好的保水作用；水分子與纖維素醚分子鏈間的相互擴散作用使水分子得以進入纖維素醚大分子鏈內部，并受到較強的約束力，從而形成自由水，纏繞水，提高了水泥漿的保水性；纖維素醚改善新拌水泥漿體的流變性能、多孔網絡結構和滲透壓力或纖維素醚的成膜性能阻礙了水的擴散。

表7 膠粉及纖維素醚對混凝土性能的影響

 

本部分通過對骨料、水泥用量、水膠比、硅灰、膠粉等材料進行試驗，得出影響透水混凝土性能的主要因素和范圍，確定了本次施工的原材料種類，為配合比計算提供了依據。

4 配合比計算

（1）透水結構層配合比設計與計算：透水結構層主要起承受荷載作用，設計透水混凝土強度＞30MPa，透水系數＞1mm/s，本方案采用填充理論及體積法[3]，通過多組試驗，若空隙率設計低，則透水系數無法達到，若空隙率設計較高，則抗壓強度無法達到30MPa，最終設定空隙率P=18%。透水混凝土的體積為各種材料體積與空隙體積之和，則：

 

 

 

表8 結構層配合比

kg/m3

 

（2）面層配合比設計計算：摻加膠粉和纖維素醚，膠粉和纖維素醚不計入膠材總量，玄武巖骨料表觀密度為2800kg/m3，膠粉摻量10kg/m3，纖維素醚為膠材的0.01%，按上述計算方法，得出配合比見表9。

表9 面層配合比

kg/m3

 

5 工程應用

使用攪拌站強制式攪拌機攪拌，本工程控制計量設備動態偏差，水泥和水計量偏差為＜1%，砂石計量偏差＜2%，保證了配比的精準。經多次試驗，使用混凝土罐車運輸透水混凝土難度較大，罐車減速機容易燒壞，為了提高效率和保證透水混凝土狀態，使用縫隙封閉較好的翻斗車進行運輸，并且用不透風塑料膜覆蓋嚴密，防止風干影響粘結強度。

在施工現場制作試塊，考慮實際施工情況，本試驗通過模擬施工單位1t壓路機前后壓輥與地面的接觸面積換算成型時的壓力為2.25kN，受壓時間約10s，完成試塊制作。透水混凝土狀態的控制為在出機時以不流漿為最佳狀態，到場以手攥成團為最佳效果，現場施工分層攤鋪，結構層攤鋪刮平后，用1t重壓路機碾壓2遍，保證了整體密實度。兩層透水混凝土攤鋪時間間隔0.5h，保證了下層不凝結，與上層粘結較好。面層攤鋪時，嚴格控制平整度，用磨光機抹平，并不時噴灑水霧，保持面層濕潤，確保了玄武巖小顆粒粘結牢固。待透水混凝土完全施工結束，為達到濕度保持的養護目的，需要采用塑料薄膜對其進行覆蓋，通常養護時間需保證在14d以上，其強度未達到設計標準前不可通車使用[5]。

通過前期的原材料選用、試驗及配合比計算等工作，成功配制并順利澆筑了強度等級C30，透水系數1.0以上的透水混凝土。通過第三方試驗室檢測，透水結構層強度為36.4MPa，面層強度為34.8MPa，透水系數分別為4.23mm/s、4.09mm/s，其強度和性能均符合設計與施工要求，并得到了施工單位和建設單位的一致認可。

結論

（1）隨著骨料粒徑的增加，混凝土的孔隙率增大，抗壓強度先增大后減小，在骨料粒徑5～10mm時，混凝土抗壓強度最高，透水系數隨著骨料粒徑的增大而增大。

（2）隨著水膠比的增大，混凝土的抗壓強度和透水系數均逐漸降低。隨著水泥用量和硅灰用量的增大，混凝土的抗壓強度增大，但水泥用量增大透水系數會逐漸降低。

（3）當水膠比為0.25，硅灰摻量為水泥用量的6%，外加劑摻量為1.3%，孔隙率為18%，石子粒徑分別為2.5～5.0mm和5.0～10.0mm時，透水混凝土的強度均可以達到C30強度等級，透水系數均可超過4.0mm/s。

（4）透水混凝土中由于石子表面漿體較薄，容易風干，添加膠粉和纖維素醚材料增加透水混凝土的松軟度、黏聚性和保水性，對于施工環節，很有必要。

（5）透水混凝土工程施工方法對透水混凝土的面層美觀性、強度和透水系數會有較大影響，通過精細控制，能夠配制出透水結構層強度36.4MPa，面層強度34.8MPa，透水系數分別為4.23mm/s和4.09mm/s的設計要求，在面層磨光時達到石子與石子連接、表面平整為最佳狀態，防止后期車輛碾壓導致石子掉落等情況的發生。