CN109336501A - 一种基于浆膜厚度的透水混凝土配合比设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种基于浆膜厚度的透水混凝土配合比设计方法，该方法根据碎石自然堆积确定碎石用量，根据孔隙率需求确定浆膜厚度，结合浆膜厚度和碎石总表面积确定浆体体积，再根据浆体体积确定水泥、矿物掺合料和水的用量，根据粉体用量确定减水剂用量，最后综合得到透水混凝土配合比。本发明提供了一种可制备出有效孔隙率可控、综合性能优越的透水混凝土以及适合推广应用的基于浆膜厚度的透水混凝土配合比设计方法。

Description

一种基于浆膜厚度的透水混凝土配合比设计方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种透水混凝土配合比设计方法，尤其涉及一种基于浆膜厚度的透水混凝土配合比设计方法。

背景技术

透水混凝土是由水泥、粗集料和水拌制，没有细集料或者含少量细集料，经凝结硬化后形成的具有宏观连续孔隙的多孔结构物。透水混凝土内部存在较多的孔隙，有良好的透水、透气性，因而具有诸多优点：①使雨水能够迅速还原补充成地下水，提高对水资源的保护作用；②能保证植物的根系与自然界空气水汽的正常交换，为微生物提供了生长场所，改善了自然生态环境；③用于路面铺装，消除雨水飞溅和路面打滑的现象，同时也可以减少因路面积水而造成的刺眼反光；④其独特的多孔结构可以减轻车辆行驶所引起的噪声，提供舒适的交通环境；⑤透水混凝土可以将太阳辐射热吸入内部，减少对太阳热的反射，对缓解“热岛效应”有良好的效果。基于透水混凝土的功能性，要求在对其进行配合比设计时首先要保证其孔隙率。目前，国内外对透水混凝土的配合比设计方法进行了大量研究，但提出的方法基本都是采用经验公式法或体积法。2009年我国出台的行业标准《透水水泥混凝土路面技术规程》也采用了体积法，但这类方法均从宏观层面考虑存在一定不足，制备的透水混凝土性能也得不到保证。透水混凝土的主要特性就是靠包裹在粗集料表面的胶结材浆体硬化后将集料颗粒粘结在一起而成，其粗集料之间浆膜厚度将直接影响透水性和强度。因此，需要提出一种符合透水混凝土特性的配合比设计方法，以使硬化后透水混凝土各项性能满足设计要求。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可制备出有效孔隙率可控、综合性能优越的透水混凝土以及适合推广应用的基于浆膜厚度的透水混凝土配合比设计方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于浆膜厚度的透水混凝土配合比设计方法，其特征在于：所述基于浆膜厚度的透水混凝土配合比设计方法包括以下步骤：

1)按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)和《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)的要求选择合适的原材料并进行各项性能测试；所述原材料包括水泥、粉煤灰、硅灰以及粗集料；

2)根据粗集料在自然堆积的状态确定单位体积内粗集料的用量及单位体积内粗集料总表面积；

3)根据实际工程对透水混凝土孔隙率的要求确定浆膜厚度；

4)根据步骤3)确定得到的浆膜厚度以及步骤2)确定得到的单位体积内粗集料总表面积确定单位体积内透水混凝土浆体用量；

5)根据单位体积内透水混凝土浆体用量确定单位体积内透水混凝土水泥、粉煤灰、硅灰及水的用量；

6)根据单位体积内透水混凝土水泥、矿物掺合料及水的用量确定单位体积内减水剂用量，最终得到单位体积内透水混凝土配合比。

作为优选，本发明所采用的步骤2)中单位体积内粗集料的用量的具体确定方式是：

通常认为1m³透水混凝土的表观体积主要由粗集料紧密堆积而成，所述单位体积内粗集料用量m_g为：

m_g＝α×ρ′_g

式中：

ρ′_g为粗集料紧密堆积密度；

α为粗集料用量修正系数，取0.98；

所述步骤2)中单位体积内粗集料总表面积的具体确定方式是：

将所有粗集料视为以粗集料形心为中心以粗集料的粒径为直径的球体，单位体积内粗集料中粒径为(d_i，d_i+1)的集料分计筛余为α_i；

(d_i，d_i+1)集料的平均粒径为：

单个(d_i，d_i+1)集料颗粒的表面积S_i和体积V_i分别为：

单位体积透水混凝(d_i，d_i+1)集料的个数n_i为：

式中：ρ_g为粗集料表观密度；

单位体积内粗集料的总体积V为：

单位体积透水混凝土粗集料的总表面积S为：

作为优选，本发明所采用的步骤4)中单位体积内透水混凝土浆体用量的具体确定方式是：浆膜厚度直接影响着透水混凝土的孔隙率，当浆膜厚度在350μm-550μm时，对应有效孔隙率为20％-35％；

单位体积内透水混凝土浆体体积V_p为：

V_p＝Sh；

其中：

S是单位体积透水混凝土粗集料的总表面积；

h是浆膜厚度。

作为优选，本发明所采用的步骤5)中单位体积内透水混凝土水泥、矿物掺合料及水的用量的具体确定方式是：

根据体积法可知：

式中：

m_c、m_f、m_w分别为单位体积内透水混凝土水泥、矿物掺合料、水的用量；

ρ_c、ρ_f、ρ_w分别为单位体积内透水混凝土水泥、矿物掺合料、水的表观密度；

m_f＝m_cα_f

m_w＝m_cR_w/c

式中：

α_f为矿物掺合料取代水泥的比例；

R_w/c为透水混凝土的水灰比。

作为优选，本发明所采用的步骤6)中单位体积内减水剂用量的具体确定方式是：

单位体积透水混凝土减水剂用量m_ps为：

m_ps＝(m_c+m_f)×α_ps

式中：

α_ps为减水剂掺量；

m_c为单位体积内透水混凝土水泥的用量；

m_f为单位体积内矿物掺合料的用量。

作为优选，本发明所采用的基于浆膜厚度的透水混凝土配合比设计方法在步骤6)之后还包括：

7)对获得的透水混凝土进行抗压强度测试、孔隙率测试以及透水系数测试。

相对现有技术，本发明所采用的技术方案具有以下有益效果：

本发明公开了一种基于浆膜厚度的透水混凝土配合比设计方法，该方法根据碎石自然堆积确定碎石用量，根据孔隙率需求确定浆膜厚度，结合浆膜厚度和碎石总表面积确定浆体体积，再根据浆体体积确定水泥、矿物掺合料和水的用量，根据粉体用量确定减水剂用量，最后综合得到透水混凝土配合比。本发明提供的配合比设计方法可制备出有效孔隙率可控、综合性能优越的透水混凝土，适合推广应用。本发明的透水混凝土配合比设计方法既可以通过浆体层厚度控制硬化后透水混凝土的孔隙率满足要求，又可以在配合比设计时将结构微观形态与宏观性能相联系。采用本发明所述的配合比设计方法，可以获得有效孔隙率可控、综合性能优越的透水混凝土。

具体实施方式

以下实例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。

实施例1

(1)原材料性能检验：

选用P.O 42.5普通硅酸盐水泥，指标均满足《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)的规定，密度为3100kg/m³；选用单一粒径4.75-9.5mm的石灰石碎石作为粗集料，《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)，测试其表观密度为2700kg/m³，堆积密度为1600kg/m³，空隙率为40.7％；选用清洁自来水，密度为1000kg/m³。

(2)单位体积粗集料用量确定：

单位体积透水混凝土中粗集料用量m_g＝α×ρ′_g＝0.98×1600＝1568kg。

(3)单位体积粗集料总表面积计算：

粗集料采用4.75-9.5mm单一粒径范围，则该粒径的集料分计筛余α为1。

粗集料平均粒径

单个粗集料颗粒的表面积

单个粗集料颗粒的体积

单位体积透水混凝集料的个数

单位体积透水混凝土粗集料的总体积

单位体积透水混凝土粗集料的总表面积S＝n₁S₁＝3.068×10⁶×1.594×10^-4＝489.045m²

(4)浆膜厚度确定：

预设孔隙率为27.50％，则对应将膜厚度h为450μm。

(5)单位体积透水混凝土浆体用量确定：

单位体积透水混凝土浆体体积V_p＝Sh＝489.045×0.450×10^-3＝0.2200m³

(6)单位体积透水混凝土水泥、矿物掺合料及水的用量确定：

本实施例未掺入矿物掺合料，m_f为0。

根据体积法可知：

本实施例水灰比采用0.25。

m_w＝m_cR_w/c＝0.25m_c

结合上面两式可得出：m_c＝384.3kg，m_w＝96.1kg。

(7)单位体积透水混凝土减水剂用量确定：

本实施减水剂采用聚羧酸高效粉末减水剂，减水率为26％，掺量为0.1％。

m_ps＝(m_c+m_f)×α_ps＝384.3×0.001＝0.38kg

实施例2

预设孔隙率为23.75％，则对应将膜厚度h为500μm。其余原材料种类及参数均与实施例1相同。

采用与实施例1相同的计算方法，得出各原材料用量：水泥427.1kg，粗集料1568kg，水106.8kg，减水剂0.43kg。

实施例3

预设孔隙率为20.00％，则对应将膜厚度h为350μm。其余原材料种类及参数均与实施例1相同。

采用与实施例1相同的计算方法，得出各原材料用量：水泥469.8kg，粗集料1568kg，水117.4kg，减水剂0.47kg。

实施例4

预设孔隙率为23.75％，则对应将膜厚度h为500μm；掺入粉煤灰等质量取代10％的水泥，粉煤灰为满足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596-2017)的F类粉煤灰，密度为2450kg/m³；其余原材料种类及参数均与实施例1相同。

采用与实施例1相同的计算方法，得出各原材料用量：水泥378.7kg，粉煤灰42.1kg，粗集料1568kg，水105.2kg，减水剂0.42kg。

实施例5

预设孔隙率为23.75％，则对应将膜厚度h为500μm；掺入硅灰等质量取代9％的水泥，密度为2100kg/m³；其余原材料种类及参数均与实施例1相同。

采用与实施例1相同的计算方法，得出各原材料用量：水泥379.5kg，硅灰37.5kg，粗集料1568kg，水104.2kg，减水剂0.42kg。

由上述实例所计算得到的配合比如表1所示

表1单位体积透水混凝土配合比汇总表

(8)配合比验证

由上述实施例所得的样品，分别进行7d抗压强度、28d抗压强度、有效孔隙率和透水系数测试，试验结果如表2所示。

表2不同配比透水混凝土试样的各项性能

由表2可以看出，当浆膜厚度在450μm-550μm时，各实施例样品均完全满足行业标准《透水水泥混凝土路面技术规程》(CJJ/T 135-2009)中规定的连续孔隙率不得小于10％，透水系数不得小于0.5mm/s。在满足透水性能的基础上，实施例5样品的强度最高，可达22.4Mpa，实施例5样品的综合性能较好。

随着浆膜厚度增大，透水混凝土的抗压强度增高，有效孔隙率和透水系数随之减小；当浆膜厚度一定时，不论粉体由何种材料组成，其透水混凝土的有效孔隙率基本不变，即浆膜厚度可以直接决定有效孔隙率的大小。由此可见，基于浆膜厚度的透水混凝土配合比设计方法是可行有效的。

Claims (6)

1.一种基于浆膜厚度的透水混凝土配合比设计方法，其特征在于：所述基于浆膜厚度的透水混凝土配合比设计方法包括以下步骤：

1)按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)和《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)的要求选择合适的原材料并进行各项性能测试；所述原材料包括水泥、粉煤灰、硅灰以及粗集料；

2)根据粗集料在自然堆积的状态确定单位体积内粗集料的用量及单位体积内粗集料总表面积；

3)根据实际工程对透水混凝土孔隙率的要求确定浆膜厚度；

4)根据步骤3)确定得到的浆膜厚度以及步骤2)确定得到的单位体积内粗集料总表面积确定单位体积内透水混凝土浆体用量；

5)根据单位体积内透水混凝土浆体用量确定单位体积内透水混凝土水泥、粉煤灰、硅灰及水的用量；

6)根据单位体积内透水混凝土水泥、矿物掺合料及水的用量确定单位体积内减水剂用量，最终得到单位体积内透水混凝土配合比。

2.根据权利要求1所述的基于浆膜厚度的透水混凝土配合比设计方法，其特征在于：所述步骤2)中单位体积内粗集料的用量的具体确定方式是：

通常认为1m³透水混凝土的表观体积主要由粗集料紧密堆积而成，所述单位体积内粗集料用量m_g为：

m_g＝α×ρ′_g

式中：

ρ′_g为粗集料紧密堆积密度；

α为粗集料用量修正系数，取0.98；

所述步骤2)中单位体积内粗集料总表面积的具体确定方式是：

将所有粗集料视为以粗集料形心为中心以粗集料的粒径为直径的球体，单位体积内粗集料中粒径为(d_i，d_i+1)的集料分计筛余为α_i；

(d_i，d_i+1)集料的平均粒径为：

单个(d_i，d_i+1)集料颗粒的表面积S_i和体积V_i分别为：

单位体积透水混凝(d_i，d_i+1)集料的个数n_i为：

式中：ρ_g为粗集料表观密度；

单位体积内粗集料的总体积V为：

单位体积透水混凝土粗集料的总表面积S为：

3.根据权利要求2所述的基于浆膜厚度的透水混凝土配合比设计方法，其特征在于：所述步骤4)中单位体积内透水混凝土浆体用量的具体确定方式是：浆膜厚度直接影响着透水混凝土的孔隙率，当浆膜厚度在350μm-550μm时，对应有效孔隙率为20％-35％；

单位体积内透水混凝土浆体体积V_p为：

V_p＝Sh；

其中：

S是单位体积透水混凝土粗集料的总表面积；

h是浆膜厚度。

4.根据权利要求3所述的基于浆膜厚度的透水混凝土配合比设计方法，其特征在于：所述步骤5)中单位体积内透水混凝土水泥、矿物掺合料及水的用量的具体确定方式是：

根据体积法可知：

式中：

m_c、m_f、m_w分别为单位体积内透水混凝土水泥、矿物掺合料、水的用量；

ρ_c、ρ_f、ρ_w分别为单位体积内透水混凝土水泥、矿物掺合料、水的表观密度；

m_f＝m_cα_f

m_w＝m_cR_w/c

式中：

α_f为矿物掺合料取代水泥的比例；

R_w/c为透水混凝土的水灰比。

5.根据权利要求4所述的基于浆膜厚度的透水混凝土配合比设计方法，其特征在于：所述步骤6)中单位体积内减水剂用量的具体确定方式是：

单位体积透水混凝土减水剂用量m_ps为：

m_ps＝(m_c+m_f)×α_ps

式中：

α_ps为减水剂掺量；

m_c为单位体积内透水混凝土水泥的用量；

m_f为单位体积内矿物掺合料的用量。

6.根据权利要求1-5任一所述的基于浆膜厚度的透水混凝土配合比设计方法，其特征在于：所述基于浆膜厚度的透水混凝土配合比设计方法在步骤6)之后还包括：

7)对获得的透水混凝土进行抗压强度测试、孔隙率测试以及透水系数测试。