一种基于胶浆特性的透水混凝土配合比设计方法

摘要

本发明公开了一种基于胶浆特性的透水混凝土配合比设计方法。通过对透水混凝土中水泥胶浆配比的设计，控制胶浆的流动度、粘度和粘结强度等三个胶浆特性，结合胶浆特性与透水混凝土力学性能、透水性能之间规律，根据目标透水混凝土所需要的透水性能和强度指标要求，确定胶浆所对应所需的流动度、粘度和粘结强度，并以此进行配合比计算。本发明能够有效降低透水混凝土配合比设计的难度和误差，对透水混凝土合理广泛的应用有重要的理论意义和实际价值。

说明书

技术领域

本发明属于建筑材料制作技术领域，尤其涉及一种基于胶浆特性的透水混凝土的配合比设计方法。

背景技术

现代化的城市建设多采用不透水的路面铺装，这导致了一些地区易出现城市内涝和城市热岛效应，给人们的日常生活带来了极大困扰，严重情况下甚至会危及经济财产和人身安全。“海绵城市”的建设对净化地下水资源、缓解城市内涝、改善城市热岛效应等有显著的作用。而透水混凝土是“海绵城市”路面铺装的主要材料，对实现“海绵城市”的理念十分关键。作为一种新型的生态“海绵体”，透水混凝土主要是由粗骨料、胶凝材料、水和外加剂等材料经特定搅拌方式成型的一种多孔混凝土。它不含细骨料，由粗骨料表面与水泥浆体互相粘结形成，因此其内部的孔隙率比较大，有良好的渗透性能，净化水资源性能和降噪性能等。

有关透水混凝土方面的研究已经超过50多年，特别是在美国和日本研究较多。透水混凝土孔隙率范围通常在11％和35％，渗透率为0.2-1.2cm/s。然而，高孔隙率也降低了透水混凝土的强度，它的抗压强度通常只有3.5-28MPa。可以看出透水混凝土性能波动较大，这是因为透水混凝土的力学性能与透水性能是相互矛盾的，过度的追求其中一种性能势必导致另一种性能急剧下降。所以亟需建立适当的配合比设计方案，在力学性能与透水性能之间寻求一种合适关系，才能保证透水混凝土的路用性能

透水混凝土的内部结构是“点接触”模型，即主要是骨料颗粒与颗粒之间以点接触并通过胶浆的粘结相互搭接成空间网络的形式存在。这决定了透水混凝土配合比组成设计可以分为骨料和胶浆两个主体进行。骨料目前较为普遍的是采用单粒级的粗骨料，设计较为简单。而且实际工程中受经济，地理等因素影响，骨料的可供选取的范围通常较小。从胶浆的作用机理来看，胶浆的流动度，粘度决定了透水混凝土中浆体对集料的包裹状态和空隙的填充状态，从而控制“点接触”模型中胶浆接触点的面积，粘附程度和各层胶浆包裹均匀程度来影响透水混凝土透水性能和力学性能。浆体的粘结强度决定了透水混凝土集料间相互搭接颗粒脱落的难易程度，从而影响透水混凝土力学性能。因此，基于胶浆特性的透水混凝土的配合比设计方法，能使透水混凝土同时满足透水路面的透水性和强度指标要求，从而保证透水混凝土结构在海绵城市中能够达到预定的设计使用性能，具有重要的学术意义和工程应用前景。

发明内容

本发明目的在于提供一种解决透水混凝土配制技术不足，同时降低透水混凝土的配制和实际应用的难度，提供了一种基于胶浆特性的透水混凝土配合比设计方法。该方法通过透水混凝土中胶浆的流动度，粘度和粘结强度进行调控，使透水混凝土同时满足透水性能和强度指标要求，让透水混凝土结构在海绵城市的建设中得到科学和合理的应用。

为达到上述目的，采用技术方案如下：

一种基于胶浆特性的透水混凝土配合比设计方法，包括以下步骤：

1)根据实际需求，设定目标透水混凝土所需要的透水性能和力学性能；所述透水性能采用孔隙率和透水系数进行表征；所述力学性能采用抗压强度和抗折强度进行表征；所述透水混凝土由粗骨料和水泥胶浆组成，所述骨料采用单粒级粗骨料，所述水泥胶浆包括水泥、硅灰、减水剂、增稠剂和水；

2)配制流动度为80-200mm的水泥胶浆试样若干，分别制成透水混凝土试样；通过对所得透水混凝土试样透水性能和力学性能的表征，得到水泥胶浆流动度与透水混凝土力学性能以及透水性能的关系图；

3)配制粘度为10-70s的水泥胶浆试样若干，分别制成透水混凝土试样；通过对所得透水混凝土试样透水性能和力学性能的表征，得到水泥胶浆粘度与透水混凝土力学性能以及透水性能的关系图；

4)配制粘接强度为06-2.0MPa的水泥胶浆试样若干，分别制成透水混凝土试样；通过对所得透水混凝土试样力学性能的表征，得到水泥胶浆粘度与透水混凝土力学性能关系图；

5)根据目标透水混凝土所需要的透水性能和力学性能要求，参考上述关系图，分别确定水泥胶浆的流动度、粘度以及粘接强度参数；

6)根据所得流动度、粘度以及粘接强度参数，制备符合要求的水泥胶浆。

按上述方案，所述骨料为2.36-4.75mm或4.75-9.5mm或9.5-13.2mm；每方用量为1300～1700kg/m³。

按上述方案，所述水泥胶浆中水泥选用的是硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥或碱激发水泥，每方用量在300-500kg/m³；硅灰每方用量在1～100kg/m³；减水剂选用萘系或聚羧酸盐类减水剂，每方用量在1～5.0kg/m³；增稠剂选用纤维素类增稠剂或丙烯类增稠剂，每方用量在0.1～0.8kg/m³；水灰比在0.15-0.45。

按上述方案，所述流动度是水泥胶浆在平面上充分流动后扩展面积直径的大小，用浆体扩展度表征；所述粘度是水泥胶浆在平面上流动到扩展度为130mm所需的的时间；所述粘结强度是水泥胶浆硬化后7d的拉拔粘结强度。

按上述方案，配制流动度为80-200mm的水泥胶浆试样时通过改变减水剂和增稠剂的掺量进行控制。

按上述方案，配制粘度为10-70s的水泥胶浆试样时通过改变减水剂和增稠剂的掺量进行控制。

按上述方案，配制粘接强度为06-2.0MPa的水泥胶浆试样时通过改变硅灰对水泥的替代量和水灰比进行控制。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

本发明生产的透水混凝土是基于胶浆流动度，粘度和粘结强度配合比设计方法，减少了原有配合比设计中需要考虑的多种复杂因素，更加直观简便的在实际生产中对所需的透水性能和强度指标要求进行控制。

本发明能够有更加合理控制原料使用且易于操作，降低了实际应用的时间和成本，对透水混凝土合理广泛的应用有重要的理论意义和实际价值。

附图说明

图1：水泥胶浆的流动度与透水混凝土的力学性能的之间关系；

图2：水泥胶浆的流动度与透水混凝土的透水性能的之间关系；

图3：水泥胶浆的粘度与透水混凝土的力学性能的之间关系；

图4：水泥胶浆的粘度与透水混凝土的透水性能的之间关系；

图5：水泥胶浆的粘结强度与透水混凝土的力学性能的之间关系。

具体实施方式

以下实施例进一步阐释本发明的技术方案但不作为对本发明保护范围的限制。

本发明基于胶浆特性的透水混凝土配合比设计方法，过程如下：

1)根据实际需求，设定目标透水混凝土所需要的透水性能和力学性能；所述透水性能采用孔隙率和透水系数进行表征；所述力学性能采用抗压强度和抗折强度进行表征；所述透水混凝土由粗骨料和水泥胶浆组成，所述骨料采用单粒级粗骨料，所述水泥胶浆包括水泥、硅灰、减水剂、增稠剂和水；其中，所述骨料为2.36-4.75mm或4.75-9.5mm或9.5-13.2mm；每方用量为1300～1700kg/m³。所述水泥胶浆中水泥选用的是硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥或碱激发水泥，每方用量在300-500kg/m³；硅灰每方用量在1～100kg/m³；减水剂选用萘系或聚羧酸盐类减水剂，每方用量在1～5.0kg/m³；增稠剂选用纤维素类增稠剂或丙烯类增稠剂，每方用量在0.1～0.8kg/m³；水灰比在0.15-0.45。

其中，所述透水混凝土抗压强度和抗折强度的表征按GB/T50081-2011《普通混凝土力学性能试验方法标准》的规定进行；所述透水混凝土透水性能的表征按CCJJ/T135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》的规定进行；所述透水混凝土孔隙率的表征按DB11T-775-2010《透水混凝土路面技术规程》的规定进行。

2)通过改变减水剂和增稠剂的掺量配制流动度为80-200mm的水泥胶浆试样若干，分别制成透水混凝土试样；通过对所得透水混凝土试样透水性能和力学性能的表征，得到水泥胶浆流动度与透水混凝土力学性能以及透水性能的关系图；

3)通过改变减水剂和增稠剂的掺量配制粘度为10-70s的水泥胶浆试样若干，分别制成透水混凝土试样；通过对所得透水混凝土试样透水性能和力学性能的表征，得到水泥胶浆粘度与透水混凝土力学性能以及透水性能的关系图；参照附图1和2所示。

4)通过改变硅灰对水泥的替代量和水灰比配制粘接强度为06-2.0MPa的水泥胶浆试样若干，分别制成透水混凝土试样；通过对所得透水混凝土试样力学性能的表征，得到水泥胶浆粘度与透水混凝土力学性能关系图；参照附图3和4所示。

5)根据目标透水混凝土所需要的透水性能和力学性能要求，参考上述关系图，分别确定水泥胶浆的流动度、粘度以及粘接强度参数；参照附图5所示。

6)根据所得流动度、粘度以及粘接强度参数，制备符合要求的水泥胶浆。

其中，所述流动度是水泥胶浆在平面上充分流动后扩展面积直径的大小，用浆体扩展度表征；所述粘度是水泥胶浆在平面上流动到扩展度为130mm所需的的时间；所述粘结强度是水泥胶浆硬化后7d的拉拔粘结强度。

实施例1

为制备28d透水系数为7.5mm/s，抗压强度为20MPa的目标透水混凝土，先参考图1-5所述规律，确定出胶浆所需的流动度为135mm，粘度为42s，粘结强度为1.7MPa。得到所需胶浆特性后，选用P.O.42.5的华新水泥，每方用量为350kg/m³，水灰比为0.23，选用硅灰的比表面积是18000m²/kg，每方用量为21kg/m³，确保得到水泥胶浆粘结强度为1.7MPa；减水剂选用聚羧酸高效减水剂，减水率大于25％，每方用量为0.91kg/m³，增稠剂选用纤维素醚，每方用量为0.07kg/m³，确保得到水泥胶浆流动度为135mm，粘度为42s；最后选用4.75-9.5mm的石灰岩碎石作为单粒级粗骨料，堆积孔隙率为41.8％，每方用量为1500kg/m³。。

透水混凝土成型。采用常规的混凝土拌和工艺，先将水泥、硅灰﹑粗集料预拌60s，再加入水和外加剂搅拌180s。成型方式采用上压下振的成型方法，先将拌合物分3层装满试模，且每层插捣25次。再在振动台上，将装满透水混凝土试模上方以铁块覆盖压住，并振动时间30s。其中用于测试抗压强度，孔隙率和透水系数的样品成型于150×150×150mm的模具中，用于测试抗折强度的样品成型于150×150×600mm的模具中。成型完后，将其置于温度为20±2℃的室内养护24h后脱模，再置于温度为20±2℃，相对湿度为95％的环境中养护28d。28d透水混凝土性能实际测试结果为透水系数为7.8mm/s，抗压强度为22.7MPa。

实施例2

为制备28d透水系数为10mm/s，抗压强度为17MPa的目标透水混凝土，先参考图1-5所述规律，确定出胶浆所需的流动度为160mm，粘度为60s，粘结强度为1.4MPa。得到所需胶浆特性后，选用P.O.42.5的华新水泥，每方用量为330kg/m³，水灰比为0.24，选用硅灰的比表面积是18000m²/kg，每方用量为15kg/m³，确保得到水泥胶浆粘结强度为1.4MPa；减水剂选用聚羧酸高效减水剂，减水率大于25％，每方用量为0.5kg/m³，增稠剂选用羧甲基纤维素，每方用量为0.2kg/m³，确保得到水泥胶浆流动度为110mm，粘度为60s；最后选用4.75-9.5mm的玄武岩碎石作为单粒级粗骨料，堆积孔隙率为43.4％，每方用量为1650kg/m³。。

透水混凝土成型。采用常规的混凝土拌和工艺，先将水泥、硅灰﹑粗集料预拌60s，再加入水和外加剂搅拌180s。成型方式采用上压下振的成型方法，先将拌合物分3层装满试模，且每层插捣25次。再在振动台上，将装满透水混凝土试模上方以铁块覆盖压住，并振动时间30s。其中用于测试抗压强度，孔隙率和透水系数的样品成型于150×150×150mm的模具中，用于测试抗折强度的样品成型于150×150×600mm的模具中。成型完后，将其置于温度为20±2℃的室内养护24h后脱模，再置于温度为20±2℃，相对湿度为95％的环境中养护28d。28d透水混凝土性能实际测试结果为透水系数为9.7mm/s，抗压强度为17.6MPa。

实施例3

为制备28d透水系数为4mm/s，抗压强度为21MPa的目标透水混凝土，先参考图1-5所述规律，确定出胶浆所需的流动度为110mm，粘度为28s，粘结强度为1.8MPa。得到所需胶浆特性后，选用P.O.42.5的华新水泥，每方用量为370kg/m³，水灰比为0.23，选用硅灰的比表面积是20000m²/kg，每方用量为25kg/m³，确保得到水泥胶浆粘结强度为1.8MPa；减水剂选用萘系高效减水剂，减水率大于20％，每方用量为1.4kg/m³，增稠剂选用纤维素醚，每方用量为0.15kg/m³，确保得到水泥胶浆流动度为110mm，粘度为28s；最后选用2.36-4.75mm的玄武岩碎石作为单粒级粗骨料，堆积孔隙率为38.7％，每方用量为1550kg/m³。。

透水混凝土成型。采用常规的混凝土拌和工艺，先将水泥、硅灰﹑粗集料预拌60s，再加入水和外加剂搅拌180s。成型方式采用上压下振的成型方法，先将拌合物分3层装满试模，且每层插捣25次。再在振动台上，将装满透水混凝土试模上方以铁块覆盖压住，并振动时间30s。其中用于测试抗压强度，孔隙率和透水系数的样品成型于150×150×150mm的模具中，用于测试抗折强度的样品成型于150×150×600mm的模具中。成型完后，将其置于温度为20±2℃的室内养护24h后脱模，再置于温度为20±2℃，相对湿度为95％的环境中养护28d。28d透水混凝土性能实际测试结果为透水系数为3.8mm/s，抗压强度为22.4MPa。