高强透水混凝土的研究与应用

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1、高强透水混凝土朱效荣 教授、研究员级高工北京城建混凝土有限公司汇报的主要内容 研究工作总结 技术路线、技术原理 定量预留贯通开口孔隙设计法 试验及小面积应用研究 检测及工程施工 技术研究结论一、研究工作总结1、任务来源为了体现绿色奥运、科技奥运和人 文奥运的理念，在奥林匹克公园的设计 中提出使用绿色环保高强透水混凝土， 以便实现雨水资源化，修复广场水环境 与生态环境，减轻城市洪涝，减缓排水 设施的压力。2、立项背景北京奥林匹克国家森林公园为奥运 重点工程，森林公园设计集公园入口、 售票管理用房、服务、设备用房、门区 、停车场于一体，共9个门区，建筑面积 约0.8万m2，广场、停车场设计绿色环保

2、 透水混凝土铺装面积约11.7万m2。3、研究目的确定混凝土合理的透水系数范围、 寻求一种高强度绿色环保透水混凝土的 配合比设计方法以及施工方法，在实现 透水的同时，重点提高混凝土的强度和 耐久性。4、项目研究过程1）调研从2004年3月立项至2005年5月进行研究开 发的可行性调研，根据气象条件和混凝土的孔 结构确定混凝土合理的透水系数范围，论证配 制高强度透水混凝土设计方法和施工技术的可 行性，并收集配制高强度绿色环保透水混凝土 的基础性技术资料。2） 原材料的选择试验从2005年6月至2006年6月进行原材料的选 择试验，优选适合配制高强度绿色环保透水混 凝土的材料，以备配合比试验使用。

3、3 ）配合比设计及工程试验从2006年7月至2007年4月，确定合 理的透水系数范围，提出定量预留贯通 开口空隙设计方法，进行高强度透水混 凝土配合比试验；进行小面积工程试验 ；并对工作性、透水性、强度、耐久性 等主要技术指标进行检测。4 ）工程应用从2007年5月至2008年7月进行大面 积现场施工，将高强度绿色环保透水混 凝土成功应用到奥林匹克国家森林公园 停车场地面的施工，达到了C25级的设 计要求，取得了圆满成功。二、技术总结报告1、研究的意义近年来由于硬地面的数量不断增加， 地下水的补给越来越少，严重影响我国 城市水环境的平衡。沥青硬地面和混凝 土一直被认为是地下水减少的直接原因 。

4、近年来国内有许多学者和专家呼吁在 人行道、自行车道、公园和停车场使用 透水混凝土。为实现环保节能和可持续发展，在 北京2008年奥运会停车场、上海2010年 世博会、广州2012年亚运会各主题公园 的设计中均考虑使用绿色环保透水混凝 土，用来增加雨水下透，提高土壤中水 分上透，以提高植被成活和生长的可能 性，改善城市生存条件。2、技术环境在技术层面上，国内外透水混凝土 的配制技术一直采用无砂大孔透水混凝 土的设计思路，在混凝土配制过程中减 少胶凝材料用量增大透水系数时，混凝 土强度不能满足设计要求，提高胶凝材 料的用量时，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

5、生产企业和混凝土技术人 员。本研究以克服无砂大孔透水混凝土 缺陷作为研究的技术基础，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和耐久性问题。3、技术路线为了解决混凝土的透水、强度和耐 久性之间的矛盾，我们主要通过采取以 下几种技术途径：3.1 透水参数的确定：量化降水速度与混凝土性能参数关系科学地将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 间建立对应的量化关系，实现透水混凝 土透水功能与气象条件的协调统一，确 定合理的透水系数指标范围。3.2 透水技术指标的实现定量预留贯通开口孔隙设计法在配合比设计时以多组分混凝土理 论为指导，在设计中定量预留贯通开口

6、 孔隙、选择合理的粗集料、适当添加细 集料和胶粉，确保原材料配制比例的准 确性及几何模型的科学性，实现混凝土 优异的透水性。3.3 强度技术指标的实现提高界面粘结强度增加强度机理提高界面粘结强度增加透水混 凝土强度，主要有以下两个途径：（1）扩大粘结面积增加强度在粗集料品种和用量一定的条件下， 采用较大粒径石子配制绿色环保透水混 凝土时，加入适量细集料，由水泥砂浆 包裹石子，实现胶凝材料总量不变而浆 体和石子的粘结面积扩大，提高粘结强 度，使透水混凝土的强度增加。（2）增大浆体粘结力提高强度在透水混凝土配合比固定的条件下 ，适量掺加胶粉，增加了水泥砂浆浆体 的粘结力，实现水泥混合砂浆浆体总量

7、不变而浆体和石子之间的粘结力变大， 粘结强度提高，提高了透水混凝土的强 度。3.4 生产控制水泥砂浆裹石工艺透水混凝土是由粗集料、细集料、 水泥、掺合料、外加剂、胶粉和水拌制 而成， 含适量细集料和胶粉，在生产时 采用强制搅拌，使预拌的干硬性混凝土 拌和物在粗集料表面包裹一薄层水泥混 合砂浆。3.5 施工控制贯通开口孔成型工艺预拌的混凝土拌和物由自卸车运 输到施工现场后经过机械摊铺，碾压 成型后相互粘结而形成贯通开口孔隙 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。4、技术原理绿色环保透水混凝土设计的几何模型图1 普通混凝土防渗机理图图2 透水混凝土工作机理图图3

8、 无砂大孔透水混凝土试件无砂大孔透水混凝土，石子表 面有一层凝固的水泥浆，但浆体很 薄，粗集料之间的粘结点面积很小 。能够实现混凝土透水过程顺畅， 但在受力过程中由于粘结点面积太 小，表现为散裂破毁过程。无砂大孔混凝土，混凝土透水系数 较大，存在的问题是强度较低，产生这 种情况的原因是浆体量很少，尽管确保 了透水，但因粗集料之间的粘结面积太 小，影响了混凝土的强度。定量预留贯通开口孔隙设计透水混凝土设计的几何模型图4 掺细集料透水混凝土试件图5 掺细集料透水彩色混凝土试件掺细集料透水混凝土，石子表面有 一层凝固的水泥砂浆。水泥砂浆将石子 之间的双凹面粘结成一体，粘结面积增 加很多。开口孔隙数量

9、保证了混凝土透 水过程顺畅，在受力时集料之间的粘结 面积比无砂混凝土增加很多，使石子之 间粘结部位的双尖角变成了双圆弧面， 减少了由于结构缺陷引起的混凝土结构 破毁，提高了混凝土强度。掺细集料透水混凝土，在胶凝 材料用量不变的情况下，根据预留 开口孔隙定量添加细集料，增加了 粗集料之间的粘结面积，提高了混 凝土的强度。图6 掺胶粉透水混凝土试件图7 掺胶粉彩色透水混凝土试件掺胶粉透水混凝土，石子表面有一层凝 固的水泥砂浆。水泥砂浆由于粘度较大将石 子之间的双凹面粘结成一体，粘结物填充于 石子接触面之间的双尖角之间，形成了双圆 弧。确保了混凝土透水通道顺畅，混凝土受 力时将由尖角部位应力集中引起

10、的破毁改变 为均匀受力破毁过程，使强度提高。根据定量预留贯通开口孔隙，在混 凝土配合比设计中，合理掺加胶粉，提 高了水泥混合砂浆的粘结力，增大了粗 集料之间的粘结强度，最终提高了透水 混凝土的强度。定量预留开口孔隙混凝土体积组成 模型，在配比设计时定量预留贯通开口 孔隙，确保了透水，同时考虑了形成混 凝土骨架的粗集料的粘结强度的提高， 实现了透水性好，强度较高。无砂大孔透水混凝土砖强度一般都 比较低，大致在515MPa之间，而奥林 匹克公园透水混凝土强度要求在C20以上 ，因此我们称之为高强度绿色环保透水 混凝土。5、设计参数的确定5.1、透水参数的确定依据5.1.1降雨的分类小雨、中雨、大雨

11、、暴雨暴雨预警信号暴雨预警信号分四级，蓝色、黄色、橙色、红色。5.1.2、透水设计参数的确定1）透水系数的确定配制高强度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，国内研究透水混凝土的单位 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。这里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0.460.

12、93mm/s；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 0.521.04mm/s。从透水混凝土截面看，只有开口孔 隙部分透水，为保证快速降雨的水量能 够及时排出，混凝土开口孔内雨水的的 最大流动速度应大于由降水速度除以孔 隙率求得的水流速度，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，具体计算数据如下表1所示。降水速度 （mm/s）空隙率 0.460.520.931.0415%3.13.56.26.918%2.62.95.25.821%2.22.54.45.024%1.92.23.94.327%1.71.93.43.930%1.51.

13、73.13.533%1.41.62.83.236%1.31.42.62.9表1 降水速度、混凝土开口孔隙率、混凝土内水分流动速度计算表由上表可知，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1.3 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，只要实际测出的 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。这样我们就科学地将特大暴雨记录降 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对应关系，实现 了透水混凝土透水功能与气象条

14、件的协 调统一，确定了合理的绿色环保透水混 凝土透水系数指标范围。5.1.3奥林匹克国家森林公园绿色环保透水 混凝土技术要求奥林匹克国家森林公园透水混凝土 设计要求，先将基础素土夯实，压实系 数不小于93%；铺设100mm厚碎石碾压密 实；300mm厚级配砂石垫层；30mm厚砂滤 层；受力层铺设200mm厚5-15粒径碎石 C20透水混凝土；面层铺设50mm厚6-8 粒径碎石C20透水混凝土或者透水防腐龙 骨木。为了满足以上设计要求，我们确定 高强度绿色环保透水混凝土应当有合理 的开口贯通孔隙满足透水功能；较高的 强度满足载重消防车辆的通行和停放功 能；同时还要有较好的耐久性。技术指标抗压强度

15、等级C25，能够承栽消防救火 车辆通过的压力；孔隙率为15%25%，保证开口孔隙对 应透水总量大于降水总量；透水系数为2.74.5mm/s，保证透水 速度大于降水速度；抗冻融循环次数50，保证地面的正 常使用寿命。5.2、定量预留贯通开口孔隙设计方法5.2.1、配合比设计的理论依据本设计方法的理论依据为2006年通 过鉴定的多组分混凝土理论，透水混凝 土的强度与水泥强度、胶凝材料用量和 水泥浆体凝胶孔之间满足以下规律：f =（0.23 C0/W-0.27)f-混凝土设计强度值 -水泥理论强度值，由水泥实测强度 求得 =R28/0.19C0-单方混凝土水泥用量W-单方混凝土用水量0.27-水泥浆

16、体凝胶孔孔隙率5.2.2定量预留贯通开口孔隙设计方法在透水混凝土配合比设计中主要确定 粗集料、细集料、胶凝材料、胶粉、拌合 水和外加剂的用量。具体设计过程，先将 优选的单粒级石子用水浸泡，测出吸水率 ，然后用容量筒测出饱和面干单粒级石子 的容重和空隙率。在配制高强度绿色环保透水混凝土时 ，可以认为混凝土体积与粗集料自然堆 积体积相同，石子的堆积密度数据就是 配制1m3透水混凝土所用的粗集料用量。孔隙率试验空隙部分被区分成两部分，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、砂子和其它 组分的体积由石子空隙减去预留贯通开 口孔隙之差求得，科学定量地配合比计 算保证了混凝土透水的通道。体积比例具体计算采用如下公式：VS = VZK- VB- VA-VW-VJ-VYK式中： VS -单方混凝土中细集料的体积 VB -单方混凝土中胶凝材料的体积 VJ -单方混凝土中胶粉的体积VW -单方混凝土中拌合水的体积 VA -单方混凝土中外加剂的体积 VYK-