高强透水混凝土的研究与应用

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）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。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5—15MPa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、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1672mm，世界最大的暴雨降水量记录1870mm。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1672mm降水在半小时到一小时内完成，则降水速度为0.46—0.93mm/s；取世界最大的暴雨记录降水量1870mm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，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%1.51.73.13.533%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①抗压强度等级C25，能够承栽消防救火车辆通过的压力；②孔隙率为15%—25%，保证开口孔隙对应透水总量大于降水总量；③透水系数为2.7～4.5mm/s，保证透水速度大于降水速度；④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=σ×（0.23C0/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=R28/0.19C0---单方混凝土水泥用量W---单方混凝土用水量0.27---水泥浆体凝胶孔孔隙率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53520020.46043外加剂胶凝材料石子孔隙胶粉水预留孔隙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-------单方混凝土中预留孔隙的体积VZK-------单方混凝土中石子空隙的总体积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，浆体较稀，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。杯形结构图片无砂大孔透水混凝土配合比设计主要以实验验证为主，在施工的长周期中，由于材料经常发