CN104018409A - 一种可持续性的混合型透水混凝土铺面结构 - Google Patents

一种可持续性的混合型透水混凝土铺面结构 Download PDF

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本发明涉及一种可持续性的混合型透水混凝土铺面结构,该铺面结构自上而下包括有面层、中间层和底层,面层和中间层由不同透水系数的透水混凝土铺设而成,底层为碎石垫层,且透水系数和孔隙率从面层到底层逐渐增大;面层的透水混凝土的千克/立方组分构成为:水泥300~400,5mm-10mm碎石1400~1600,外加剂2.2~3.25,拌合水85~100,中间层的透水混凝土的千克/立方组分构成为:水泥280~380,10mm-20mm碎石1350~1560,外加剂2.0~3.0,拌合水75~90。本发明是机压式透水混凝土铺面结构,采用金字塔型透水方式,使得透水性能良好,并且透水孔不易被尘土覆盖堵塞,大大地延长了透水混凝土铺面的使用寿命。

Description

一种可持续性的混合型透水混凝土铺面结构
技术领域
    本发明涉及混凝土,特别涉及到一种可持续性的混合型机压式透水混凝土铺面结构。
背景技术
    随着经济的发展和城市化建设的进程,现代城市的地表逐步被钢筋混凝土的房屋建筑和不透水的路面所覆盖。但这些不透水的道路给城市的生态环境带来了许多负面的影响。与自然的土壤相比,混凝土路面缺乏呼吸性、吸收热量和渗透雨水的能力。随之产生一系列环境问题: 能够渗入地表的雨水明显减少,城市的地下水位急剧下降;不透水的路面很难与空气进行热量与湿度的交换,产生“热岛现象”;短时间的集中降雨,大量雨水不能及时渗入地表,容易造成道路被淹没、交通瘫痪等社会问题。
透水性混凝土作为一种新的环保型、生态型的道路材料,对于恢复不断遭受破坏的地球环境是一种创造性的材料,将对人类的可持续发展做出贡献,其作用已日益受到人们的关注。透水混凝土又称多孔混凝土,其是由骨料、水泥和水拌制而成的一种多孔轻质混凝土,它不含细骨料, 由粗骨料表面包覆一薄层水泥浆相互粘结而形成孔穴均匀分布的蜂窝状结构, 故具有透气、标美彩石透水和重量轻的特点,也可称排水混凝土。其由欧美、日本等国家针对原城市道路的路面的缺陷,开发使用的一种道路混凝土,其能让雨水流入地下以有效补充地下水,缓解城市中因地下水位急剧下降带来的城市环境问题,并能有效的消除地面上的油类化合物等对环境污染的危害。同时,作为保护自然、维护生态平衡、能缓解城市热岛效应的优良的铺装材料,透水混凝土有利于人类生存环境的良性发展及城市雨水管理与水污染防治等工作上,具有特殊的重要意义。另外,透水混凝土系统拥有系列色彩配方,配合设计的创意,针对不同环境和个性要求的装饰风格进行铺设施工,这是传统铺装和一般透水砖不能实现的特殊铺装材料。
透水混凝土在美国从上世纪七、八十年代就开始研究和应用,不少国家都在大量推广,如德国预期要在短期内将90%的道路改造成透水混凝土,改变过去破坏城市生态的地面铺设,使透水混凝土路面取决得广泛的社会效益。国内透水混凝土的研究和应用还在起步阶段,虽存在试点应用,但基本上没有被完全拓展开来。由于透水性混凝土抗压强度较低,再加上人们的认识、地基状况、施工方法等原因,采用通常方法制作透水性混凝土,在保证一定透水性情况下其强度通常不超过20 MPa ,这严重影响了透水性混凝土的应用范围。 
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足,提供一种组合型的混凝土铺面结构。本发明的混凝土铺面结构采用组合型的透水混凝土来提高透水混凝土的使用性能,并且延长透水混凝土路面的使用寿命。
为了达到上述发明目的,本发明专利提供的技术方案如下:
一种可持续性的混合型透水混凝土铺面结构,铺面结构铺设于土路基层上,其特征在于,该铺面结构自上而下包括有面层、中间层和底层,所述面层和中间层由不同透水系数的透水混凝土铺设而成,所述的底层为碎石垫层,且透水系数和孔隙率从面层到底层逐渐增大呈现金字塔型透水方式;
所述面层的透水混凝土的组分构成为(kg/m3):水泥300~400,5mm-10mm碎石1400~1600,外加剂2.2~3.25,拌合水85~100;所述面层透水混凝土的厚度为60mm~100mm,面层中碎石的粒径为5mm-10mm,针片状含量不大于2%,含泥量不大于0.2%;
所述中间层的透水混凝土的组分构成为(kg/m3):水泥280~380,10mm-20mm碎石1350~1560,外加剂2.0~3.0,拌合水75~90;所述中间层透水混凝土的厚度为80mm~150mm,中间层中碎石的粒径为10mm-20mm,针片状含量不大于2%,压碎值指标不大于3%,含泥量不大于0.2%
所述底层的厚度为15cm~25cm,其中碎石的粒径为15mm-40mm,由于底层中只有碎石,无其他填充物,使得其孔隙率大大高于中间层的孔隙率,透水系数也远高于中间层和面层,孔隙率超过40%,透水系数不低于8 mm/s;土路基层的碾压密实度>95%。
在本发明可持续性的混合型透水混凝土铺面结构中,所述面层透水混凝土的28d抗压强度为30 MPa ~40MPa,28d抗折强度不小于4.0MPa,孔隙率为14%~19.9%,透水系数为2.0mm/s~2.5mm/s。
    在本发明可持续性的混合型透水混凝土铺面结构中,所述中间层透水混凝土的28d抗压强度为25MPa~35MPa,28d抗折强度不小于4.0MPa,孔隙率为20%~30%,透水系数为2.5mm/s~3.0mm/s;
在本发明可持续性的混合型透水混凝土铺面结构中,所述水泥是强度等级为P.O42.5普通硅酸盐水泥,28d胶砂抗压强度≥48MPa,水泥的比表面积≤380m2/kg。
在本发明可持续性的混合型透水混凝土铺面结构中,所述的外加剂为减水率在20%~25%的高效减水剂。
基于上述技术方案,本发明专利的透水混凝土铺面结构与现有技术相比具有如下技术优点:
1.本发明专利是机压式透水混凝土铺面结构,主要针对的是现浇的透水混凝土,其采用透水系数和透水孔从面部的小孔到底部逐渐增大的金字塔型透水方式,使得透水性能良好,并且透水孔不易被尘土覆盖,大大地延长了透水混凝土铺面的使用寿命。
2.本发明专利经过试验验证,指出用不同粒径分别配制透水混凝土,透水混凝土的坍落度都比较小,也差不多,证明用坍落度来评判透水混凝土的工作性能是不可取的。
附图说明
    图1是本发明可持续性的混合型透水混凝土铺面结构的组成示意图。
具体实施方式
下面我们结合附图和具体的实施例来对本发明专利的透水混凝土铺面结构做进一步的详细阐述,以求更为清楚明了地理解本发明专利的结构组成和性能特征,但不能以此来限制本发明专利的保护范围。
如图1所示,本发明是一种可持续性的混合型透水混凝土路面的铺面结构,铺面结构铺设于土路基层上,该铺面结构自上而下包括有面层、中间层和底层,所述面层和中间层由不同透水系数的透水混凝土铺设而成,所述的底层为碎石垫层,且透水系数和孔隙率从面层到底层逐渐增大呈现金字塔型透水方式。
上述面层的透水混凝土的组分构成为(kg/m3):水泥300~400,5mm-10mm碎石1400~1600,外加剂2.2~3.25,拌合水85~100;面层透水混凝土的厚度为60mm~100mm,面层中碎石的粒径为5mm-10mm,针片状含量不大于2%,含泥量不大于0.2%。所述面层透水混凝土的28d抗压强度为30 MPa ~40MPa,28d抗折强度不小于4.0MPa,孔隙率为14%~19.9%,透水系数为2.0mm/s~2.5mm/s。
上述中间层的透水混凝土的组分构成为(kg/m3):水泥280~380,10mm-20mm碎石1350~1560,外加剂2.0~3.0,拌合水75~90;中间层透水混凝土的厚度为80mm~150mm,中间层中碎石的粒径为10mm-20mm,针片状含量不大于2%,压碎值指标不大于3%,含泥量不大于0.2% ,所述中间层透水混凝土的28d抗压强度为25MPa~35MPa,28d抗折强度不小于4.0MPa,孔隙率为20%~30%,透水系数为2.5mm/s~3.0mm/s。
    上述底层中碎石的粒径为15mm-40mm,由于底层中只有碎石,无其他填充物,使得其孔隙率大大高于中间层的孔隙率,透水系数也远高于中间层和面层,实践中底层的孔隙率超过40%,透水系数不低于8 mm/s。土路基层的碾压密实度>95%。
在本发明可持续性的混合型透水混凝土铺面结构中,所述水泥是强度等级为P.O42.5普通硅酸盐水泥,28d胶砂抗压强度≥48MPa,水泥的比表面积≤380m2/kg。所述的外加剂为减水率在20%~25%的高效减水剂,具体为由上海麦斯特建工高科技建筑化工有限公司生产的聚羧酸系高性能减水剂,型号为RP325。
下面我们通过实验来验证本发明专利可持续性的混合型透水混凝土铺面结构的性能,并通过实验来获取最佳的透水混凝土配比。
一、不同水泥用量对透水混凝土关键性能的影响:
根据碎石的不同粒径5mm-10mm和10mm-20mm,以及水泥的不同用量,确定配合比,配合比见表1,试验结果见表2。所有试块都是经过插捣方式成型,成型后的试块全部标准养护。
表 1 碎石透水混凝土的配合比
表 2 透水混凝土的力学性能和透水性能
二、水泥用量对透水混凝土孔隙率的影响: 
根据表1的透水混凝土配合比和对应表2的孔隙率的试验结果,可得如下的透水混凝土的孔隙率与不同水泥用量、不同碎石粒径的关系,如图2所示,其表示出了不同水泥用量对碎石透水混凝土孔隙率的影响,同一粒径的骨料,随着水泥用量的增加,孔隙率降低,过多的水泥用量,会填充到骨料的间隙。还有,对于不同粒径的骨料,在水泥用量相同时,骨料粒径大如10mm-20mm的透水混凝土孔隙率大,而且对应的孔的尺寸也要比5mm-10mm粒径的碎石透水混凝土要大一些。
透水混凝土的透水性随水泥用量增大而降低,且粒径大的比粒径小的略高。试验结果表明透水混凝土的渗透系数与连通孔隙率有一定的对应关系。
三、水泥用量对透水混凝土透水系数的影响:
根据表1的透水混凝土配合比和对应表2的孔隙率的试验结果,可得如下的透水混凝土的透水系数与不同水泥用量、不同碎石粒径的关系:同一粒径的骨料,随着水泥用量的增加,孔隙率降低,对应的透水系数也逐渐降低,过多的水泥用量,会填充到骨料的间隙,降低了透水混凝土的透水系数。对于不同粒径的骨料,在水泥用量相同且在260 kg/m3~280kg/m3较少时,骨料粒径大如10mm-20mm的透水混凝土透水系数比粒径为5mm-10mm的碎石透水混凝土要大一些,然而,当水泥用量继续增加时,骨料粒径大如10mm-20mm的透水混凝土透水系数比粒径为5mm-10mm的碎石透水混凝土要小一些,而对应的孔隙率是前者小于后者。这可能是由于水泥用量多到一定程度,粒径为10mm-20mm的碎石透水混凝土孔的粒径比5mm-10mm的碎石透水混凝土要大较多,但总的孔的个数则少很多。
四、水泥用量对透水混凝土强度的影响:
根据表1的透水混凝土配合比和对应表2的力学性能的试验结果,可得如下的透水混凝土的力学性能与不同水泥用量、不同碎石粒径的关系:在粒径相同时,透水混凝土的强度随水泥用量的增加而提高,但水泥用量增加到一定程度时,要使水泥浆均匀地包裹所有骨料颗粒,使颗粒有类似金属光泽,用水量必定要增加,这种情况在粒径小的透水混凝土中表现更改突出。小水灰比、多水泥用量,透水混凝土的抗压强度高。水灰比与水泥用量影响骨料颗粒表面水泥浆层的厚度,水灰比和水泥用量不当,会造成骨料颗粒表面水泥浆层稠度和厚度不适合,影响强度、孔隙率和透水性。因此,对同一粒径的骨料拌制透水混凝土,要考虑最佳水泥用量和水灰比。
对于不同粒径的骨料,在水泥用量相同时,并非骨料粒径小的混凝土强度大。小粒径骨料比大粒径骨料有较大的比表面积,在水泥用量小时,包裹骨料颗粒表面水泥浆的厚度较薄;在水泥用量大时,包裹骨料颗粒表面水泥浆的厚度会增加;要使水泥浆均匀地包裹所有骨料颗粒,使颗粒有类似金属光泽,用水量必定要增加,强度会受到影响。 
不同水泥用量对不同粒径的碎石透水混凝土的28d抗折强度的影响,通过28d抗折强度之间的对比可知,透水混凝土的28d抗折强度和孔隙率之间存在较大的相关性。在粒径相同时,透水混凝土的28d抗折强度随水泥用量的增加而提高。当水泥用量增加到一定程度时,要使水泥浆均匀地包裹所有骨料颗粒,这时骨料粒径小的对应的抗折强度要大于粒径为10mm-20mm颗粒的透水混凝土。
对于同一料粒径,随着孔隙率的增大,抗压强度逐渐减小,较大孔隙的存在,减少了透水混凝土承受荷载和抵抗变形的断面面积。所以,与相同水泥用量的普通混凝土的强度相比,透水混凝土的强度要小得多。
五、不同粒径碎石的透水混凝土性能:
通过对5-20mm、10-20mm、5-10mm的不同粒径精品碎石进行透水混凝土的试验,具体的配合比见表3所示。对应拌合物的成型方式采取拍压成型、养护方法采用标准养护。
表3不同粒径透水混凝土的配合比
实验表明:配比1的5-20mm精品石做的试块由于初始成型的不是很好,致使表面和内部总体品质稍差一些。
六、透水混凝土硬化后表现性能:
5-20mm、10-20mm和5-10mm等三种粒径的精品碎石,按透水混凝土的配合比进行拌合、成型、脱模后,其表面和底部情况如下:5-20mm精品成型的立方体试块,由于经过振动台振动15s,底面有较多的浆体;5-20mm精品成型的圆台试块,由于没有进行振动,只是拍压成型,底部的表面情况较好。其他两个配比对应的透水混凝土底部情况都较好。
七、透水混凝土力学性能:
表 4 透水混凝土的工作性和强度
备注:编号为7的试块和其他两个编号不同的人都采用拍压成型方式成型的。
八、透水混凝土密度性能分析:
表5透水混凝土的密度
从上表可知,不同粒径碎石的7d和28d干重密度比较接近,致使后两个配比存在一定的波动,但基本很小,这说明透水混凝土在后期的发展过程中,其密度受龄期基本没有影响。
九、透水混凝土的孔隙率:
根据孔隙率测试方法进行测定不同粒径透水混凝土的孔隙率,以及根据配合比和透水混凝土的干密度进行理论计算透水的混凝土的理论孔隙率,具体见下表所示。
表 6 透水混凝土的孔隙率
从上表可知,不同粒径碎石的实际测算的孔隙率都要小于理论计算的孔隙率,这可能是由于实际测算时透水混凝土本身的不均匀性和测试时内部有一些空隙可能被封闭包裹,致使理论测试比实际的要小。而且,10-20mm和5-10mm粒径的碎石对应的孔隙率比较接近。
经过实验,在本发明专利的铺面结构中可以达到如下结论:(1)用5-25mm,10-20mm,5-10mm分别配制的透水混凝土,透水混凝土的坍落度都较小,也差不多,因此用坍落度来评判透水混凝土的工作性不可取。
(2)透水混凝土的成型方式对整个体系的质量影响极其巨大,这个在石块成型和工程施工等都需要加强这方面的措施。
(5)透水混凝土的强度还是蛮高的,而且在破碎的时候只是部分边角出现碎裂,内部由于自身的咬合还是比较坚实。
(6)上述透水混凝土的密度大约在2050+/-100(kg/m3)左右。
(7)10-20mm碎石透水混凝土的孔隙率和5-10mm的碎石透水混凝土的孔隙率相当,但是前者的透水系数比后的大。这可能是前者对应的内部空隙比较大,更有助于水的流淌。
(8)从石块的表观情况来看,用10-20mm和5-10mm分别成型的试块表面粒径比较均匀,局部颗粒大小基本比较一致;而用5-25mm成型的透水混凝土试块,试块表面局部大小颗粒相差较大。
本发明是机压式透水混凝土铺面结构,针对的是现浇的透水混凝土,其采用金字塔型透水的方式,取得了良好的透水性能,并且透水孔不易被尘土覆盖堵塞,大大地延长了透水混凝土铺面的使用寿命。

Claims (5)

1.一种可持续性的混合型透水混凝土铺面结构,铺面结构铺设于土路基层上,其特征在于,该铺面结构自上而下包括有面层、中间层和底层,所述面层和中间层由不同透水系数的透水混凝土铺设而成,所述的底层为碎石垫层,且透水系数和孔隙率从面层到底层逐渐增大呈现金字塔型透水方式;
所述面层的透水混凝土的组分构成为(kg/m3):水泥300~400,5mm-10mm碎石1400~1600,外加剂2.2~3.25,拌合水85~100;所述面层的透水混凝土厚度为6cm~10cm,面层中碎石的粒径为5mm-10mm,针片状含量不大于2%,含泥量不大于0.2%,所述面层的孔隙率为14%~19.9%,透水系数为2.0mm/s~2.5mm/s;
所述中间层的透水混凝土的组分构成为(kg/m3):水泥280~380,10mm-20mm碎石1350~1560,外加剂2.0~3.0,拌合水75~90;所述中间层的透水混凝土厚度为8cm~15cm,中间层中碎石的粒径为10mm-20mm,针片状含量不大于2%,压碎值指标不大于3%,含泥量不大于0.2%,所述中间层的孔隙率为20%~30%,透水系数为2.5mm/s~3.0mm/s ;
所述底层的厚度为15cm~25cm,其中碎石的粒径为15mm-40mm;
所述土路基层的碾压密实度>95%。
2.根据权利要求1所述的一种可持续性的混合型透水混凝土铺面结构,其特征在于,所述面层透水混凝土的28d抗压强度为30 MPa ~40MPa,28d抗折强度不小于4.0MPa。
3.根据权利要求1所述的一种可持续性的混合型透水混凝土铺面结构,其特征在于,所述中间层透水混凝土的28d抗压强度为25MPa~35MPa,28d抗折强度不小于4.0MPa。
4.根据权利要求1所述的可持续性的混合型透水混凝土铺面结构,其特征在于,所述水泥是强度等级为P.O42.5普通硅酸盐水泥,28d胶砂抗压强度≥48MPa,水泥的比表面积≤380m2/kg。
5.根据权利要求1所述的可持续性的混合型透水混凝土铺面结构,其特征在于,所述的外加剂为减水率在20%~25%的高效减水剂。
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