CN111116136A - 基于最优体积浆骨比的透水混凝土配合比设计方法 - Google Patents

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CN111116136A CN201911392218.5A CN201911392218A CN111116136A CN 111116136 A CN111116136 A CN 111116136A CN 201911392218 A CN201911392218 A CN 201911392218A CN 111116136 A CN111116136 A CN 111116136A
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Abstract

本发明公开的基于最优体积浆骨比的透水混凝土配合比设计方法，主要根据骨料表面的最佳浆体平均包裹层厚度确定水泥浆体与骨料的最佳体积浆骨比VRPA，并根据确定的最佳体积浆骨比VRPA确定透水混凝土配合比。本发明方法可减小设计孔隙率与实际孔隙率的偏差，从而保证透水混凝土具有良好的力学性能和透水性。随着设计孔隙率的增加，本发明方法设计的透水混凝土的抗压强度和抗折强度的降低明显小于传统方法设计的透水混凝土。并且，本发明方法设计的透水混凝土的设计孔隙度与实际孔隙度的最大偏差仅为1.54%，远远小于传统设计方法相应最大偏差8.7%。采用本发明方法设计的透水混凝土的多孔结构分布具有较好的均匀性，进一步显示出较好的功能性。

Description

基于最优体积浆骨比的透水混凝土配合比设计方法
技术领域
本发明涉及混凝土配合比的设计技术领域，具体是一种基于最优体积浆骨比的透水混凝土配合比设计方法。
背景技术
透水混凝土是一种大孔混凝土，其结构特点是采用特定粒径集料作为骨架，胶结材料包裹在骨料表面作为胶结层，形成骨架-孔隙结构的蜂窝状多孔材料。因此具有大量的连通孔隙，孔隙范围在15％-35％之间，而相互连通的孔隙的存在使得水和空气很容易流过，从而导致其更高的透气性和透水性。透水混凝土具有多种环境效益，因此透水混凝土已成为解决日益严峻的城市雨水管理和控制问题的世界性可持续解决方案。透水混凝土结构已成为我国海绵城市建设中不可缺少的结构体系。
透水混凝土的配合比设计方法完全不同于普通混凝土。普通混凝土的配合比设计应尽量提高骨料和水泥浆的密度，而透水混凝土应考虑采用单粒级配骨料，以保证一定的连通孔隙率。以往的很多研究都表明透水混凝土的性能随着水灰比、体积浆骨比(VRPA)、骨料粒径、矿物掺合料等的变化而变化。绝对体积法是由Deo等人提出的，因其设计方便而被广泛应用于透水混凝土配合比设计。
Ahmed Ibrahim et al采用绝对体积法设计透水混凝土，研究了透水混凝土的抗压强度和抗冻融性能，提出了配合比对透水混凝土力学性能的直接影响。Lund M S M采用绝对体积法研究不同矿物含量透水混凝土的抗冻性。Rahmi Karolina et al采用绝对体积法研究不同细骨料含量对透水混凝土力学性能和透水性的影响。徐仁崇采用绝对体积法研究了设计孔隙率、骨料级配与粒径、体积砂率对透水混凝土性能的影响。蒋正武采用绝对体积法研究了若干因素如骨料级配与粒径、浆骨比、水灰比、外加剂及搅拌工艺等对多孔透水混凝土的空隙率、透水系数与抗压强度等性能的影响。然而，基于绝对体积法设计的透水混凝土往往存在着浆体下沉、孔洞堵塞和骨料粘结力不足等问题。并且基于绝对体积法设计的透水混凝土在工作性能和孔隙率方面基本上是经验性的，尤其是它的设计孔隙率与实际孔隙率之间的差距太大。也就是说，为了兼顾透水混凝土的力学性能和透水性能，迫切需要优化基于绝对体积的透水混凝土配合比设计方法。Nguyen et al提出了一种浆体充分包裹骨料的模型，给出了浆体包裹厚度的计算方法。谢晓庚提出了基于骨架结构的透水混凝土配合比设计，认为基体强度、接触点数目、接触点处骨料间的粘接宽度(接触区宽度)、骨料间浆体厚度共同决定了透水混凝土的力学和透水性能，并给出了相应的量化关系。然而，关于透水混凝土配合比设计新方法的研究成果数量仍然非常有限。另外，透水混凝土配合比的精度虽然有了很大的提高，但目前许多新的设计方法比较复杂，其实际应用还不如传统的绝对体积法更便捷。
骨料与硬化的水泥浆体通过相互粘结形成透水混凝土的骨架结构，其余空间形成多孔体系。对于一个特定骨料类别、骨料级配及水泥浆体组分，骨料表面的浆体存在一个最佳平均包裹层厚度。当包裹层厚度小于最佳值时，浆体可以稳定地包裹在骨料表面而不发生滑动或移动，但容易出现凹凸不平甚至骨料裸露等问题，严重其影响力学性能。当浆体厚度大于最佳值时，过量的浆体将填充在骨料之间的孔隙，导致有效孔隙率降低，甚至出现浆体沉降引起的大面积堵孔现象。因此，有必要确定骨料表面包裹浆体的最佳平均厚度，进而得到适宜的VPRA。因此，本发明提出一种基于最优体积浆骨比的透水混凝土配合比设计方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种基于最优体积浆骨比的透水混凝土配合比设计方法，可减小设计孔隙率与实际孔隙率的偏差，从而保证透水混凝土具有良好的力学性能和透水性。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：基于最优体积浆骨比的透水混凝土配合比设计方法，包括如下步骤：
(1)设定水灰比，即水泥浆体中的水与水泥的质量比；根据设定的水灰比拌制水泥浆体，水泥浆体由水、水泥和减水剂拌制而成，其中，水泥为强度等级大于或等于42.5的通用硅酸盐水泥，减水剂为聚羧酸系减水剂；调整减水剂的用量，拌制具有不同流动性的水泥浆体；
(2)根据GB/T 8077-2012，测定不同减水剂含量的水泥浆体的流动性，以流动性300±20mm的水泥浆体为满足透水混凝土浆体流动性要求的最佳水泥浆体，准备适量，备用；
(3)根据骨料表面的最佳浆体平均包裹层厚度确定水泥浆体与骨料的最佳体积浆骨比VRPA，具体确定过程为：
(3-1)在单粒级配骨料中取骨料1kg，使其干燥至饱水面干状态；
(3-2)称取1L步骤(2)中准备的流动性300±20mm的水泥浆体，使其与骨料充分混合，得到混合料，将混合料单层均匀平铺在筛网孔径小于骨料粒径的样品分样筛中间，使骨料不上下堆叠，并将样品分样筛固定在水泥跳桌上；
(3-3)启动水泥跳桌，使水泥跳桌跳动15s，部分水泥浆体落入样品分样筛的筛网底部；
(3-4)用镊子在筛网的顶层快速拣取多粒骨料，称量其质量，记为mA1；随后洗净拣取的骨料表面的水泥浆体，并将其烘至饱水面干状态，作为待测骨料，称量其质量，记为mA2；
(3-5)根据式(1)计算包裹在待测骨料表面的水泥浆体的总体积Vp：
Figure BDA0002345285550000031
根据式(2)计算待测骨料表面的最佳浆体平均包裹层厚度W：
Figure BDA0002345285550000032
式中，Vp的单位为cm3；mA1和mA2的单位分别为g；ρs为水泥浆体密度，单位为g/cm3；S为待测骨料的表面积，单位为cm2；S1为待测骨料的质量比表面积，单位为cm2/g；
(3-6)根据式(3)计算水泥浆体与骨料的最佳体积浆骨比VRPA：
Figure BDA0002345285550000033
式中，Va为待测骨料的体积，单位为cm3；ρa为待测骨料的表观密度，单位为g/cm3；
(4)根据确定的水泥浆体与骨料的最佳体积浆骨比VRPA确定透水混凝土配合比。
作为优选，步骤(3-1)中所取的骨料为单粒级配4.75～9.5mm的骨料，步骤(3-2)中所用样品分样筛的筛网孔径为4.75mm。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明公开的基于最优体积浆骨比的透水混凝土配合比设计方法，主要根据骨料表面的最佳浆体平均包裹层厚度确定水泥浆体与骨料的最佳体积浆骨比VRPA，并根据确定的水泥浆体与骨料的最佳体积浆骨比VRPA确定透水混凝土配合比。本发明设计方法可减小设计孔隙率与实际孔隙率的偏差，从而保证透水混凝土具有良好的力学性能和透水性。通过比较本发明设计方法与传统绝对体积法设计的透水混凝土的综合性能，结果表明，随着设计孔隙率的增加，本发明设计方法设计的透水混凝土的抗压强度和抗折强度的降低明显小于传统绝对体积法设计的透水混凝土。并且，本发明设计方法设计的透水混凝土的设计孔隙度与实际孔隙度的最大偏差仅为1.54％，远远小于传统设计方法相应最大偏差8.7％。而微观结构特性分析表明，采用本发明设计方法设计的透水混凝土的多孔结构分布具有较好的均匀性，进一步显示出较好的功能性。
附图说明
图1为骨料表面水泥浆体包裹层厚度随VRPA的变化趋势；
图2为测定透水混凝土抗折强度的三点弯曲试验图，其中，图2(a)为试验的实际图，图2(b)为试验的示意图；
图3为测定透水混凝土的透水系数的定水头试验的示意图；
图4为油墨印刷法处理的试件表面；
图5为传统绝对体积法和本发明设计方法设计的透水混凝土的抗压强度的比较图，其中，图5(a)对应传统绝对体积法，图5(b)对应本发明设计方法；
图6为传统绝对体积法和本发明设计方法设计的透水混凝土的抗折强度的比较图，其中，图6(a)对应传统绝对体积法，图6(b)对应本发明设计方法；
图7为实施例1及对比例1～对比例4的透水混凝土试件的压力-变形曲线；
图8为实施例1及对比例1～对比例4的透水混凝土试件的弯曲力-变形曲线；
图9为本发明设计方法设计的不同VRPA透水混凝土的弯曲韧性指标；
图10为传统绝对体积法和本发明设计方法设计的透水混凝土的透水性能的比较图，其中，图10(a)对应传统绝对体积法，图10(b)对应本发明设计方法；
图11为传统绝对体积法和本发明设计方法设计的透水混凝土的强度与透水性能的关系图；
图12为传统绝对体积法和本发明设计方法设计的透水混凝土的有效空隙率的比较图，其中，图12(a)对应传统绝对体积法，图12(b)对应本发明设计方法；
图13为传统绝对体积法和本发明设计方法设计的VRPA为0.39时透水混凝土试样的底面孔隙结构图，其中，图13(a)对应对比例6，图13(b)对应实施例1；
图14为用本发明方法设计的不同VRPA试件的底面-顶面孔隙结构图，图14(a)、图14(b)、图14(c)、图14(d)、图14(e)分别对应对比例4、对比例3、实施例1、对比例2和对比例1；
图15为传统绝对体积法和本发明设计方法设计的透水混凝土的细观表面孔隙率结果；
图16为养护28天的实施例1的透水混凝土的扫描电镜结果，其中，图16(a)为扫描电镜照片，图16(b)为能谱分析结果；
图17为实施例1及对比例1～对比例4的透水混凝土试件的物相组成；
图18为实施例1及对比例1～对比例4的透水混凝土试件中水泥浆体试样的傅立叶变换红外线光谱分析结果。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：基于最优体积浆骨比的透水混凝土配合比设计方法，包括如下步骤：
(1)设定水灰比为0.2，即水泥浆体中的水与水泥的质量比为0.2；根据设定的水灰比拌制水泥浆体，水泥浆体由水、水泥和减水剂拌制而成，其中，水泥为市售普通硅酸盐水泥P.O42.5，其化学组成和性能指标见表1和表2，符合中国硅酸盐水泥标准(GB/175)的规定；减水剂为减水率25％的聚羧酸系减水剂；调整减水剂的用量，拌制具有不同流动性的水泥浆体；
表1硅酸盐水泥的化学组成(wt％)
Figure BDA0002345285550000051
表2硅酸盐水泥的性能指标
Figure BDA0002345285550000052
(2)根据GB/T 8077-2012，测定不同减水剂含量的水泥浆体的流动性，如表3所示，当减水剂用量为2wt％时，水泥浆体的流动性为300mm，以该流动性300mm的水泥浆体为满足透水混凝土浆体流动性要求的最佳水泥浆体，准备适量，备用；
表3不同减水剂含量的水泥浆体的流动性
Figure BDA0002345285550000053
(3)根据骨料表面的最佳浆体平均包裹层厚度确定水泥浆体与骨料的最佳体积浆骨比VRPA，具体确定过程为：
(3-1)在单粒级配骨料中取粒径4.75～9.5mm的骨料1kg，该骨料采用单粒径碎石，使其干燥至饱水面干状态；假定该单粒径碎石骨料为均匀球体，该单粒径碎石骨料的物理指标见表4，其中，骨料的体积采用静水天平法测定，骨料其他各项指标均符合《透水水泥混凝土路面技术规程》中的相关要求；
表4骨料的物理指标
Figure BDA0002345285550000061
(3-2)称取1L步骤(2)中准备的流动性300mm的水泥浆体，使其与骨料充分混合，得到混合料，将混合料单层均匀平铺在筛网孔径4.75mm的样品分样筛中间，使骨料不上下堆叠，并将样品分样筛固定在水泥跳桌上；
(3-3)启动水泥跳桌，使水泥跳桌跳动15s，部分水泥浆体落入样品分样筛的筛网底部；
(3-4)用镊子在筛网的顶层快速拣取200粒骨料，称量其质量，记为mA1；随后洗净拣取的骨料表面的水泥浆体，并将其烘至饱水面干状态，作为待测骨料，称量其质量，记为mA2；
(3-5)根据式(1)计算包裹在待测骨料表面的水泥浆体的总体积Vp：
Figure BDA0002345285550000062
根据式(2)计算待测骨料表面的最佳浆体平均包裹层厚度W：
Figure BDA0002345285550000063
式中，Vp的单位为cm3；mA1和mA2的单位分别为g；ρs为水泥浆体密度，单位为g/cm3；S为待测骨料的表面积，单位为cm2；S1为待测骨料的质量比表面积，单位为cm2/g；
(3-6)根据式(3)计算水泥浆体与骨料的最佳体积浆骨比VRPA为0.39：
Figure BDA0002345285550000064
式中，Va为待测骨料的体积，单位为cm3；ρa为待测骨料的表观密度；
(4)根据确定的水泥浆体与骨料的最佳体积浆骨比VRPA确定透水混凝土配合比。
为验证实施例1确定的最佳体积浆骨比VRPA 0.39的准确性，基于该最佳VRPA，测量了不同VRPA对应的骨料表面水泥浆体平均包裹层厚度，结果如图1所示。从图1可以看出，随着VRPA的增大，骨料表面水泥浆体平均包裹层厚度呈增大趋势。但当VRPA大于0.39时，相应的水泥浆体平均包裹层厚度基本不变。因此，证明实施例确定的最佳VRPA 0.39是准确的。
从实施例1可见，当水灰比为0.2时，透水混凝土中水泥浆体与骨料的最佳体积浆骨比VRPA为0.39，根据该最佳体积浆骨比VRPA确定的透水混凝土配合比见表5。
以实施例1确定的最佳体积浆骨比VRPA 0.39为设计中心，设计了水灰比0.2的不同VRPA的四组透水混凝土配合比作为对比例1～对比例4。对比例1～对比例4的透水混凝土配合比见表5。
表5实施例1及对比例1～对比例4的透水混凝土配合比/kg/m3
Figure BDA0002345285550000071
传统绝对体积法主要包括三个步骤：首先，将粗骨料的紧密堆积密度乘以折减系数(根据骨料的物理性质通常为0.97～0.99)，计算出原混凝土中粗骨料的质量；其次，通过设置设计孔隙率，根据粗骨料的体积，得到原混凝土中水泥浆体的体积，并通过测量其相应的密度来确定水泥浆体的质量；最后，根据预先设定的水灰比计算出胶凝材料和水的质量。以0.2为水灰比，保持目标孔隙率不变，采用上述传统绝对体积法设计了四组透水混凝土作为对比例5～对比例8，其体积浆骨比分别为0.35、0.39、0.43和0.45。对比例5～对比例8中，聚羧酸系减水剂用量为硅酸盐水泥P.O42.5用量的2.5wt％。对比例5～对比例8的透水混凝土配合比见表6。
表6对比例5～对比例8的透水混凝土配合比/kg/m3
Figure BDA0002345285550000072
以下对上述实施例1及对比例1～对比例8的透水混凝土，进行各项性能进行比较：
1、试验方案
1.1、按照表5和表6中的配合比分别进行透水混凝土的充分搅拌并分别制备成型尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体抗压试件12组、尺寸为100mm×100mm×400mm的抗折强度试件12组及尺寸为Φ100mm×50mm的圆柱形试件24组，用于测试其透水系数。试件成型后用塑料薄膜覆盖成型面，并放置在温度为(20±3)℃、相对湿度为(70±5)％的室内养护24h后拆模，拆模后用放入标准养护室养护至7天和28天龄期。
1.2、试件养护至相应龄期后取出，按照普通混凝土抗压强度测试方法GB/T50081-2002测定其抗压强度。抗折强度试验采用三点加载，支座间距为1/3试件长度，加载方式采用位移控制，控制最大位移为10mm，三点弯曲试验图具体如图2所示，图2(b)中，1为试件，2为支座，3为加载头。透水系数是透水性能的重要指标，本试验采用定水头法测透水系数，参照标准JC/T 945-2005，如图3所示，图3中，4为试件，5为有机玻璃管，6为出水口，7为水槽，8为垫块，9为密封胶。
1.3、为了评价水泥浆体沉降和堵孔问题，采用油墨印刷法，利用图像处理软件image pro-plus对试件表面的细观多孔特性进行测量，如图4所示。众所周知，透水混凝土的有效孔隙率与渗透性密切相关，本文参照文献C.Chen,Y.H.Wang,Q.Chen.Mix designand test.Methods of Pervious Concrete.39(02)(2018)18-22.提出的悬浮法用于确定透水混凝土的有效孔隙率。
1.4、将养护至28天龄期的透水混凝土试件，用刀片将骨料表面的水泥浆体刮下进行研磨，按照微观试件样品制备方法制备样品。然后分别进行SEM、X-ray衍射(XRD)、傅立叶变换红外线光谱分析仪(FIRT)测定和分析。
2、试验结果与分析
2.1、传统绝对体积法和本发明设计方法设计的透水混凝土的力学性能
2.1.1、抗压强度和抗折强度的变化规律分析
传统绝对体积法和本发明设计方法设计的透水混凝土的抗压强度如图5所示。从图5可以看出，两种方法设计的透水混凝土抗压强度均随着VRPA的增大和龄期的延长而明显增大。还可以看出水灰比为0.20的透水混凝土VRPA在0.39之前，采用两种方法设计的透水混凝土抗压强度相差不大，且随着VRPA的增大，抗压强度提升幅度基本相同。当VRPA比超过最佳值时，随着VRPA的增大，绝对体积法设计的透水混凝土抗压强度明显高于本发明设计方法设计的试件抗压强度。这进一步说明，当VRPA超过最优值时，透水混凝土中存在多余的水泥浆体沉降堵塞孔隙。也就是说，当VRPA超过最优值时，透水混凝土的抗压强度与透水性能之间的矛盾开始加剧。
采用两种方法所制备的透水混凝土试件的抗折强度见图6所示，由图6可以看出，与抗压强度变化规律一样，采用两种方法设计的相同VRPA透水混凝土在达到最佳VRPA之前的抗折强度几乎相同。但当VRPA超过最佳值后，用改进设计方法设计的透水混凝土的抗折强度明显低于用传统方法设计的透水混凝土。这进一步说明，具有最佳VRPA的透水混凝土可以更好地考虑混凝土的力学性能和透水性。
2.1.2、变形特性及弯曲韧性
实施例1及对比例1～对比例4的透水混凝土试件的压力-变形曲线如图7所示，实施例1及对比例1～对比例4的透水混凝土试件的弯曲力-变形曲线如图8所示。
从图7可以看出，随着VRPA增大，极限压弯荷载作用下的变形减小。当VRPA为0.45时，压缩变形和弯曲位移分别达到最小值2.10mm和1.60mm。这是由于在荷载作用下，随着VRPA增大，透水混凝土孔隙率降低，缓冲空间减小，导致脆性增大，延性降低所致。
从图8可以看出，随着VRPA增大，弯曲位移从2.48mm减小到1.32mm，相应的脆性急剧增加。
本文采用能量比法对本发明设计方法设计的透水混凝土的弯曲韧性进行了评价。如图8中所示，以O-G45一组为例，第一个变形峰值A对应于初始裂纹挠度B，初裂点B对应的挠度为δ，OAB所围成的面积为T1；D点对应横坐标为3δ，OACD所围成的面积为T3。则将荷载-位移曲线下的面积T3与初裂点所对应的荷载挠度曲线下的面积T1的比值定义为韧性指数I3，衡量透水混凝土的韧性如式(4)所示。
Figure BDA0002345285550000091
其中，T1、T3分别为图8中区域OAB、OACD的面积(N·mm)。
根据公式(4)，计算了本发明设计方法设计的不同VRPA透水混凝土的弯曲韧性指标，如图9所示。由图9可以看出，本发明方法设计的透水混凝土的弯曲韧性指标随VRPA的增大先增大后减小。当VRPA为0.39时，最大弯曲韧性指数为2.28。这是因为当VRPA较小时，水泥浆体对骨料的包覆不均匀，容易引起集料暴露问题，导致水泥浆体在弯曲荷载作用下吸收的能量很小。然而，当VRPA超过最佳值时，试件的内部孔隙率变小，容易导致在弯曲力作用下弯曲韧性指数降低。
2.2、传统绝对体积法和本发明设计方法设计的透水混凝土的透水性能
传统绝对体积法和本发明设计方法设计的透水混凝土的透水性能如图10所示。由图10可以看出，用本发明设计方法设计的透水混凝土的透水系数是传统绝对体积法设计的透水混凝土的透水系数的近5倍。这近一步说明，与传统绝对体积法设计的透水混凝土相比，本发明设计方法设计的透水混凝土具有更好的透水性。由图10还可以看出，两种方法设计的透水混凝土的透水系数均随VRPA的增加而显著降低，这是由于VRPA的增加导致多余浆体沉降堵塞连通孔隙所致。
两种方法设计的透水混凝土的强度与透水性能的关系图如图11所示。由图11可以看出，随着透水系数的增大，用绝对体积法设计的透水混凝土的抗压强度和抗折强度与用本发明设计方法设计的透水混凝土相比，变化趋势明显。这主要是由于采用本发明方法设计的透水混凝土，在考虑最佳VRPA的情况下，能更好地兼顾透水混凝土的力学性能和透水性能。
2.3、传统绝对体积法和本发明设计方法设计的透水混凝土的孔隙结构特征
2.3.1、有效孔隙率特征
两种方法设计的透水混凝土试样的有效孔隙率如图12所示。由图12可以看出，本发明设计方法设计的试件有效孔隙率的变化趋势随着VRPA的增大而明显减小。而绝对体积法设计的透水混凝土的有效孔隙率随VRPA的变化趋势不明显。由图12也可以看出，用本发明设计方法设计的透水混凝土试件的有效孔隙率与实测有效孔隙率之差远小于用绝对体积法设计的试件。具体而言，本发明设计方法设计的透水混凝土试件的有效孔隙与实测有效孔隙的最大差值仅为1.54％，而绝对体积法对应的最大差值为8.7％。因此，进一步证明了本发明设计方法对于实现透水混凝土的设计目标是非常适用的。
2.3.2、细观表面孔隙率特征
图13是两种方法设计的VRPA为0.39时透水混凝土试样的底面孔隙结构图。从图13中可以看出，采用绝对体积法设计的试件底面存在明显的浆体沉降和孔塞现象，而采用本发明设计方法设计的试件底面孔分布均匀。因此，进一步证明了本发明设计方法设计的透水混凝土具有较好的透水性能。
用本发明方法设计的不同VRPA试件的底面-顶面孔隙结构图如图14所示。由图14可见，随着VRPA的增大，透水混凝土的连通孔隙率呈现明显的减小趋势。如图14(d)、(e)所示，当VRPA超过0.39时，多余的水泥浆体开始出现，甚至流到底面，最终导致浆体沉降。
两种方法设计的透水混凝土试样的细观表面孔隙率结果如图15所示。图15中，O-顶面和O-底面分别对应实施例1及对比例1～对比例3的试样的顶面和底面，T-顶面和T-底面分别对应对比例5～对比例8的试样的顶面和底面。从图15可以看出，用本发明方法设计的试件的上下表面的细观孔隙率比用传统方法设计的相同VRPA的透水混凝土试件大，但随VRPA的增加变化趋势相同。同时也可以看出，下表面孔隙率的变化趋势比上表面孔隙率的变化趋势要明显得多。这是因为随着VRPA的增加，集料间的水泥浆增加，多余的浆体也会部分沉降，导致底面孔隙率降低。这在一定程度上有助于解释为什么用本发明设计方法设计的透水混凝土能更好地兼顾力学性能和透水性能。
2.4、本发明设计方法设计的透水混凝土中骨料表面水泥浆体的微观特性
2.4.1扫描电镜与能谱分析
以VRPA为0.39的透水混凝土(即实施例1)为例，在养护28天时取出试样，扫描电镜结果如图16所示。从图16可以看出，氢氧化钙晶体(Ca(OH)2)排列紧密，在系统中分布少量碳酸钙(CaCO3)。这主要是室内养护过程中浆体少量碳化所致。根据能谱分析，水泥石中含有一定量的硅酸钙组分，使水泥石结构更加致密。
2.4.2物相组成分析
实施例1及对比例1～对比例4的透水混凝土试件的物相组成如图17所示。由图17可见，VRPA越大的试样，水化产物相C-S-H峰值越大，容易导致水泥浆体的粘结性越强。然而，从图17中还可以看出，由于水泥浆中二氧化碳的快速扩散，低VRPA的试样具有较高的CaCO3峰，因为透水混凝土容易在空气中碳化。
实施例1及对比例1～对比例4的透水混凝土试件中水泥浆体试样的傅立叶变换红外线光谱分析结果如18所示。图18的结果表明，Ca(OH)2在3630cm-1处的O-H拉伸振动吸收峰随VRPA的增大而增大，说明样品中Ca(OH)2含量增加。在1490cm-1和1295cm-1附近的吸收峰分别为方解石中CO3 2-的反对称拉伸振动和平面弯曲振动，表明方解石是在水泥浆体中形成的。
3、结论
(1)本发明设计方法主要基于实测的最佳VRPA，确定透水混凝土的配合比。通过比较本发明设计方法与传统绝对体积法设计的透水混凝土的综合性能，结果表明，随着设计孔隙率的增加，本发明设计方法设计的透水混凝土的抗压强度和抗折强度的降低明显小于传统绝对体积法设计的透水混凝土。此外，本发明设计方法设计的透水混凝土的设计孔隙度与实际孔隙度的最大偏差仅为1.54％，远远小于传统设计方法相应最大偏差8.7％。
(2)有效孔隙和表面孔隙的特性表明，绝对体积法设计的透水混凝土底面具有明显的浆体沉降和孔塞现象，而本发明设计方法设计的透水混凝土底面分布均匀。进一步证明了本发明设计方法能更好地考虑材料的力学性能和透水性能。
(3)本发明设计方法设计的透水混凝土试件，VRPA越大的水泥浆体，其水化产物相C-S-H峰值越大，导致水泥浆体的粘结性越强。然而，VRPA较低的样品具有较高的相CaCO3峰，这表明透水混凝土由于二氧化碳在水泥浆体中的快速扩散而容易在空气中碳化。

Claims (2)

1.基于最优体积浆骨比的透水混凝土配合比设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)设定水灰比，即水泥浆体中的水与水泥的质量比；根据设定的水灰比拌制水泥浆体，水泥浆体由水、水泥和减水剂拌制而成，其中，水泥为强度等级大于或等于42.5的通用硅酸盐水泥，减水剂为聚羧酸系减水剂；调整减水剂的用量，拌制具有不同流动性的水泥浆体；
(2)根据GB/T 8077-2012，测定不同减水剂含量的水泥浆体的流动性，以流动性300±20mm的水泥浆体为满足透水混凝土浆体流动性要求的最佳水泥浆体，准备适量，备用；
(3)根据骨料表面的最佳浆体平均包裹层厚度确定水泥浆体与骨料的最佳体积浆骨比VRPA，具体确定过程为：
(3-1)在单粒级配骨料中取骨料1kg，使其干燥至饱水面干状态；
(3-2)称取1L步骤(2)中准备的流动性300±20mm的水泥浆体，使其与骨料充分混合，得到混合料，将混合料单层均匀平铺在筛网孔径小于骨料粒径的样品分样筛中间，使骨料不上下堆叠，并将样品分样筛固定在水泥跳桌上；
(3-3)启动水泥跳桌，使水泥跳桌跳动15s，部分水泥浆体落入样品分样筛的筛网底部；
(3-4)用镊子在筛网的顶层快速拣取多粒骨料，称量其质量，记为mA1；随后洗净拣取的骨料表面的水泥浆体，并将其烘至饱水面干状态，作为待测骨料，称量其质量，记为mA2；
(3-5)根据式(1)计算包裹在待测骨料表面的水泥浆体的总体积Vp：
Figure FDA0002345285540000011
根据式(2)计算待测骨料表面的最佳浆体平均包裹层厚度W：
Figure FDA0002345285540000012
式中，Vp的单位为cm3；mA1和mA2的单位分别为g；ρs为水泥浆体密度，单位为g/cm3；S为待测骨料的表面积，单位为cm2；S1为待测骨料的质量比表面积，单位为cm2/g；
(3-6)根据式(3)计算水泥浆体与骨料的最佳体积浆骨比VRPA：
Figure FDA0002345285540000013
式中，Va为待测骨料的体积，单位为cm3；ρa为待测骨料的表观密度，单位为g/cm3；
(4)根据确定的水泥浆体与骨料的最佳体积浆骨比VRPA确定透水混凝土配合比。
2.根据权利要求1所述的基于最优体积浆骨比的透水混凝土配合比设计方法，其特征在于，步骤(3-1)中所取的骨料为单粒级配4.75～9.5mm的骨料，步骤(3-2)中所用样品分样筛的筛网孔径为4.75mm。
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