CN112115409B - 一种基于骨料特性的高强高透水混凝土配合比设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于混凝土的技术领域，公开了一种基于骨料特性的高强高透水混凝土配合比设计方法。方法：1)设定透水混凝土的目标强度等级，根据不同的目前强度登记选择不同压碎指标的碎石骨料，并选定骨料粒径范围；2)设定透水混凝土的目标透水系数，根据透水系数与孔隙率的关系式计算透水混凝土的设计孔隙率；3)确定透水混凝土的单位体积骨料用量，并计算骨料的紧密堆积孔隙率；4)根据透水混凝土目标强度与胶结料浆体的强度关系式，计算胶结料浆体的强度；5)确定透水混凝土的单位体积胶结料浆体用量，并复核浆体对骨料的包裹厚度不超限定值；6)依据透水混凝土的单位体积骨料用量、浆体用量以及胶结料浆体组成，得混凝土配合比。本发明实现了对透水混凝土的强度设计，能高效快速地设计出高强高透水的混凝土配合比，对高强高透水混凝土的生产和应用具有重要的指导意义和实际价值。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料的技术领域，具体涉及一种基于骨料特性的高强高透水混凝土配合比设计方法。
背景技术
透水混凝土内部特许的骨架孔隙结构，使其具有一定强度的同时，还有透水储水的能力，用于路面铺设能实现水循环、吸声降噪等效果，是“海绵城市”建设的重要材料。但由于目前透水混凝土的强度主要在C10～C20之间，强度较低，因此主要用于景观路面、人行道等强度等级要求较低的路面，使用场景受到了极大的限制，不利于海绵城市的建设。
透水混凝土的破坏形式可分为浆体破坏和骨料破坏。浆体破坏为浆体开裂损坏，但骨料形状完整，骨料强度并未得到利用，这种情况下提高浆体强度可增加透水混凝土强度；而骨料破坏为浆体开裂同时骨料发生断裂破坏，骨料强度得到充分的利用。随着超高强度混凝土技术的发展，浆体的配制技术和强度得到了大幅的提升，目前配制透水混凝土所用的胶结料强度往往在80MPa以上，甚至高达100MPa，但所配制的透水混凝土强度往往低于C30，大部分在C10～C20之间，并且在破坏过程中呈现骨料破坏的状态，这主要是目前的配制没有考虑到骨料强度的影响。透水混凝土属于骨架搭接结构，骨料本身的强度，及与浆体强度的匹配程度，是影响透水混凝土整体强度的关键因素。
目前透水混凝土配合比设计普遍采用“绝对体积”法和“比表面积”法。“绝对体积”法是设定目标孔隙率后，依据单位体积透水混凝土中骨料、浆体以及孔隙的体积比例进行计算。“比表面积”法是考虑了骨料的表面积，并采用浆体包裹层厚度从而设计浆体与骨料之间的比例进行计算。但是，这两个方法均是以设计目标孔隙率为前提的，并没有进行目标强度的设计，因此要获得一定强度的透水混凝土，需在实验室进行大量的试配，耗时耗力，不利于实际工程生产指导。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明通过限定挑选骨料、限定浆体强度和用量等条件提供了一种基于骨料特性的高强高透水混凝土的配合比设计方法，较为简便可靠、适合工程技术人员直接使用的。本发明能使透水混凝土同时满足透水路面透水性和强度的指标要求，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。
本发明的目的在于提供一种高强高透水混凝土的配合比设计及其制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种基于骨料特性的高强高透水混凝土配合比设计方法，包括以下步骤：
第一步：设定透水混凝土的目标强度等级Fc，并根据表1选用不同强度的碎石骨料；
表1 不同强度等级透水混凝土的骨料强度压碎指标要求
所述碎石骨料是粒径为2.4～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～13.2mm的单粒径骨料，并且其针片状含量≤10％；
第二步：设定透水混凝土的目标透水系数k，并计算透水混凝土的设计孔隙率P；所述透水系数k与孔隙率P的关系服从：k＝-25.334P2+15.076P-0.9179；
第三步：确定透水混凝土的单位体积骨料用量WG以及骨料的紧密堆积孔隙率vc；所述骨料用量WG＝α·ρ1，所述骨料的紧密堆积孔隙率
式中α为粗骨料用量修正系数，取0.98，ρ1和ρ2分别为骨料的紧密堆积密度和表观密度；
第四步：确定胶结料浆体的强度fc；胶结料浆体的强度fc与透水混凝土目标强度FC之间服从公式Fc＝0.281×fc·λ+φ；所述λ为与设计孔隙率有关的参数，其关系式为λ＝-6.3656P+1.8825；所述φ为与骨料强度有关的常数，当骨料强度压碎指标为≤5％、≤13％、≤19％时，φ取值分别为10.771、4.1563、-0.7424；
第五步：计算透水混凝土中单位体积胶结料浆体用量Wp＝Vp×ρp；所述VP为浆体的体积用量，VP＝1-α·(1-vc)-1·P；所述ρp为浆体的密度；
为保证透水混凝土的透水性能，根据每立方米透水混凝土中胶结料浆体的体积分数VP及所选用的骨料粒径，计算胶结料浆体对骨料的包裹厚度；所述的胶结料浆体对骨料的包裹厚度的计算式为：PCT＝Vp÷S，所述S为骨料表面积；包裹厚度应满足：2.4～4.75mm粒径骨料的包裹厚度≤310μm，4.75～9.5mm粒径骨料的包裹厚度≤600μm，9.5～13.2mm粒径骨料的包裹厚度≤860μm；
第六步：依据透水混凝土单位体积骨料用量、浆体用量以及胶结料浆体组成，即可获得配合比。
本发明以强度和透水性作为目标性能，基于透水混凝土目标强度与骨料强度的关系、混凝土透水系数与孔隙率的关系、混凝土强度等级与浆体强度的关系、浆体对骨料的包裹厚度、配合比参数间的关系，设计透水混凝土配合比。
所述透水混凝土目标强度与骨料强度的关系，通过设计多组(不少于25组)不同强度骨料的透水混凝土配合比，并改变浆体强度和混凝土孔隙率进行试验分析，建立了透水混凝土强度与骨料强度的关系如表1所示。
所述透水混凝土透水系数与孔隙率的关系，通过设计多组(不少于12组)不同孔隙率的透水混凝土配合比，并设计不同骨料粒径和不同混凝土强度进行试验分析，建立透水混凝土透水系数k与孔隙率P的关系式：k＝-25.334P2+15.076P-0.9179；
所述混凝土强度等级与浆体强度的关系，通过设计多组(不少于12组)不同强度等级的混凝土配合比，并改变浆体强度、孔隙率、以及骨料强度进行试验分析，建立透水混凝土强度与浆体强度的关系；
进一步的是，其中包括与设计孔隙率有关的参数λ以及与骨料强度有关的常数φ；所述设计孔隙率有关的参数λ，是根据孔隙率对混凝土强度的影响所得的参数；所述与骨料强度有关的常数φ，是根据不同强度骨料对混凝土强度的影响所得的参数；
进一步的是，所述的浆体为水泥基胶结料浆体，可添加硅灰、粉煤灰、矿渣、胶粘剂、增强剂等进行强度调节，可添加外加剂进行工作性能调节。
所述浆体对骨料包裹厚度的计算式为：PCT＝Vp÷S，其中S为骨料表面积；
进一步的是，所述骨料表面积S的测定方法为：①将单一级配的骨料进行筛分，分为n个粒径区间，测出该粒径骨料中不同粒径区间的骨料含量Vi(其中i＝1，2..n)；②对i区间骨料进行清洗并泡水24h，使其吸水饱和；③往量筒内装入水，记录此时水的体积V1；④随机取100颗骨料，用湿毛巾轻轻擦拭其表面，使其达到饱和面干状态；⑤倾斜量筒，轻轻放入100颗骨料，记录量筒内装入100颗骨料后的水与骨料的体积V2；⑥计算该区间内骨料的平均体积
与平均半径
及该区间单位体积骨料的比表面积Sri(其中
ρ2为骨料的表观密度，i＝1，2..n)；⑦计算该粒径骨料的比表面积
所述配合比参数间的关系包括了单位体积透水混凝土中的骨料用量、浆体用量以及浆体中各组成材料的用量；根据骨料的紧密堆积密度和表观密度，计算出单方透水混凝土骨料的体积用量，继而依据孔隙率获得的浆体体积用量；随后，通过测试浆体的密度，即可获知浆体的质量，根据浆体组成及各组成材料的比例，计算得到浆体各组成材料在单位体积混凝土中的用量，即为混凝土的配合比。
本发明实现了对同时对透水混凝土强度和透水系数的设计需求，无需进行大量的试配，可快速得到高强混凝土的配合比，且所配置的混凝土不会堵塞，透水效率好。
本发明的有益之处在于：
本发明通过限定对透水混凝土性能产生主要影响的因素，包括骨料质量、浆体性能以及骨料表面的浆体包裹厚度，从而使得制备成型的透水混凝土制品具有较高的强度及透水性能。使用本发明配制高强高透水混凝土的方法，不仅制作方法简便，且能充分地利用各材料自身的性能，所制成品相对于目前市面所见的透水混凝土制品，在性能上有大幅度的提升，能高效率快速地配制出强度为C40的透水混凝土，且性能品质稳定。
附图说明
图1透水混凝土透水系数与孔隙率的关系曲线
图2透水混凝土抗压强度与胶结料浆体强度的关系曲线
图3透水混凝土孔隙率的对强度影响的关系曲线
具体实施方式
以下结合具体实施例来对本发明做进一步详细的说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定，任何在本发明的启示下得出的与本发明相同或相近似的方法，均在保护范围之内。
本发明的一种基于骨料特性的高强高透水混凝土配合比设计方法，包括以下步骤：
第一步：设定透水混凝土的目标强度等级Fc，并根据表1选用不同强度的碎石骨料；
表1 不同强度等级透水混凝土的骨料强度压碎指标要求
选择粒径为2.4～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～13.2mm的单粒径碎石骨料，并且其针片状含量≤10％；
第二步：设定透水混凝土的目标透水系数k，并计算透水混凝土的设计孔隙率P；所述透水系数k与孔隙率P的关系服从：k＝-25.334P2+15.076P-0.9179；
第三步：确定透水混凝土的单位体积骨料用量WG以及骨料的紧密堆积孔隙率vc；所述骨料用量WG＝α·ρ1，所述骨料的紧密堆积孔隙率
式中α为粗骨料用量修正系数，取0.98，ρ1和ρ2分别为骨料的紧密堆积密度和表观密度；
骨料紧密堆积密度ρ1和骨料表观密度ρ2为按GB/T 8077-2012《建筑用卵石、碎石》第7点进行测定；
第四步：确定胶结料浆体的强度fc；胶结料浆体的强度fc与透水混凝土目标强度FC之间服从公式Fc＝0.281×fc·λ+φ；所述λ为与设计孔隙率有关的参数，其关系式为λ＝-6.3656P+1.8825；所述φ为与骨料强度有关的常数，当骨料强度压碎指标为≤5％、≤13％、≤19％时，φ取值分别为10.771、4.1563、-0.7424；
实际使用的胶结料浆体强度要大于计算所得的胶结料浆体强度fc；
第五步：计算透水混凝土中单位体积胶结料浆体用量Wp＝Vp×ρp；所述VP为浆体的体积用量，VP＝1-α·(1-vc)-1·P；所述ρp为浆体的密度；
为保证透水混凝土的透水性能，根据每立方米透水混凝土中胶结料浆体的体积分数VP及所选用的骨料粒径，计算胶结料浆体对骨料的包裹厚度：PCT＝Vp÷S，其中S为骨料表面积；骨料表面积S的测定方法为：①将单一级配的骨料进行筛分，分为n个粒径区间，测出该粒径骨料中不同粒径区间的骨料含量Vi(其中i＝1，2..n)；②对i区间骨料进行清洗并泡水24h，使其吸水饱和；③往量筒内装入水，记录此时水的体积V1；④随机取100颗骨料，用湿毛巾轻轻擦拭其表面，使其达到饱和面干状态；⑤倾斜量筒，轻轻放入100颗骨料，记录量筒内装入100颗骨料后的水与骨料的体积V2；⑥计算该区间内骨料的平均体积
与平均半径
及该区间单位体积骨料的比表面积Sri(其中
ρ2为骨料的表观密度，i＝1，2..n)；⑦计算该粒径骨料的比表面积
胶结料浆体对骨料的包裹厚度应满足：2.4～4.75mm粒径骨料的包裹厚度≤310μm，4.75～9.5mm粒径骨料的包裹厚度≤600μm，9.5～13.2mm粒径骨料的包裹厚度≤860μm；
第六步：依据透水混凝土单位体积骨料用量、浆体用量以及胶结料浆体组成，即可获得配合比；根据骨料的紧密堆积密度和表观密度，计算出单方透水混凝土骨料的体积用量，继而依据孔隙率获得的浆体体积用量；随后，通过测试浆体的密度，即可获知浆体的质量，根据浆体组成及各组成材料的比例，计算得到浆体各组成材料在单位体积混凝土中的用量，即为混凝土的配合比。
本发明的方法中透水混凝土透水系数与孔隙率的关系曲线如图1所示；透水混凝土抗压强度与胶结料浆体强度的关系曲线如图2所示；透水混凝土孔隙率的对强度影响的关系曲线如图3所示。
以下具体实施例均根据CJJ/T 135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》要求的透水系数≥0.5mm/s为基准进行设计，所用的碎石和胶结料浆体的组成及性能指标见表2和表3所示。
表2 骨料粒径及性能指标
表3 胶结料浆体组成及性能
实施例1
设计强度等级为C40，透水系数k≥0.5mm/s的透水混凝土。
第一步，根据表1选择压碎指标≤5％的骨料品种，经测定实际选用的骨料压碎指标为3.2％，符合要求，选定粒径范围为2.4～4.75mm的碎石骨料；
第二步，根据公式k＝-25.334P2+15.076P-0.9179计算得到设计孔隙率P＝12％；
第三步，根据WG＝α·ρ1计算确定单位体积骨料用量为1715kg，并计算骨料的紧密堆积孔隙率为41％；
第四步，确定透水混凝土的28d目标抗压强度为Fc＝40MPa，根据Fc＝0.281×fc·λ+φ，其中φ取值为10.771，计算得到胶结料浆体的强度fc＝93MPa，选用J1浆体的强度为112.7MPa大于fc；
第五步，根据公式VP＝1-α·(1-vc)-1·P计算每立方米透水混凝土中胶结料浆体的体积分数为29％；根据公式Wp＝Vp×ρp，计算透水混凝土中单位体积胶结料浆体用量为588.35m3；同时根据PCT＝Vp÷S计算得到包裹厚度为304μm，符合最大包裹厚度限值要求；实施例1的透水混凝土配合比见表4，透水系数、力学性能实验结果见表5。
实施例2
设计强度等级为C40，透水系数k≥0.5mm/s的透水混凝土。
第一步，根据表1选择压碎指标≤5％的骨料品种，经测定实际选用的骨料压碎指标为3.2％，符合要求，选定粒径范围为4.75～9.5mm的碎石骨料；
第二步，根据公式k＝-25.334P2+15.076P-0.9179计算得到设计孔隙率P＝12％；
第三步，根据WG＝α·ρ1计算确定单位体积骨料用量为1764kg，并计算骨料的紧密堆积孔隙率为39％；
第四步，确定透水混凝土的28d目标抗压强度为Fc＝40MPa，根据Fc＝0.281×fc.λ+φ，其中φ取值为10.771，计算得到胶结料浆体的强度fc＝93MPa，选用J1浆体的强度为112.7MPa大于fc；
第五步，根据公式VP＝1-α·(1-vc)-1·P计算每立方米透水混凝土中胶结料浆体的体积分数为27％；根据公式Wp＝Vp×ρp，计算透水混凝土中单位体积胶结料浆体用量为568.08m3；同时根据PCT＝Vp÷S计算得到包裹厚度为549μm，符合最大包裹厚度限值要求；实施例2的透水混凝土配合比见表4，透水系数、力学性能实验结果见表5。
实施例3
设计强度等级为C40，透水系数k≥0.5mm/s的透水混凝土。
第一步，根据表1选择压碎指标≤5％的骨料品种，经测定实际选用的骨料压碎指标为3.2％，符合要求，选定粒径范围为9.5～13.2mm的碎石骨料；
第二步，根据公式k＝-25.334P2+15.076P-0.9179计算得到设计孔隙率P＝12％；
第三步，根据WG＝α·ρ1计算确定单位体积骨料用量为1803.2kg，并计算骨料的紧密堆积孔隙率为38％；
第四步，确定透水混凝土的28d目标抗压强度为Fc＝40MPa，根据Fc＝0.281×fc.λ+φ，其中φ取值为10.771，计算得到胶结料浆体的强度fc＝93MPa，选用J1浆体的强度为112.7MPa大于fc；
第五步，根据公式VP＝1-α·(1-vc)-1·P计算每立方米透水混凝土中胶结料浆体的体积分数为26％；根据公式Wp＝Vp×ρp，计算透水混凝土中单位体积胶结料浆体用量为538.62m3；同时根据PCT＝Vp÷S计算得到包裹厚度为840μm，符合最大包裹厚度限值要求；实施例3的透水混凝土配合比见表4，透水系数、力学性能实验结果见表5。
实施例4
除以下技术特征外，其余技术特征同实施例2；
实际选用大于浆体计算强度fc的J2浆体，浆体实测强度为94.2MPa。
实施例5
设计强度等级为C40，透水系数k≥0.7mm/s的透水混凝土。
第一步，根据表1选择压碎指标≤5％的骨料品种，经测定实际选用的骨料压碎指标为3.2％，符合要求，选定粒径范围为4.75～9.5mm的碎石骨料；
第二步，根据公式k＝-25.334P2+15.076P-0.9179计算得到设计孔隙率P＝14％；
第三步，根据WG＝α·ρ1计算确定单位体积骨料用量为1764kg，并计算骨料的紧密堆积孔隙率为39％；
第四步，确定透水混凝土的28d目标抗压强度为Fc＝40MPa，根据Fc＝0.281×fc·λ+φ，其中φ取值为10.771，计算得到胶结料浆体的强度fc＝105MPa，选用J1浆体的强度为112.7MPa大于fc；
第五步，根据公式VP＝1-α·(1-vc)-1·P计算每立方米透水混凝土中胶结料浆体的体积分数为25％；根据公式Wp＝Vp×ρp，计算透水混凝土中单位体积胶结料浆体用量为526.00m3；同时根据PCT＝Vp÷S计算得到包裹厚度为508μm，符合最大包裹厚度限值要求；实施例5的透水混凝土配合比见表4，透水系数、力学性能实验结果见表5。
实施例6
设计强度等级为C30，透水系数k≥0.5mm/s的透水混凝土。
第一步，根据表1选择压碎指标≤13％的骨料品种，经测定实际选用的骨料压碎指标为13％，符合要求，选定粒径范围为4.75～9.5mm的碎石骨料；
第二步，根据公式k＝-25.334P2+15.076P-0.9179计算得到设计孔隙率P＝12％；
第三步，根据WG＝α·ρ1计算确定单位体积骨料用量为1588kg，并计算骨料的紧密堆积孔隙率为39％；
第四步，确定透水混凝土的28d目标抗压强度为Fc＝30MPa，根据Fc＝0.281×fc·λ+φ，其中φ取值为4.1563，计算得到胶结料浆体的强度fc＝82MPa，选用J2浆体的强度为94.2MPa大于fc；
第五步，根据公式VP＝1-α·(1-vc)-1·P计算每立方米透水混凝土中胶结料浆体的体积分数为27％；根据公式Wp＝Vp×ρp，计算透水混凝土中单位体积胶结料浆体用量为551.45m3；同时根据PCT＝Vp÷S计算得到包裹厚度为571μm，符合最大包裹厚度限值要求；实施例6的透水混凝土配合比见表4，透水系数、力学性能实验结果见表5。
实施例7
除以下技术特征外，其余技术特征同实施例6；
实际选用大于浆体计算强度fc的J3浆体，浆体实测强度为83.4MPa.
实施例8
设计强度等级为C30，透水系数k≥0.7mm/s的透水混凝土。
第一步，根据表1选择压碎指标≤13％的骨料品种，经测定实际选用的骨料压碎指标为13％，符合要求，选定粒径范围为4.75～9.5mm的碎石骨料；
第二步，根据公式k＝-25.334P2+15.076P-0.9179计算得到设计孔隙率P＝15％；
第三步，根据WG＝α·ρ1计算确定单位体积骨料用量为1588kg，并计算骨料的紧密堆积孔隙率为39％；
第四步，确定透水混凝土的28d目标抗压强度为Fc＝30MPa，根据Fc＝0.281×fc·λ+φ，其中φ取值为4.1563，计算得到胶结料浆体的强度fc＝99MPa，选用J1浆体的强度为112.7MPa大于fc；
第五步，根据公式VP＝1-α·(1-vc)-1·P计算每立方米透水混凝土中胶结料浆体的体积分数为24％；根据公式Wp＝Vp×ρp，计算透水混凝土中单位体积胶结料浆体用量为489.95m3；同时根据PCT＝Vp÷S计算得到包裹厚度为508μm，符合最大包裹厚度限值要求；实施例8的透水混凝土配合比见表4，透水系数、力学性能实验结果见表5。
对比例1
设计强度等级为C20，透水系数k≥0.5mm/s的透水混凝土。
第一步，根据表1选择压碎指标≤19％的骨料品种，经测定实际选用的骨料压碎指标为16.7％，符合要求，选定粒径范围为4.75～9.5mm的碎石骨料；
第二步，根据公式k＝-25.334P2+15.076P-0.9179计算得到设计孔隙率P＝12％；
第三步，根据WG＝α·ρ1计算确定单位体积骨料用量为1539kg，并计算骨料的紧密堆积孔隙率为41％；
第四步，确定透水混凝土的28d目标抗压强度为Fc＝20MPa，根据Fc＝0.281×fc·λ+φ，其中φ取值为-0.7424，计算得到胶结料浆体的强度fc＝66MPa，选用J3浆体的强度为83.4MPa大于fc；
第五步，根据公式VP＝1-α·(1-vc)-1·P计算每立方米透水混凝土中胶结料浆体的体积分数为29％；根据公式Wp＝Vp×ρp，计算透水混凝土中单位体积胶结料浆体用量为567.36m3；同时根据PCT＝Vp÷S计算得到包裹厚度为611μm，不符合最大包裹厚度限值要求；对比例1的透水混凝土配合比见表4，透水系数、力学性能实验结果见表5。
实施例9
设计强度等级为C20，透水系数k≥0.6mm/s的透水混凝土。
第一步，根据表1选择压碎指标≤19％的骨料品种，经测定实际选用的骨料压碎指标为16.7％，符合要求，选定粒径范围为4.75～9.5mm的碎石骨料；
第二步，根据公式k＝-25.334P2+15.076P-0.9179计算得到设计孔隙率P＝13％；
第三步，根据WG＝α·ρ1计算确定单位体积骨料用量为1539kg，并计算骨料的紧密堆积孔隙率为41％；
第四步，确定透水混凝土的28d目标抗压强度为Fc＝20MPa，根据Fc＝0.281×fc·λ+φ，其中φ取值为-0.7424，计算得到胶结料浆体的强度fc＝70MPa，选用J3浆体的强度为83.4MPa大于fc；
第五步，根据公式VP＝1-α·(1-vc)-1·P计算每立方米透水混凝土中胶结料浆体的体积分数为28％；根据公式Wp＝Vp×ρp，计算透水混凝土中单位体积胶结料浆体用量为547.66m3同时根据PCT＝Vp÷S计算得到包裹厚度为590μm，符合最大包裹厚度限值要求；实施例9的透水混凝土配合比见表4，透水系数、力学性能实验结果见表5。
实施例10
设计强度等级为C20，透水系数k≥0.7mm/s的透水混凝土。
第一步，根据表1选择压碎指标≤19％的骨料品种，经测定实际选用的骨料压碎指标为16.7％，符合要求，选定粒径范围为4.75～9.5mm的碎石骨料；
第二步，根据公式k＝-25.334P2+15.076P-0.9179计算得到设计孔隙率P＝15％；
第三步，根据WG＝α·ρ1计算确定单位体积骨料用量为1539kg，并计算骨料的紧密堆积孔隙率为41％；
第四步，确定透水混凝土的28d目标抗压强度为Fc＝20MPa，根据Fc＝0.281×fc·λ+φ，其中φ取值为-0.7424，计算得到胶结料浆体的强度fc＝80MPa，选用J3浆体的强度为83.4MPa大于fc；
第五步，根据公式VP＝1-α·(1-vc)-1·P计算每立方米透水混凝土中胶结料浆体的体积分数为26％；根据公式Wp＝Vp×ρp，计算透水混凝土中单位体积胶结料浆体用量为508.26m3；同时根据PCT＝Vp÷S计算得到包裹厚度为547μm，符合最大包裹厚度限值要求；实施例10的透水混凝土配合比见表4，透水系数、力学性能实验结果见表5。
实施例11
设计强度等级为C20，透水系数k≥0.9mm/s的透水混凝土。
第一步，根据表1选择压碎指标≤19％的骨料品种，经测定实际选用的骨料压碎指标为16.7％，符合要求，选定粒径范围为4.75～9.5mm的碎石骨料；
第二步，根据公式k＝-25.334P2+15.076P-0.9179计算得到设计孔隙率P＝17％；
第三步，根据WG＝α·ρ1计算确定单位体积骨料用量为1539kg，并计算骨料的紧密堆积孔隙率为41％；
第四步，确定透水混凝土的28d目标抗压强度为Fc＝20MPa，根据Fc＝0.281×fc·λ+φ，其中φ取值为-0.7424，计算得到胶结料浆体的强度fc＝92MPa，选用J2浆体的强度为94.2MPa大于fc；
第五步，根据公式VP＝1-α·(1-vc)-1·P计算每立方米透水混凝土中胶结料浆体的体积分数为24％；根据公式Wp＝Vp×ρp，计算透水混凝土中单位体积胶结料浆体用量为468.86m3；同时根据PCT＝Vp÷S计算得到包裹厚度为505μm，符合最大包裹厚度限值要求；实施例11的透水混凝土配合比见表4，透水系数、力学性能实验结果见表5。
表4 透水混凝土配合比
表5 透水混凝土性能
实施例1至实施例5设计强度为C40，透水系数≥0.5mm/s的混凝土，根据本发明的技术，选用了压碎指标为3.2％的骨料；其中实施例1、实施例2和实施例3使用的骨料粒径分别为2.4～4.75mm、4.75～9.5mm以及9.5～13.2mm的单粒径骨料，按照本发明的配制方法，使用112.7MP的浆体(浆体计算强度为fc＝92MPa)，所得透水混凝土实测强度均达到C40；实施例4除改用强度为94.2MPa的浆体外，其余技术指标与实施例2一致，所得透水混凝土实测强度达到C40；实施例5的设计透水系数提高至≥0.7mm/s，按照本发明的配制方法，使用浆体强度为112.7MPa的浆体(浆体计算强度为fc＝105MPa)，所得透水混凝土实测强度达到C40；同时，实施例1至实施例5的实测透水系数均达到相应的设计要求，具有良好的透水性能。
实施例6至实施例8设计强度为C30，透水系数≥0.5mm/s的混凝土，根据本发明的技术，选用了压碎指标为13％的骨料；按照本发明的配制方法，实施例6和实施例7分别使用强度为94.2MPa和83.4MPa的浆体进行配制(浆体计算强度为fc＝82MPa)，所得透水混凝土实测强度均达到C30；实施例8的设计透水系数提高至≥0.7mm/s，按照本发明的配制方法，使用浆体强度为112.7MPa的浆体(浆体计算强度为fc＝99MPa)，所得透水混凝土实测强度达到C30；同时，实施例6至实施例8的实测透水系数均达到相应的设计要求，具有良好的透水性能。
对比例1、实施例9至实施例11设计强度为C20，根据本发明的技术，选用了压碎指标为16.7％的骨料；对比例1的设计透水系数为0.5mm/s，计算过程中复核浆体对骨料的包裹厚度为611μm，超出本发明的规定的包裹厚度≤600μm范围，对其性能进行测定后发现，虽然其强度达到C20，但其透水系数仅为0.43mm/s，达不到设计要求。为降低浆体对骨料的包裹厚度，实施例9至实施例11将设计透水系数为定为0.6mm/s、0.7mm/s和0.9mm/s，按本发明的配制方法，实施例9和实施例10使用了强度为83.4MPa的浆体(浆体计算强度分别为fc＝70MPa和fc＝80MPa)，实施例11使用了强度为94.2MPa的浆体进行配制(浆体计算强度为fc＝92MPa)，所得透水混凝土实测强度均达到C20；同时，实施例9至实施例11的实测透水系数均达到相应的设计要求，具有良好的透水性能。
实施例中通过限定对透水混凝土性能产生主要影响的因素，包括骨料质量、浆体性能以及骨料表面的浆体包裹厚度，从而使得制备成型的透水混凝土制品具有较高的强度及透水性能。
可见，采用本发明的设计方法，不仅能对透水混凝土的强度和透水性能同时进行设计，而且计算方法和配制技术高效简单，且能充所得透水混凝土实测强度达到C30；同时，实施例6至实施例8的实测透水系数均达到相应的设计要求，具有良好的透水性能。
分地利用各材料自身的性能，所的成品相对于目前市面所见的透水混凝土制品，在性能上有大幅度的提升，品质稳定。
最后说明的是，以上所述仅为本发明的一个优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书内容所作的等效变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (3)
1.一种基于骨料特性的高强高透水混凝土配合比设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步：设定透水混凝土的目标强度等级FC，并根据表1选用不同强度的碎石骨料；
表1不同强度等级透水混凝土的骨料强度压碎指标要求
第二步：设定透水混凝土的目标透水系数k，并计算透水混凝土的设计孔隙率P；所述透水系数k与孔隙率P的关系服从：k＝-25.334P2+15.076P-0.9179；
第三步：确定透水混凝土的单位体积骨料用量WG以及骨料的紧密堆积孔隙率vc；所述骨料用量WG＝α·ρ1，所述骨料的紧密堆积孔隙率
式中α为粗骨料用量修正系数，取0.98，ρ1和ρ2分别为骨料的紧密堆积密度和表观密度；
第四步：确定胶结料浆体的强度fc；胶结料浆体的强度fc与透水混凝土目标强度FC之间服从公式Fc＝0.281×fc·λ+φ；所述λ为与设计孔隙率有关的参数，其关系式为λ＝-6.3656P+1.8825；所述φ为与骨料强度有关的常数，当骨料压碎指标为≤5％、≤13％、≤19％时，φ取值分别为10.771、4.1563、-0.7424；
第五步：计算透水混凝土中单位体积胶结料浆体用量Wp＝Vp×ρp；所述VP为浆体的体积用量，VP＝1-α·(1-vc)-1·P；所述ρp为浆体的密度；
为保证透水混凝土的透水性能，根据每立方米透水混凝土中胶结料浆体的体积分数VP及所选用的骨料粒径，计算胶结料浆体对骨料的包裹厚度；所述的胶结料浆体对骨料的包裹厚度的计算式为PCT＝Vp÷S，所述S为骨料表面积；包裹厚度应满足：2.4～4.75mm粒径骨料的包裹厚度≤310μm，4.75～9.5mm粒径骨料的包裹厚度≤600μm，9.5～13.2mm粒径骨料的包裹厚度≤860μm；
第六步：依据透水混凝土单位体积的骨料用量、浆体用量以及胶结料浆体组成，可得配合比。
2.根据权利要求1所述的一种基于骨料特性的高强高透水混凝土配合比设计方法，其特征在于：第一步所述碎石骨料是粒径为2.4～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～13.2mm的单粒径骨料，并且其针片状含量≤10％。
3.根据权利要求1所述的一种基于骨料特性的高强高透水混凝土配合比设计方法，其特征在于：第五步中所述的胶结料浆体为水泥基胶结料浆体，可添加硅灰、粉煤灰、矿渣、胶粘剂、增强剂进行强度调节，可添加外加剂进行工作性能调节。
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