摘要：可将透水混凝土广泛应用在现代城市轻交通、公园、广场、停车场、体育场、绿化、净化污水、轨道交通和吸声等行业。现在，中国各大城市在发展规划中都十分重视“海绵城市”的建设，“海绵城市”的发展非常重要，而作为 “海绵城市”建设和发展最重要的功能性材料之一，透水混凝土的现实意义十分关键。但中国在研究和应用透水混凝土方面还刚起步，为此，本文主要研究了基于强度与目标孔隙率的透水混凝土配比设计。
关键词：强度；目标孔隙率；透水混凝土；配比设计
作为一种孔隙较大的混凝土，透水混凝土常常被应用在现代城市广场、车库及人行道等的建设中，其生态效应十分显著。透水混凝土可在确保基本强度的前提下，有效降低地表径流，对水循环的重建及城市热岛效应的缓解十分有利。由于透水混凝土是一种生态友好型材料，人们越来越重视对其的研究与开发，其中其配合比设计还有待完善和统一。
1 推导设计透水混凝土配比的公式
1.1 理想化模型
由格里菲斯断裂公式可知，材料被破坏是由于材料中存在很多孔隙、裂纹或缺陷，它们的端部不断集中应力，在超过材料极限强度后，破坏便形成。但由于透水混凝土必须具有一定的透水性，其内部必须大量的孔隙，它们使应力集中成为可能，所以，其强度不高。为了建立其强度和孔隙率的力学模型，则应实施以下理想化处理：①水、胶凝材料和粗骨料是透水混凝土的密实基体，对于目标孔隙率，应忽略不计这种密实基体中的空隙率，同时还忽略薄弱界面。②假设孔隙为封闭空心球状。③假设粗骨料堆积紧密。
1.2 强度和孔隙率之间的关系公式
准脆性材料中的孔隙率一般会明显影响最终材料强度，相关文献显示材料强度和孔隙率之间具有反函数或简单指数关系，但这类模型相对简单，特别在大孔隙率的情况下，这种关系具有较差的拟合偏离。为了进行更加精准的描述，则文中根据材料特性，应用了以下公式（1）对其关系进行模拟：
式中，σ—实际的混凝土强度，σ0—其中的密实基体强度，p—目标孔隙率，bk—公式（2）所得的系数。
式中，μ—材料泊松比，通常通过试验来确定混凝土材料的泊松比，而其值通常在0.15~0.25区间变化。
根据公式（1）和（2），将透水混凝土的配制转化为普通混凝土的配制。
1.3 确定各材料配比的公式
透水混凝土不含有细骨料，故水胶比、石子量及用水量为其配比参数。
上文假设其中的粗骨料堆积紧密，故可用式（3）计算石子用量：
式（3）中，wg（kg/m3）—1m3中的石子用量，ρgd（kg/m3）—混凝土石子紧密堆积密度。
通过配比设计转化，借助保罗米公式，用式（4）可计算水胶比：
式（4）中，A、B—混凝土强度回归系数，若有相关统计资料，则通过灰水比和混凝土强度之间的关系可得出，否则，可采用如下推荐值：碎石和卵石：A=0.46，B=0.07和 A=0.48，B=0.44。fce—实际的胶凝材料强度。W（kg/m3）—单位用水量，b（kg/m3）—胶凝材料用量。
然后根据质量法得到公式（5）：
ρgd—常规混凝土表观密度，通常取2400kg/m3。
根据公式（4）和（5）可推出计算单位用水量的公式：
在以上计算中，没有考虑成型过程中的实际流动性，可结合现场需求，适当调整胶凝材料的用量和掺合料，或加入高效减水剂使工作性要求得以满足。
2 验证配比设计公式
2.1 验证方法
透水混凝土配比一般只考虑目标孔隙率，而文中的配比设计还考虑了其预设强度，在设计配比时，就可预计配比最终强度。文中利用透水混凝土已有的配比数据，再通过试验所测目标与实际强度差值的比较，来对设计的合理性进行验证。其中采用标准方法测试获得实际强度，而通过公式（1）、（2）和（4）反推获取计算目标强度的公式（7）：
式中，bk——公式（2）所确定的系数，文中μ=0.2，算得bk=0.67。
2.2 验证实例
文中利用相关文献中的试验配比实例来验证，这一文献中试验了分别固定水灰比与目标孔隙率的试验配比。仅采用水泥作为胶凝材料，且28天抗压强度取fce=54.3MPa。如表1所示对比了试验强度与由公式（7）算出的目标强度。
表1 比较试验中配比实测强度和目标强度
2.3 验证
由表1可知，实测强度总体上比目标强度低，而实测和目标抗压强度较一致，以上条件下的误差小于37.6%，80%的配比误差小于20%。在水胶比相同时，随着目标孔隙率的不断增大，实测值与目标值逐渐贴近，具有较高的精确度，这可能会由于在水灰比相同时，随着目标孔隙率的不断增大，水泥浆体比例也慢慢减小，降低了孔隙率对浆体的影响，所以，实际与目标孔隙率慢慢靠近，进而通过目标空隙率算出的抗压强度和实际强度会更一致，具有更高的拟合度。但在目标孔隙率相同时，误差走向呈抛物线，在水灰比为0.3时，具有最高的拟合度，误差可达4.2%，在0.3以下，随着水灰比的不断降低，拟合度也慢慢降低，主要是由于在水灰比较低时，透水混凝土具有较差的流动性，搅拌时空气较易被引入，导致实际和目标孔隙率的差异变大，所以，具有较低的拟合度。
导致目标和实测强度存在一定的偏差是由于以下原因：①目标孔隙率已被理想化，只考虑1m3混凝土中没有被填充的空间，但透水混凝土具有特殊性，通常工作性能不好，基体中也存在一些空气，导致目标和实际孔隙率存在偏差，故计算的准确度不高。②是假设孔隙呈规则球形来推导以上强度和孔隙率模型的，但实际上孔隙具有多样化的形态，球形孔隙是一种应力集中最小的状态，如果考虑非球形体实际的应力集中，则实测强度会偏低。如果需要完善这个计算模型，则应大量采集数据，建立目标和实际孔隙率的关系，并引入孔隙形态系数来对强度计算公式进行修正。
3 结语
总之，对于透水混凝土，采用理想化模型，按照强度和目标孔隙率的关系公式，再根据计算普通混凝土配合比的方法，可以在这2个参数的约束下，初步计算透水混凝土的配比。同时，现实配比设计已经验证了计算透水混凝土配比的这一模型，对比现实配比强度与反推目标强度后，发现两者具有较高的拟合度，而产生误差的原因有目标和实际孔隙率存在差异，还有模型中假设的孔隙球形化和实际孔隙的形态多种化存在差别。
参考文献：
[1]朱峰.抗冻透水混凝土研制及其性能研究[D].山东农业大学，2017.
[2]楼俊杰.不同掺和料影响下透水混凝土性能及冻融循环劣化研究[D].山东大学，2016.
[3]李鸽.透水混凝土的试验研究[D].安徽理工大学，2013.
[4]张贤超.高性能透水混凝土配合比设计及其生命周期环境评价体系研究[D].中南大学，2012.
[5]程娟.透水混凝土配合比设计及其性能的实验研究[D].浙江工业大学，2007.
论文作者:陈显秋
论文发表刊物:《基层建设》2018年第30期
论文发表时间:2018/11/15
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