研究探索：球模型包裹法设计含砂透水混凝土及其性能的研究
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本文选自《商品混凝土》杂志2024年第2期
球模型包裹法设计含砂透水混凝土及其性能的研究
黄英姿，孔洲斌，夏志伟，王晨程，王华丽
［摘 要］针对球模型包裹法设计透水混凝土，明确了含砂透水混凝土的设计步骤，并提出利用骨料总表面积、浆体密度、质量之间关系测量骨料裹浆厚度的方法，开展了净浆流动度、砂浆流动度、加砂量对骨料裹浆厚度和混凝土抗压强度、透水系数的影响研究。结果表明，提出的裹浆厚度测试方法准确度较高，可用于指导球模型包裹法进行透水混凝土设计；净浆和砂浆流动度越大，骨料包裹厚度越小；混凝土抗压强度随着骨料裹浆厚度的增加而增加，透水系数随着裹浆厚度的增加而减小。掺入单级配石英砂后对混凝土有增强效果但对透水性能有影响，所用石英砂掺量宜控制在 6% 以内。研究成果实现工程应用，效果良好。
［关键词］透水混凝土；裹浆厚度；透水系数
0 引言
伴随我国城市化进程的进一步推进，人们对生态化、宜居化城市居住体验的要求提升，配套建设的公园道路、广场、小区路面、停车场等场所多将海绵城市的理念融入其中，充分发挥城市绿地、道路、水系统等对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用，有效缓解了城市内涝，削弱城市径流污染负荷，节约水资源，保护和改善城市生态环境。
透水混凝土是建设海绵城市的一种重要建筑材料。随着这种材料应用量的增长，其研究热度持续不减。作为制备透水混凝土的基础，其配合比设计的研究也受到关注。行业出台了标准CJJT 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》，基于体积法引入设计孔隙率目标，选择合适的水胶比，根据各种材料的密度计算其用量，计算过程简单直观，但实测空隙率往往与目标值有较大差距，容易淌浆封底。比表面积法是基于球模型包裹的概念而提出，通过计算粗骨料的总表面积，根据空隙率和强度的要求选择合适的裹浆厚度，进而计算出胶凝材料和骨料的用量。以往的研究中，往往直接给出裹浆厚度等参数的参考范围。李彦坤等[1]给出了不同级配骨料单位体积骨料颗粒数和总表面积计算数据，裹浆厚度根据经验值选取0.5～2mm，水胶比选取0.25～0.4；钟远伟[2]给出了2.36～4.75mm、4.75～10mm、10～ 20mm和20mm以上五种不同粒径集料的比表面积因子。这些研究数据都是基于试验用材料给出，对于裹浆厚度这一重要参数的具体测量方法没有作出说明，试验再现性不佳；裹浆厚度经验值往往基于净浆给出，对于含砂裹浆料并未开展研究。
本文以球模型包裹理论为基础设计含砂透水混凝土，提出裹浆厚度的便捷测量方法，研究净浆、砂浆流动度等因素对骨料实际裹浆厚度的影响，并测试了透水混凝土的透水性能和力学性能变化规律，为含砂透水混凝土的设计提供研究参考。
1 透水混凝土配合比设计
1.1 球模型包裹法设计原理
透水混凝土与普通混凝土的设计不同，它是以粗骨料为骨架，不添加或只添加少量细骨料，加入适量胶凝材料作粘结剂，使成型后的混凝土有相当数量的空隙相互连通，从而具有透水功能。混凝土粗骨料从形态学上讲，虽然有一定的边角差异，但在试件空间的任意方向上是随机均匀的。据此，球模型包裹法将骨料化为以骨料粒径为直径的球体模型（图1），这些球体将填充整个混凝土试件空间形成骨架结构，胶凝材料以一定厚度包裹在骨料表面提供黏结力，并决定混凝土空隙率的大小。
1.2 主要参数的确定
1.2.1 确定粗骨料空隙率 P
根据规范JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》，测量骨料表观密度和紧密堆积密度，计算出骨料空隙率P：
式中：P ——骨料空隙率，%；
——骨料表观密度，kg/m
ρ’——骨料紧密堆积密度，kg/m
1.2.2 确定骨料总表面积
单位体积内骨料颗粒数为n，则单位体积骨料总表面积：
式中：D ——骨料直径，m；
——单位体积骨料总表面积，m
——单位体积骨料总表面积系数。
根据文献研究，单位体积骨料总表面积系数与骨料数目、骨料粒径有关。经计算不同粒径骨料系数可按表1选取。对于连续级配的骨料，可以取多个级配区间骨料系数的平均值。
1.2.3 确定骨料包裹厚度
水泥浆同裹浆厚度决定透水混凝土具有不同强度等级。水泥浆包裹骨料过薄，骨料间黏结力不足，不利于结构强度；而包裹过厚，富余的浆体会沉淀到试块底部，影响透水功能。根据骨料总表面积和裹浆厚度可计算得到总的浆体体积：
V = S×h (3)
式中：V ——水泥浆总体积，m
h ——裹浆厚度，m。
1.2.4 确定净浆水胶比
根据文献研究，透水混凝土要保证合适的施工性能和力学强度，浆体的流动度不宜低于80mm。因此，固定胶凝材料配比为94%水泥＋3%矿粉＋3%硅灰，按试验设计水胶比RW/C配制净浆胶凝材料，通过调整外加剂掺量使流动度在80～220mm之间。
1.2.5 确定砂用量
提高砂率可改善透水混凝土强度，但砂率过高会堵塞孔隙严重影响透水性能，因此配制砂浆胶凝材料的砂用量不宜过高，控制在10%以内。砂添加量按占骨料质量的百分比计。砂子选用单级配以降低对透水性能的影响。
1.2.6 确定骨料用量
粗骨料通过紧密堆积形成透水混凝土的骨架结构，考虑到包裹浆体会对骨料体积有一定影响，根据CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》规定，骨料用量修正系数取值为0.98。
ρ’ (4)
式中：m——骨料用量，kg；
——骨料用量修正系数。
2 试验材料与方法
2.1 原材料
水泥：葛洲坝松滋水泥有限公司生产三峡牌P·O42.5水泥。物理性能见表2。
矿粉：S95级，表观密度2810kg/m，28d活性指数99%。
硅灰：表观密度2140kg/m，水量比114%，7d活性指数108%。
砂：2.36～4.75mmm单级配石英砂。
石：颗粒粒径5～10mm，表观密度2730kg/m，紧密堆积密度1580kg/m
外加剂：苏博特高性能减水剂，固含量10.22%。
2.2 试验方法
（1）搅拌工艺：将50%水和全部骨料投入搅拌锅中搅拌，再投入水泥搅拌使骨料表面裹上水泥粉料，最后加入外加剂和剩余水搅拌。
（2）成型与养护：将混凝土分两层装入边长100mm的正方体试模中，每层用捣棒插捣20次后使用平板振动器压振动15s，24h后脱模放入标准养护室内养护。
（3）力学强度：按GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》规定的方法测试抗压强度，试块尺寸100mm×100mm×100mm。
（4）透水系数：按JC/T 2558—2020 《透水混凝土》中附录A规定的方法测试。
（5）为准确测量骨料的实际裹浆厚度，本研究基于浆体体积、质量、密度之间的关系设计出一种测试方法，具体如下：
1）制备胶凝材料浆体：称量胶凝材料和砂倒入搅拌锅中，混拌60s，称量拌合水和外加剂加入搅拌锅中。先慢搅60s，再快搅60s，制得胶凝材料浆体。
2）测定胶凝材料浆体流动度：参照GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》，称取300×(1+ RW/C) g胶凝材料浆体，注入截锥圆模内至与圆模上端平齐，提起截锥圆模，测定胶凝材料浆体在玻璃板上流淌的最大直径，即为胶凝材料浆体流动度。
3）测定胶凝材料浆体密度：将配制好的胶凝材料倒入500mL容量筒中读取体积后，称取胶凝材料质量，通过计算质量体积比可得到胶凝材料浆体密度。
4）测定粗骨料裹浆厚度：用湿毛巾将粗骨料提前润湿至饱和面干状态，称取配制好的胶凝材料500g，粗骨料约150g，混合后手工搅拌3min至充分均匀裹浆；将全部粗骨料捞出置于筛孔小于骨料粒径一个等级的筛网上，连续轻振筛网20次使多余的浆体流出；静置10min左右，观察粗骨料表面基本裹浆稳定后，收集粗骨料称量。根据骨料表面积、胶凝材料浆体密度和质量之间的关系，结合式(2)和式(3)计算出骨料裹浆厚度h。
3 试验结果及分析
3.1 净浆流动度的影响
基于裹浆厚度进行透水混凝土配比设计，固定水胶比0.25，粗骨料用量1550kg，为保证能够形成不同包裹层厚度，外加剂用量经调整确定后掺比不变。配合比设计如表3所示。强度和透水率按照配比制备成100mm×100mm×100mm混凝土立方体试块后测试，实际裹浆厚度、净浆流动度按照混凝土配比剔除骨料后制备成浆体测试。各项性能指标测试结果见表4、图2和图3。
利用本项目设计的裹浆厚度测试方法，实测裹浆厚度与设计裹浆厚度偏差在0.03mm以内，均为正偏差，可用于测量裹浆厚度参数。从不同净浆流动度下实测裹浆厚度变化图（图2）中可以看到，裹浆厚度随浆体流动的减小呈现增大趋势，原因在于胶凝材料浆体流动度不同其黏附性也必然发生改变，流动度越大，浆体粘性降低越难附着在骨料表面。在进行无砂混凝土配比设计时可通过控制浆体流动度的大小以保证合适的裹浆厚度。
由图3可以看出，随着裹浆厚度增加混凝土抗压强度呈增长趋势，在0.25水胶比下，裹浆厚度0.43时混凝土28d强度超过TC20等级强度要求。随着裹浆厚度增加混凝土透水系数逐渐降低，控制合适的裹浆厚度能够使骨料具有一定的黏结力保证结构强度，同时要避免浆体过多造成沉浆影响透水性能。
3.2 砂浆流动度的影响
按照A-2组试验配比，加入一定比例单级配石英砂，石英砂等质量替代粗骨料方式加入，研究石英砂掺量对砂浆流动度、骨料裹浆厚度的影响规律。试验结果见表5和图4、图5。可以看出，掺入石英砂后浆体变稠，裹浆厚度增大，当石英砂掺量提高至12%时，浆体失去流动度，不能正常进行裹浆厚度测量。从试验结果来看，砂掺量宜控制在9%以内。在实际透水混凝土的配制中，加砂后需提高拌合水或减水剂用量以保证工作性。
在A组试验配比基础上，加入6%单级配石英砂，研究加砂后不同设计裹浆厚度下混凝土透水系数和强度的变化规律。从表6中可以看到，裹浆厚度与净浆相比增加，各组试样28d强度增长都超过3MPa，但透水系数大幅降低，特别是设计裹浆厚度较大时。原因在于加入石英砂能够更好地改善混凝土级配结构，浆体与骨料之间的接触面积也得以增大，减少了内部孔隙，使骨料间由点接触而引起的应力趋于分散，从而增大了透水混凝土的抗压强度。与此同时，由于采用的是单级配砂，结构空隙未被完全填充，透水系数仍大于1mm/s，满足标准要求。
4 工程应用情况
项目组在供应三峡快速路互通立交——中南一路节点工程时，采用裹浆厚度法设计了含砂透水混凝土，其配合比为：5～10mm碎石1430kg，石英砂90kg，水泥300kg，粉煤灰40kg，水98kg，外加剂6.8kg。透水混凝土层的施工工艺为：斗车下料、机械摊铺、人工摊铺、平板振捣器来回振捣2次，28d龄期后钻芯取样并进行强度和透水系数测试；同时在实验室内进行了相同配比试验，成型和养护方式为棒插捣20次后使用平板振动器压振动15s，24h后脱模，标准养护28d。结果见表7。
从结果来看，工程现场取芯试块强度略低于实验室内成型试块强度，原因在于成型方式不同。工程现场为一次下料，两次平板振捣器在同一面层振捣；实验室内为两次装料，每层都进行平板振捣器振捣，且增加人工插捣步骤，骨料间接触更紧密。同时，由于现场成型试块骨料间连接相对较弱，空隙率更高，因此透水系数更大。两组试块强度等级均达到TC25要求，应用效果良好。
5 结论
（1）提出的骨料包裹厚度测试方法，利用骨料总表面积、浆体密度、质量之间的关系，可较准确地测量透水混凝土骨料裹浆厚度，可指导使用球模型包裹法设计透水混凝土。
（2）净浆和砂浆流动度越大，包裹厚度越小。透水混凝土的抗压强度随着骨料裹浆厚度的增加而增加，透水系数随着裹浆厚度的增加而减小。掺入单级配石英砂后对混凝土有增强效果但对透水性能有影响，所用石英砂掺量宜控制在6%以内。
（3）研究成果应用于三峡快速路互通立交——中南一路节点工程，利用球模型包裹法设计的含砂透水混凝土强度等级TC25，应用效果良好。
参考文献
[1] 李彦坤，胡晓波，等．球模型包裹法设计透水混凝土配合比[J]．混凝土，2008(9): 29-32．
[2] 钟远伟．市政道路透水混凝土的配合比设计研究[J].城市道桥与防洪，2022(5): 209-231．
供稿人：黄英姿，孔洲斌
编辑员：李海亮
审核人：孙继成，宁夏
【标准规范】
【会议培训】
第十届全国建筑固废和余泥渣土处理及资源化利用大会暨中国砂石协会建筑固废利用分会年会
2025第二十一届全国商品混凝土可持续发展论坛暨2025中国商品混凝土年会
【咨询服务】
预拌混凝土质量追溯研究
高速公路及桥涵高性能混凝土技术咨询
课题研究
研发中心建设
[绿满庭院]《HJ建筑围护结构自保温技术体系》推广等
【建材“双碳”业务】
低碳胶凝材料研发与制备
复合掺合料和再生复合掺合料研发与制备
建筑垃圾处置与资源化利用
建筑垃圾再生砂粉应用技术
建筑垃圾再生轻粗骨料技术
碳化再生骨料制备技术
【期刊著作】
《常见预拌混凝土质量事故分析百例》图书
《预拌混凝土企业标准化试验室建设指南》图书
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