本發(fā)明屬于建筑材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多孔混凝土配合比的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
多孔混凝土，也稱為無砂混凝土或大孔混凝土，是采用特定粒徑骨料為骨架、膠結(jié)材料包裹在骨料顆粒表面作為骨料顆粒之間的膠結(jié)層，形成的骨架——孔隙結(jié)構(gòu)的混凝土材料。由于可通過調(diào)整骨料粒徑和膠結(jié)材料的用量形成孔徑不同的孔隙以滿足不同的用途需要，因此多孔混凝土在透水路面、植被生長(zhǎng)、水質(zhì)凈化等方面都有廣泛應(yīng)用。在歐洲、美國、日本等國家和地區(qū)多孔混凝土已經(jīng)比較普遍，我國正處于發(fā)展階段。
隨著國家建設(shè)海綿城市的提出，多孔混凝土作為一種生態(tài)混凝土受到特別關(guān)注，它的主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在:1)多孔混凝土通過其內(nèi)部開口的孔隙使雨水快速滲透到地下,既避免了洪水的危害又補(bǔ)充了地下水；改善城市地表植物和土壤微生物的生存條件，有利于生態(tài)平衡。2)透水性路面有利于調(diào)節(jié)城市空間的溫度和濕度，消除熱島現(xiàn)象。3)多孔混凝土路面可以減小或削弱交通噪聲,這對(duì)于現(xiàn)代城市的發(fā)展是非常必要的，同時(shí)多孔混凝土路面可以消除雨天路面打滑和雨水飛濺的影響，也是一種更為安全的路面。因此多孔混凝土的應(yīng)用成為近年的熱點(diǎn)，并得到大力推廣。雖然對(duì)于多孔混凝土已經(jīng)開展了許多研究，在組成、性能和施工工藝等諸多方面都取得了很多成果，但如何提高多孔混凝土材料的可設(shè)計(jì)性仍需進(jìn)一步完善。到目前為止，多孔混凝土配合比設(shè)計(jì)方法還存在一些問題和不足，在對(duì)多孔混凝土材料研究有指導(dǎo)作用的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中，透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程雖然給出了配合比設(shè)計(jì)方法，但并不明確、清晰，難以直接采用，而許多研究者也給出了各自的設(shè)計(jì)方法，但并無統(tǒng)一、合適的方法可供施工設(shè)計(jì)人員選用。在實(shí)際建設(shè)使用過程中，多孔混凝土主要還是按經(jīng)驗(yàn)法來進(jìn)行設(shè)計(jì)，這在某種程度上阻礙其應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種能適應(yīng)工程設(shè)計(jì)的多孔混凝土材料設(shè)計(jì)方法，首先在確定膠凝材料組成的基礎(chǔ)上，根據(jù)成型工藝的要求確定水膠比，其次通過測(cè)試所用材料的基本性能，根據(jù)骨料的表觀密度和設(shè)計(jì)要求的孔隙率確定單位體積混凝土中骨料的用量，然后由力學(xué)強(qiáng)度確定膠結(jié)材料用量，從而確定單位體積水泥用量和拌合水用量。設(shè)計(jì)方法配合比設(shè)計(jì)具有特定的明確步驟，符合實(shí)際情況，滿足技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和施工工藝的要求，以便在工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。
本發(fā)明通過以下技術(shù)手段解決上述技術(shù)問題：
多孔混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟
1)確定膠凝材料組成。由于混凝土的膠凝材料包括水泥、摻合料和外加劑，在此情況下，需將不同配合比的膠凝材料根據(jù)其標(biāo)準(zhǔn)稠度的用水量依據(jù)國標(biāo)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(GB17671-1999)方法測(cè)定3d、28d、90d強(qiáng)度，確定具有最佳技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性能的膠凝材料組成。
2)對(duì)試配試件進(jìn)行壓實(shí)成型試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)和目測(cè)方法確定水膠比；
3)通過試配決定骨料級(jí)配及其體積用量，根據(jù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度，控制壓實(shí)試件的骨料間隙率大于設(shè)計(jì)空隙率23％-27％，壓實(shí)試件的骨料間隙率應(yīng)小于搗實(shí)狀態(tài)下的粗骨料骨架間隙率；
4)以預(yù)估的水泥用量為中值，按25Kg/m3的間隔變化，取5個(gè)不同的水泥用量，分別拌制混凝土然后通過試驗(yàn)求出抗壓強(qiáng)度，繪出水泥用量-強(qiáng)度關(guān)系曲線，通過內(nèi)插的方法得到達(dá)到要求強(qiáng)度所需的最小水泥用量，由此確定單位體積水泥用量和拌合水用量；
5)微調(diào)骨料組成與水泥用量使多孔混凝土拌和物工作性及水泥在骨料之外的體積填充率合理，試拌成型。
進(jìn)一步，所述步驟1)中，水泥、各種摻合料和外加劑均屬于膠凝材料；
進(jìn)一步，所述步驟2)中，具體使用無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)用的試模在0.05MPa下靜力壓實(shí)成型試件。
進(jìn)一步，所述步驟2)中，成型過程中試件不出現(xiàn)泌水、跑漿現(xiàn)象，脫模過程中不松散，目測(cè)試件不干澀、沒有金屬光澤，則水膠比適用。
進(jìn)一步，所述步驟3)中，控制壓實(shí)試件的骨料間隙率大于設(shè)計(jì)空隙率10％-14％，根據(jù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)強(qiáng)度高則取高值，反之取小值。
進(jìn)一步，步驟5)中，在保持水膠比不變的情況下，先分別增減骨料用量1％，再分別增減5Kg/m3的水泥用量，再與已確定的材料組成分別成型5組試件，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮工作性、強(qiáng)度、耐久性情況確定最終單方混凝土組成。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
1)多孔混凝土工作性、強(qiáng)度、滲透系數(shù)、空隙率、耐久性等指標(biāo)相互影響，難以兼顧，例如水膠比過小，多孔混凝土?xí)蚋捎捕鴶嚢璨痪鶆颍瑥亩绊憦?qiáng)度的提高，反之，如果水膠比過大，水泥漿就可能把多孔混凝土中的部分孔隙堵死，不僅影響孔的連通性，也不利于強(qiáng)度的提高；多孔混凝土強(qiáng)度高，對(duì)耐久性有利，但對(duì)滲透系數(shù)卻可能不利。本發(fā)明基于材料級(jí)配組成、水膠比與水泥用量的精確設(shè)計(jì)，綜合考慮了工作性、強(qiáng)度、空隙率、耐久性多方面的因素，設(shè)計(jì)的混凝土性能易于滿足工程需要。
2)多孔混凝土設(shè)計(jì)步驟明確，方法簡(jiǎn)單并且具體，易于掌握，能夠?qū)嶋H采用。
3)試驗(yàn)結(jié)果離散性較小，試驗(yàn)工作量不大，不存在重復(fù)試驗(yàn)情況，快速簡(jiǎn)便。
4)本發(fā)明設(shè)計(jì)原理清楚，各方面的主要影響因素突出，清晰可靠。
具體實(shí)施方式
以下將對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
實(shí)施例1
某工程C20多孔混凝土設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)孔隙率不小于10％；
試驗(yàn)材料，石灰石碎石，二種粒級(jí),粒徑分別為9.5～16mm、4.75～9.5mm，為級(jí)配碎石，針、片狀顆粒含量不高于5％，壓碎指標(biāo)不大于10％，含泥量不高于0.5％，含粉量不高于1％；水泥為42.5R硅酸鹽水泥。
步驟1確定膠凝材料組成
本實(shí)施例中，僅采用42.5R硅酸鹽水泥，因此膠凝材料組成為水泥100％。
步驟2確定水膠比
暫定結(jié)合料中9.5～16mm與4.75～9.5mm粒徑碎石質(zhì)量比為60:40；水泥用量400Kg/m3；水膠比為0.26；
按設(shè)計(jì)方法相應(yīng)內(nèi)容，以無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)用的試模在0.05MPa下靜力壓實(shí)成型試件，成型過程中出現(xiàn)泌水、跑漿，因此需減少用水量。
將暫定結(jié)合料的水膠比分別調(diào)整為0.25、0.245、0.24、0.235；按所述方法重新成型試件脫模，發(fā)現(xiàn)水膠比為0.235試件較干澀、有松散現(xiàn)象；水膠比為0.245試件表面仍較明亮；因此將水膠比確定為0.24。
步驟3確定骨料級(jí)配及其體積用量
將9.5～16mm與4.75～9.5mm粒徑碎石分別按質(zhì)量比為60:40、50:50、45:55、65:35、55:35混合成5種不同的級(jí)配類型，測(cè)定搗實(shí)密度，并根據(jù)已知的碎石密度ρg＝2.49g/cm3，計(jì)算出相應(yīng)的集料間隙率。
初步設(shè)定水泥用量為400Kg/m3；將5種不同級(jí)配的骨料在水膠比0.24的情況下壓實(shí)成型，由此獲得不同級(jí)配的骨料在壓實(shí)情況下的密度，并計(jì)算出相應(yīng)的壓實(shí)狀況下的集料間隙率。
分析試驗(yàn)結(jié)果表明：5種級(jí)配中，9.5～16mm與4.75～9.5mm粒徑碎石質(zhì)量比為65:35時(shí)，壓實(shí)試件的骨料間隙率大于設(shè)計(jì)空隙率24.2％，同時(shí)壓實(shí)試件的骨料間隙率小于搗實(shí)狀態(tài)下的粗骨料骨架間隙率。因此，確定混凝土材料的骨料組成為質(zhì)量比為65:35的9.5～16mm與4.75～9.5mm二種粒徑碎石組成，單方混凝土中骨料體積用量為65.8％。
步驟4確定單位體積水泥用量和拌合水用量
以估計(jì)的水泥用量425Kg/m3為中值，按25Kg/m3的間隔變化，取5個(gè)不同的水泥用量，分別拌制混凝土然后通過試驗(yàn)求出抗壓強(qiáng)度，繪出水泥用量-強(qiáng)度關(guān)系曲線，通過內(nèi)插的方法得到強(qiáng)度達(dá)到23MPa時(shí)所需的最小水泥用量為430Kg/m3，因此，確定單方混凝土中水泥用量為430Kg/m3，拌和水用量為103Kg/m3。
步驟5試拌成型與調(diào)整
根據(jù)已確定的骨料體積用量與組成、水泥及拌和水用量試拌成型混凝土，同時(shí)分別將9.5～16mm與4.75～9.5mm粒徑碎石分別按質(zhì)量比調(diào)整為64:36、66:34，進(jìn)一步將兩種情況下，在保持水膠比不變的情況下，單位體積混凝土中分別增減5Kg/m3的水泥用量，由此成型4組混凝土試件。根據(jù)5種材料組成的混凝土試件的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，最終確定單方混凝土的材料組成為9.5～16mm與4.75～9.5mm粒徑碎石質(zhì)量比為66:34，水泥用量為435Kg/m3，拌和水用量為104Kg/m3，即每立方米混凝土中9.5～16mm粒徑碎石:4.75～9.5mm粒徑碎石:水泥:水＝1081:557:435:104。測(cè)定結(jié)果表明強(qiáng)度為24.2MPa、空隙率10.4％、滲透系數(shù)大于10cm﹒S-1，同時(shí)計(jì)算表明水泥在骨料之外的體積填充率為5種試拌成型混凝土的最大值。
由于多孔混凝土的拌和物工作性質(zhì)受三方面因素的影響，既包括膠結(jié)材性質(zhì)的影響，也受骨料狀態(tài)及膠結(jié)材——骨料相互作用的影響，單一測(cè)定單方面的性質(zhì)決定合理的水膠比并不準(zhǔn)確，因此本發(fā)明通過設(shè)定的試驗(yàn)方法，測(cè)定拌和物的穩(wěn)定性，輔以直觀觀察綜合評(píng)定和易性，有效解決了材料組成變化的影響。多孔混凝土的強(qiáng)度、滲透系數(shù)、空隙率等指標(biāo)與級(jí)配組成具有重要的聯(lián)系，本發(fā)明通過特定步驟確定具有骨架結(jié)構(gòu)并且骨料間隙率適宜的級(jí)配方案，對(duì)于強(qiáng)度、滲透系數(shù)、空隙率等指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有關(guān)鍵影響，彌補(bǔ)了現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法的不足。與普通混凝土不同，決定多孔混凝土強(qiáng)度的因素更為復(fù)雜，普通混凝土是以用水量不變也即流動(dòng)性相近的情況下變化水泥用量確定配合比，本發(fā)明提出在多孔混凝土中，在水膠比不變的情況下，較小范圍內(nèi)水泥用量的變化對(duì)于強(qiáng)度影響可粗略近似線性關(guān)系，由此通過試配決定水泥用量和用水量，方法更符合材料特點(diǎn)，易于準(zhǔn)確。通過試配調(diào)整水泥用量的方法，確定水泥在骨料之外的體積填充率，對(duì)于改善多孔混凝土的耐久性有重要影響。
最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。