基于骨架结构设计原则的多孔混凝土制备方法研究

李学文

（广东省建筑材料研究院有限公司）

0 引言

多孔混凝土作为一种新型混凝土材料，具有高透水性、高承载力、高散热性、易维护、使用寿命长等特点，在透水性铺装、绿化性铺装、护坡铺装、吸音降噪铺装方面有着广泛的应用。本文选用PⅡ42.5 硅酸盐水泥，配以矿渣及硅灰作为辅助性胶凝材料，在骨架结构的原则上，通过多孔混凝土配合比设计，依据骨架结构的影响规律，选择不同粒径的骨料、浆体/骨料比例及浆体组成等制备多孔混凝土，并对混凝土性能进行研究。根据应用场景的不同，设计了3 组配合比，通过对比多孔混凝土强度与透水系数（即28d 抗压强度Fc-28T、标准温度下透水系数k15T）的目标值、设计值与实测值的符合性，评价配合比设计方法的可靠性。

1 试验原材料及制备方法

1.1 试验用原材料

试验用水泥为PⅡ42.5 硅酸盐水泥，用矿渣及硅灰作为辅助性胶凝材料。胶凝材料的化学组成见表1。

表1 水泥、矿渣、硅灰的化学组成

试验选用辉绿岩碎石粗骨料，并参照标准ASTM E11-17 分为7 个粒级，测试了不同粒级骨料的松散堆积密度、紧密堆积密度、表观密度和吸水率，相关性能参数如表2 所示。

表2 骨料的物理性能参数

试验采用聚羧酸高效减水剂（SP），减水率、固含量等参数如表3 所示。

表3 试验所用减水剂的性能

1.2 多孔混凝土配合比设计方法

多孔混凝土配合比设计方法主要依据骨架结构的影响因素和变化规律，依次确定骨料粒径、浆体/骨料比例及浆体组成，具体如下：

⑴骨料粒径选择

图1 骨料平均粒径与接触点数目关系

由多孔混凝土强度计算基体强度fc，选择合适水胶比使基体实际强度fc′≥fc（水泥浆体强度主要与水胶比有关）。然后，通过优化外加剂用量调控水泥浆体流变性能，使浆体最大包裹层厚度MPCT≥TPT，进而确定了水胶比和外加剂用量，并可根据是否加入辅助性胶凝材料、胶凝材料粒度等适度调整，最终确定浆体组成。

⑷配合比设计步骤

图2 ζ 与接触区宽度的关系

2 多孔混凝土的制备及综合性能

2.1 多孔混凝土的制备

为了制备抗压强度FC-28≥30MPa、透水系数k15≥15mm/s 和抗压强度FC-28≥40MPa、透水系数k12≥12mm/s的两类多孔混凝土，制备的过程如下：

⑴确定基体强度fc-28、接触区浆体总面积CTPA。由公式⑴可得，为获取抗压强度达30MPa 的多孔混凝土，基体强度fc-28为115MPa 时、需CTPA≥6.11cm2/100cm2。因此，选择fc-28=120MPa、CTPA=7.0㎝2/100㎝2。

⑶确定接触区宽度W、骨料间浆体厚度T。当接触区浆体总面积CTPA=7.0cm2/100cm2、 接触点数目N=122/100cm2时，骨料间浆体厚度与接触区宽度的乘积TW=5.756mm2，可计算T=1.055mm。

⑷计算目标浆体包裹层厚度TPT、浆体/骨料比例VP/VA。由公式⑶可知，当骨料间浆体厚度T=1.055mm时，TPT=0.580mm，进而由公式⑷算得VP/VA=31.3%。

⑸设计浆体组成。试验采用PII52.5 水泥，当W/B=0.29 时，浆体强度fc-28=123.3MPa（≥120MPa）。根据包裹层厚度TPT=0.580mm，则需浆体表观粘度η10＞2.366Pa·s，当减水剂掺量SP=0.35%时，浆体表观粘度η10=2.474Pa·s。在满足浆体粘度和强度情况下，还可根据是否掺加辅助性胶凝材料、胶凝材料细度等因素，对水泥浆体组成进行适当调整。

通过上述步骤可获知骨料粒径、浆体/骨料比例以及浆体组成，进而计算单方多孔混凝土原材料用量（骨料质量WA=0.98ρT×VA，ρT为骨料紧密堆积密度），如表4 所示。

表4 多孔混凝土配合比

2.2 多孔混凝土配合比与性能

不同应用场所对多孔混凝土性能的要求不同，应依据工程需求确定多孔混凝土的配比。针对不同性能指标，采用本文提出的方法设计了3 组配合比（表5），通过对比多孔混凝土强度与透水系数（即28d 抗压强度Fc-28T、标准温度下透水系数k15T）的目标值、设计值与实测值，评价配合比设计方法的可靠性。

表5 验证试验多孔混凝土配合比

由图3（a）可知，多孔混凝土28d 的抗压强度，它的预测值比目标值高出3.2～4.4MPa，这归因于接触区域浆体的总面积CTPA与它的基体强度fc设定值略高于计算值。此外，抗压强度预测值与实测值偏差不是很大，最大偏差为4.2%，表明本文提出的配合比设计方法能够较为精确地设计多孔混凝土抗压强度。相对于透水系数目标值，预测值高出1.7～4.7mm/s，主要原因在于所用骨料的粒径大于计算值（例如C2 多孔混凝土骨料计算骨料平均粒径为9.9mm，选取9.5～3.2mm 骨料，实际平均粒径为11.1mm）。由图3(b)可以看出，当透水系数设计目标值为10mm/s 时，预测值与实测值相差17.0%；当透水系数设计目标值为20mm/s 时，预测值与实测值仅相差2.6%；可见当透水系数目标值较低时，预测值与实测值偏差较大。总之，多孔混凝土28d 抗压强度和透水系数的实际值接近预测值，且均高于目标值，说明采用该方法可根据所需性能要求设计多孔混凝土配合比。

图3 多孔混凝土性能指标的目标值、预测值与实测值

试验制备的多孔混凝土（C1、C2、C3）如图3 所示，其中C1 多孔混凝土28d 抗压强度为28.7MPa、透水系数为23.5mm/s，具备良好的透水性能；C2 多孔混凝土28d抗压强度达到33.0MPa、透水系数为21.2mm/s，同时具备良好的力学与透水性能；C3 多孔混凝土28d 抗压强度高达37.2MPa、透水系数为14.1mm/s，力学性能优异。

3 结论

⑵依照提出的多孔混凝土配合比设计方法，采用粒形较好的辉绿岩骨料可制备出28d 抗压强度达37.2MPa、透水系数达14.1mm/s 的多孔混凝土。此外，多孔混凝土的实际强度和透水系数均高于目标值，且强度与预测值最大偏差仅为4.2%，结果表示出的多孔砼的配合比设计的方法可以较为合理、精确地调控多孔栓的力学性能和透水性能。