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1、透水混凝土制备法 及其在奥运工程中的应用,摘 要,本研究根据奥运工程需求和我国透水性混凝土研究应用的现状,对透水性混凝土配合比设计、抗压强度、透水性、耐磨性等进行了研究,分析了透水混凝土抗压强度和透水系数与水灰比、灰骨比之间、骨料粒径的关系,实现了强度达C30、透水系数为4.7mm/s的透水性混凝体最优配比方案，并应用于工程。,介绍内容,技术背景 技术路线 原材料的选择 配合比设计 实验研究 工程应用 结论,技 术 背 景,随着我国城市化进程的快速推进和小城镇建设的日益发展，沥青硬地面的数量不断增加，地下水的补给越来越少，严重影响我国城市水环境的平衡。沥青硬地面和混凝土一直被认为是破坏自然谁循
2、环体系的元凶，但是只要使混凝土连续孔隙得以形成，就能创造其与自然环境的衔接点，极大的改变过去的形象。正是在这一条件下，国内有许多学者和专家呼吁在人行道、自行车道、公园和停车场使用环保型透水混凝土。,为了体现环保节能和可持续发展，在北京2008年奥运场馆部分停车场、上海2010年世博会各主题公园的设计中均考虑使用绿色环保透水混凝土。用来增加雨水下透，减小城市“热岛效应”，提高土壤中水分上透，提高植被成活和生长的可能性。这种材料具有良好的透水性能，雨天不积水，表面不打滑，既确保了游客的安全，又还水于土，改善了树木生长的环境。,透水混凝土模型,传统绿色环保透水混凝土组成,传统无砂大孔透水混凝土是由粗
3、骨料、掺和料、水泥、外加剂和水拌制而成的一种多孔混凝土， 由粗骨料表面包覆一薄层水泥浆相互粘结而形成孔穴均匀分布的蜂窝状结构，具有透气、毛细现象不显著、透水性大，水泥用量小、施工简单等特点。强度在515 MPa，一般用于公路护坡和透水砖。,无砂大孔透水混凝土的不足,采用无砂大孔方案，粘接面积小。 用水泥作为胶结材料，界面结构缺陷多。 空隙率数值大，利用率低。,绿色环保透水混凝土的特点,我们研究的绿色环保透水混凝土应满足： 当集中降雨时能减轻城市排水设施的负担，防止河流泛滥和水体污染。 能使雨水迅速渗入地下，还原地下水，保持土壤湿度。 防止路面积水，夜间不反光，增加路面安全性和通行舒适性。,绿色
4、环保透水混凝土的特点,调节城市空间的温度和湿度，改善城市热循环，缓解热岛效应。 大孔隙率能降低车辆行驶时的路面噪音，创造舒适的交通环境。 大量的空隙能吸附城市污染物（如粉尘），减少扬尘污染。 易于维护，空隙不会破损、不易堵塞。,透水性混凝土与普通混凝土区别,配制技术路线,根据工程设计要求我们配制绿色环保透水混凝土的技术路线是： 确定强度等级为C30, 透水系数为15mm / s，有效空隙率大于20%；生产工艺采用水泥砂浆裹石；施工采用自卸车运输，面层机械摊铺，颜料机械喷涂，压路机最后成型。,透水性混凝土物理力学性能,抗 压 强 度（MPa） 3045 抗冲磨强度（MPa） 2035 总 空 隙
5、 率（） 3545 有效空隙率（） 1525 透 水 系 数（mm/s） 4.515.0,有效空隙率的确定,传统透水混凝土采用无砂大孔方案，基本思路为空隙率越大，透水性越好，根据我们在试验室验证，实际上透水混凝土透水系数与有效空隙率呈线性关系，而与总空隙率不是比例关系。总空隙率的增加导致水泥浆与石子之间粘接面积小，界面结构缺陷多，透水混凝土强度明显降低，但透水系数并不增加。,有效空隙率确定原理示例,强度的确定,为了配制强度符合绿色环保透水混凝土的要求，我们将传统观点由骨料、水泥、掺合料和水配制透水混凝土的思路， 改为掺加少量细骨料， 在粗骨料表面包覆一薄层水泥浆相互粘结而形成孔穴均匀分布的蜂窝
6、状结构， 一方面提高了强度，另一方面改善了透水混凝土的孔结构，达到透气、透水和高强的目的。,绿色环保透水混凝土组成,根据以上思路，绿色环保透水混凝土与传统透水混凝土相比，其组成材料中含有 粗骨料 细骨料 掺和料 水泥 外加剂 水,生产工艺,生产工艺采用水泥砂浆裹石的方案， 由于在粗骨料表面包覆一薄层水泥砂浆相互粘结，在水泥用量相同的情况下，粗骨料之间粘结牢固，孔结构分布均匀。 可以达到强度高、耐磨性好、透气、毛细现象不显著、透水系数大，水泥用量小、施工简单等特点。,原材料的选择,绿色环保透水混凝土原材料的选择主要是: 水泥品种及强度等级； 粗骨料的类型、粒径及级配、含泥量等； 细集料的类型、细
7、度模数、含泥量等； 掺合料的品种、类型、反应活性； 外加剂的增稠效果、减水率、早强效果和引气量。,材料选择达到的目的,从选材上着手，引入细骨料，实现 在粗骨料相互接触而形成的双凹粘结面上, 水泥砂浆厚度增加 减少无效空隙率 使粘结点增多 界面粘结更加牢固 效果: 既保证了有效空隙率，确保透水系数不降低。 又实现透水混凝土的高强化。 同时提高了混凝土的耐磨性。,水泥的选择,水泥最好选择普通硅酸盐水泥。 用量可在保证最佳用水量的前提下， 适当增加用量。 这样能够增加骨料周围水泥砂浆膜层的稠度和厚度， 可有效地提高透水混凝土的强度。 本研究选用: P.O42.5 水泥,粗骨料的选择,粗骨料的粒径较小
8、,则比表面积较大, 水泥用量增加。 粗骨料的粒径较大，则不利于界面粘结，虽然节省水泥，但影响混凝土的强度。 粗骨料的含泥量要低，否则影响粘结。,粗骨料的选择,本研究选用: 天然卵石、单一粒级、粒径 16mm 20mm 25mm,细骨料的选择,细骨料的细度模数较小，则比表面积较大， 水泥用量增加。 细骨料的细度模数较大，则不利于界面粘结。 细骨料的含泥量要低，否则影响粘结。 本研究选用:天然砂，细度模数2.7。,掺合料的选择,掺合料的品种优先选用粉煤灰。 当要求混凝土拌合物粘度较高时选用矿粉。 本研究选用：粉煤灰（级粉煤灰）,外加剂的选择,增稠效果明显 减水率适中 早强效果好,外加剂的选择,本研
9、究选用： 早强剂: 选用硫代硫酸钠 减水剂:萘系高效减水剂 减水率：15 %20 % 增稠剂：羧甲基纤维素,配合比设计,到目前为止透水混凝土仍无成熟的配合比设计计算方法， 根据工程设计中透水混凝土所要求的孔隙率和结构特征， 可以认为1m3混凝土的外观体积由粗骨料堆积而成。 因此， 配合比设计的原则是将粗骨料颗粒表面用一层薄水泥砂浆包裹(约10mm) ， 并将粗骨料颗粒互相粘结起来，形成一个整体。,配合比设计,因此，透水混凝土采用高强度等级水泥及单粒级卵石配制。 1m3 混凝土所用的骨料总量取骨料的紧密堆积密度的数值，实测之后数值范围为1200kg1400kg。,配合比设计,根据这个原则，采用多
10、组分混凝土强度理论，可以初步确定透水混凝土的配合比。 水胶比既影响透水混凝土的强度， 又影响其透水性。 透水混凝土的水胶比一般是随着水泥用量的增加而减少，但只是在一个较小的范围内波动。,多组分混凝土强度理论公式,多组分混凝土强度理论公式,式中： f -混凝土强度 f -硬化砂浆理论强度 U - 胶凝材料填充强度贡献率 m - 硬化砂浆的密实度,多组分混凝土强度理论公式,多组分混凝土强度理论,这样我们就建立了现代多组分混凝土强度理论数学模型。 f是混凝土对应的硬化砂浆的理论强度，它主要考虑了胶凝材料的水化反应形成的强度； U是胶凝材料填充强度贡献率，主要考虑了胶凝材料的微集料填充效应，我们可以根
11、据掺合料的种类、数量的不同计算它们对混凝土强度的影响； m是硬化砂浆的密实度。,多组分混凝土石子填充模型,透水混凝土由硬化砂浆和石子两部分组成。 硬化砂浆的粘结强度、胶凝材料强度贡献率、硬化砂浆密实度决定透水混凝土的强度。 石子作为砂浆的填充料，当压碎指标小于8%时，由于它的强度大于混凝土的设计强度，只占体积不影响强度。,石子填充模型,因此，我们可以采用以下方法去建立混凝土体积组成模型。 假定我们先配制好水泥混合砂浆，体积为V1； 然后在强力振捣下将粗骨料投入砂浆中，使石子均匀地填入砂浆形成混凝土拌合物；,石子填充模型,此时混凝土拌合物的体积为V，（V-V1）/V便是粗骨料在混凝土中的体积比。
12、V1/V为水泥混合砂浆在混凝土拌合物中体积比对于砂浆,由于水泥和掺和料粒径较小,可以完全填充在砂子六方紧密堆积的空隙之中, 其空隙率为p。硬化砂浆体积由胶凝材料体积、拌合用水体积和砂子体积组成。,石子填充模型,这种混凝土体积组成模型称为石子填充模型；用这种方法结合现代多组分混凝土强度理论公式（XS公式），求得混凝土中硬化砂浆体积以及石子、砂子、胶凝材料、外加剂和拌合用水等准确配合比设计数据的方法叫石子填充法，简称XS法。,配制强度,按现行规范 fcu.p=fcu.o+1.645确定,胶凝材料用量的确定,对于基准塑性混凝土， 坍落度为T(mm) 用于调整工作性的用水量为0.5Tkg 其中u1=1
13、，F=K=Si=0 由以上公式可知：,基准水泥用量的确定,将公式中水泥C用基准水泥C0代替，公式简化为： f =（C0/C0）W0/（W0+0.5T）-0.27 =(W0/（W0+0.5T）-0.27),胶凝材料用量的确定,WO = 0.5T（0.27+f）/（0.73- f ） C0 = WO /0.23,掺和料用量的确定,C0 = u1C+u2F+u3K C0 = 1C+2F+3K C+F+K 300 C+F+K 600,胶凝材料用量的确定,根据由以上公式的推导可知：通过科学计算得到填充因子系数，从而计算水泥、粉煤灰、矿渣粉等准确用量。 实现了合理选择掺和料品种和用量，科学而定量地实现了透
14、水混凝土胶凝材料的定量计算。 使透水混凝土配合比设计与强度之间建立了一种数字量化关系。,外加剂的确定,减水剂 减水剂掺量为胶凝材料0.6 早强剂 早强剂掺量为胶凝材料1.0 增稠剂 增稠剂掺量为胶凝材料0.03,用水量的确定,根据现场实际，假定混凝土的出机坍落度为Tmm, 每增加mm坍落度所需水量为0.5kg。 则理论用水量 W= WO + 0.5T 实际用水量 W= W(1-n）,石子用量的确定,透水混凝土1m3 所用的骨料总量取粗骨料的紧密堆积密度的数值，大致为1200kg1400kg。 本研究根据粗骨料级配取石子堆积密度实测值1280kg、1350kg、1400kg三种。,砂子用量的确定
15、,本研究为了增加砂浆与粗骨料之间的粘结能力，提高透水混凝土的强度，砂子取石子用量的15%。,透水混凝土计算配合比-1,透水混凝土计算配合比-2,透水混凝土计算配合比-3,实验研究,工艺过程包括： 搅拌 成型 养护 检测指标包括： 强 度 空 隙 率 冻 融 循 环 抗冲磨强度 透 水 系 数,搅拌,搅拌工艺采用水泥砂浆包裹石子的方法。 先将全部粗骨料及5%10% 的水装入搅拌机中预拌。 再加入胶凝材料和砂子拌合，以形成包裹粗骨料表面的水泥砂浆壳。 最后加入剩余的水搅拌均匀。,成型,这样的投料顺序和搅拌程序能使骨料表面形成均匀厚度的水泥浆层，以保证混凝土的强度和透水性。 将搅拌均匀的混凝土拌合物
16、装入100mm 100 mm100mm的试模中，机械振捣20s。,养护,试件经标准养护28d后，分别在万能试验机上测试混凝土抗压强度，在透水系数测定仪上测定变水位和定水位透水系数。,透水混凝土实验室检验,强度采用万能压力试验机，单位:MPa 空隙率才用水饱和法,单位:% 冻融循环采用快冻法,单位:次 抗冲磨强度采用200万次磨损后的强度,单位: MPa 透水系数采用固定水位法,单位:mm/s。,透水混凝土实验室检验-1,透水混凝土实验室检验-2,透水混凝土实验室检验-3,试验结果分析,试验结果表明，采用D16、D20、D25的单粒级卵石骨料、 普通硅酸盐水泥、 少量掺加细集料、掺和料和外加剂的
17、办法，采用特殊生产工艺和成型方法控制有效空隙率, 可以配制出不同强度等级的透水混凝土, 透水系数平均达15mm/s以上。,试验结果分析,透水混凝土的透水性在灰骨比一定的情况下， 随水灰比的增大， 透水系数增大， 且粗骨料粒径小的比粒径大的混凝土的透水系数略高。 在水灰比一定的情况下， 随骨料量的增加， 透水系数增大。,试验结果分析,用D20及D16卵石，采用水泥砂浆裹石法可以配制出强度等级C30 ， 透水系数为15mm/ s以上 的透水混凝土， 最佳配合比 可以通过多组分混凝土理论和石子填充法求得。 用D20及D16卵石配制的透水混凝土抗冻性及抗冲磨能力均很好。完全可以满足美国设计公司对奥运停
18、车场的设计要求。,工程试验验证,在实验取得成功的基础上，根据工程设计要求我们在2007年4月在奥林匹克公园进行500m2工程试验。 预期混凝土强度等级为C30, 透水系数为15mm/s，有效空隙率20%；生产工艺采用水泥砂浆裹石；施工采用自卸车运输，面层机械摊铺，颜料机械喷涂，压路机最后成型。 生产过程中搅拌工艺采用水泥砂浆包裹石子的方法。先将全部粗骨料及5 %10 % 的水装入搅拌机中预拌， 再加入胶凝材料和砂子拌合。以形成包裹粗骨料表面的水泥砂浆壳， 最后加入剩余的水搅拌均匀。,现场检验,取一些拌合好的拌合物进行观察，如果 水泥砂浆在骨料颗粒表面包裹均匀， 没有水泥砂浆下滴现象， 而且颗粒
19、有类似金属的光泽， 则说明水胶比较为合适。,试验工程施工结束后,经过中国建筑科学研究院检测，本项目组研究的透水混凝土 平均强度为36.5MPa,达设计值的120%， 透水系数达20mm/s,大于设计要求的4.7mm/s, 有效空隙率控制在25%， 冻融循环达100次。 设计单位和监理非常满意。,结 论,通过试验研究和工程应用，在绿色环保透水混凝土的配制方面我们可以得出以下结论:,结论-1,根据透水性混凝土结构模型可知, 透水混凝土受力是通过骨料之间的胶结点传递力的作用。由于骨料本身的强度较高, 水泥凝胶层很薄, 水泥凝胶体与粗骨料界面之间的胶结面积小, 其破坏特征是骨料颗粒之间的连接点被破坏。
20、,结论-1,因此, 在保证一定孔隙率的前提下, 增加胶结点的数量和面积, 增强胶结力是提高透水性混凝土强度的关键。骨料粒径越小, 比表面积越大, 所形成的结构骨架单位体积内骨料颗粒之间的接触点数量多, 胶结面积越大,从而提高透水性混凝土的整体强度。因此我们必须摒弃传统观念不加砂子的思路，加入少量的细集料。,结论-1,由试验数据可知,即使水灰比相同, 但由于粗骨料粒径减少, 胶结点的数量多、面积大, 抗压强度增大。,结论-2,本次研究采用强制式搅拌机和预湿粗骨料,先将全部粗骨料及5%10% 的水装入搅拌机中预拌，再加入胶凝材料和砂子拌合。以形成包裹粗骨料表面的水泥砂浆壳，最后加入剩余的水搅拌均匀
21、。,结论-2,采用这种方法, 可以保证搅拌的均匀性, 水泥砂浆的利用率也最大。正是由于这两条原因, 加之选用了适宜的外加剂, 使透水性混凝土抗压强度增高变成了现实。,结论-3,对于透水混凝土的强度而言, 在水灰比处于0.340.40之间时, 骨料粒径与骨胶比对强度影响显著, 因而在配制过程中, 骨胶比应取较小值, 骨料粒径适中。,结论-4,混凝土的透水性和抗压强度与混凝土的孔隙率有关。试验表明, 其透水性和强度是一对相互矛盾的指标,在配制透水混凝土时, 应注意协调二者之间的关系。,结论-5,对透水性混凝土来讲, 粒径是影响其性能的一个重要因素。在进行配比设计时, 要合理选取粒径, 以使透水性混凝土的性能符合使用要求。随着骨料粒径的减小,虽然强度提高很快, 但透水系数、总孔隙率和连通孔隙率均有不同程度的下降。,结论-6,作为奥运停车场地面材料,设计要求表层具有良好的耐磨性和平整度, 处于表层的骨料颗粒很容易脱落,使道路表面凹凸不平。为保证其具有良好的耐磨性和平整度,综合考虑以上因素,为使透水系数、总孔隙率和连通孔隙率均满足工程设计要求, 我们建议使用多组分混凝土理论进行配合比设计。,国家大剧院开工-1,国家大剧院开工-2,国家大剧院开工-3,国家大剧院建设中- 1,国家大剧院建设中-2,国家大剧院建设中-3,老山自行车馆,国家体育馆,谢谢！,