无砂混凝土配合比设计研究

无砂混凝土配合比设计研究

张睿栋

中国水利水电第五工程局有限公司

摘 要： 本文设定无砂混凝土标号为C16/20，采用固定水胶比，水胶比设置为0.27，通过调整胶凝材料用量、用水量，来配制不同孔隙率以及不同强度的无砂混凝土，并通过采用5-10mm、10-20mm、5-20mm，3种不同粒径的石子来配制满足沙特阿拉伯特殊环境下工程应用要求的混凝土。

关键词： 胶凝材料用量； 透水率； 孔隙率

前言

随着当前阶段国际市场经济社会开展以及国际生态建立主体进程建设步伐的不断加快,不透水的水泥路面对国际城市整体生态环境建设造成的各种负面影响也因此日益加大。

在我们当今世界以及全人类努力不断寻求与人类社会与大自然相处与适应、维护自然生态健康以及可持续发展的价值理念作为指引下,无砂混凝土作为一种特殊的道路材料, 已日益遭到人们的关注。无砂混凝土路面具有高透水性、高承载力、易维护性、抗冻融性、高散热性等优良作用。

生产无砂混凝土主要采用水泥、水、无砂混凝土增强剂（胶结材料）掺配高质量的同粒径或间断级配骨料所组成的，并具有一定空隙率的混合材料。将其制成混凝土路面、护坡及其制品时， 能取得排水、抗滑、吸音、降噪、渗水效果，可以有效改善城市地表的自然生态和水循环,利于行车和道路交通安全,保护市民居住区的生态环境,解决因此由于大规模、小中型企业和其他现代化的大型城市基础工程建设而给城区居民生活带来的各种社会负面影响。

1.原材料

为了更好地实现无砂混凝土的工作特点及其经济性能和应用经济性完美融合,本文选取的原材料均为沙特阿拉伯项目在实际生产中所应用的原材料。为了充分实现无砂混凝土的使用经济性和工作效率,在配比中也加入了一些矿物质的掺和材料。

1 .1 骨料

为了实现理论验证与实际生产的对等交接性， 分别采用现有5mm~20mm的生产用石子以及筛选5mm~10mm石子， 10mm~20mm 3种碎石进行对比研究。 各种石子性能指标见表1。

1 .2 水泥

沙特阿拉伯市场主要有Types Ⅰ、Ⅱ 、M、Ⅲ、V和IP几种类型的水泥,其中M型适用于沿海防腐蚀混凝土施工,普通混凝土大多使用TypesⅠ型水泥，因此水泥采用沙特东部省生产的OPC-1型普通硅酸盐水泥。 其主要性能指标见表2。

1 .3 矿物掺和料

矿物掺和料为粉煤灰。粉煤灰为Saudi Building Mixtures Ltd CO.生产的F类粉煤灰， 其主要性能指标见表3。

1 .4 减水剂

减水剂能够有效的减少单方用水量，改善浆体的工作状态，增加了浆体黏聚性，从而使其更好的包裹在骨料的表面，且本次试验采用的减水剂有着明显的“减水增强”作用。本文所选取的减水剂为聚羧酸系高性能缓凝型减水剂， 其基本性能指标见表4。

2 配合比确定及试验方法

2.1 配比确定

本配合比以沙特阿拉伯xxxx项目技术要求为背景，孔隙率要求大于20%，渗透率不小于0.015m/s,混凝土标号为C16/20，因此配合比设计以上述指标，作为基本参数，进行配合比设计，再根据粗骨料的紧密堆积密度确定单方粗集料用量，再根据实际试拌结果，进行配合比修正。配合比数据见表5。

2.2 成型方法

无砂混凝土不同于普通混凝土的生产和制作,由于主要是通过粗集料表面直接裹上一层水泥浆,水泥浆的多少和稠度的大小不仅直接影响到无砂大孔混凝土的强度、而且主要影响到无砂混凝土孔隙的大小。

无砂混凝土生产程序，采用先将骨料与50%的搅拌用水搅拌30s，再将粉料加入搅拌60秒，最后将剩余的水和外加剂同时加入，再次拌合60秒。为了避免因机械振捣成型造成混凝土试块底部沉浆，采用圆柱体金属锤手工插捣成型，抗压试块采用φ150300mm的圆柱体试块，孔隙率和渗透系数试验采用φ100200mm的圆柱体试块，分别标准养护7d、 28d进行各项检测。

2.3 孔隙率测试方法

孔隙率测试按照ASTM C1754密度和孔隙率测试方法进行。测试步骤如下：

（1）用游标卡尺和ASTM C1542/C1542M试验方法中的步骤确定试样的平均长度L。记录平均长度到最近的0.25毫米[0.01英寸]。

（2）测定平均直径D，其最接近0.25 mm [0.01 in]。通过用游标卡尺在样品的中间高度处以直角测量两根直径的平均值。

（3）干燥，将样品放置在温度为110±5℃的烘箱中，烘24±1 h，然后将试样在室温下冷却1-3小时，直到样品冷却到大约50℃左右，确定其质量。再将样品放回烘箱烘2小时，冷却后再次测定质量。每两小时重复此步骤，直到后续两次质量测定的差值小于0.5%。将此干质量记录为A。

（4）将样品放于水中，直立保持30±5分钟，确保样品完全被水淹没，等间距旋转轻敲击样品10次，保证排除透水性混凝土内部的气体，仍保持试样处于水下，将其翻转，并确定水下质量B，至最近的0.5 g [0.001 1b]。

（5）测量用于测定样品水浴中的水的温度。

A =标本的干质量，g [Ib]，

D =试件的平均直径，mm [in.]，

L =试件的平均长度，mm [in。),而

K = 1273 240国际单位或2200[lb]单位。

B =试样的水下质量，g [lb]

=水温度下的水密度。kg/m3[b/f]。

2.4 透水速率测试方法

本文采用英国规范BS ISO 17785-1透水性混凝土试验方法：透水速率检测。

如图1所示。 试验时将养护龄期的混凝土试块置于透水套筒中， 采用一定用三层收缩包裹将试件包裹起来，并将垂直缝全程缠绕。即使是样品的底部也要修剪包裹层，在顶部留出至少50毫米的边缘，然后用加热枪加热包装，使包装在样品的垂直表面上收紧，这样可以防止水在包装和样品表面之间。包装的内表面应在离样品顶部15mm和25mm的距离处用两条线标记或划痕。

开始检测前将样品直立放置在漏斗中，让其从底部自由流出。以足够水头保持在两条标记线之间的速度向标本中注水。对直径为100毫米的样品使用1000ml的水进行湿润。

检测时以足够的速度将水倒入样品中，使水头保持在两条标记线之间，直到使用了测量的水量。当水冲击透水性混凝土表面时就开始计时。当渗水表面不再有自由水时停止计时。预润湿完成后5min内开始测试。记录水的量(直径为100mm的样品为2000ml)到最近的10ml，记录测试持续时间(t)到最近的0.1秒。

渗透性的计算

k =入渗速率(mm/s)

V =渗水体积(mm3)

A =试件的横截面积(mm2)

t =所测水量渗入混凝土所需的时间(s)

图1 ：实验装置及尺寸

2.4 抗压强度测试

无砂混凝土试块抗压强度按照BS EN 123903 Testing hardened concrete part3:Compressive strength of test specimens 进行。

3 试验结果与分析

3.1 试验结果见表7

3.2 试验结果分析

3.2.1 骨料级配与强度关系

由图2可以看出， 配比1、2、3所对应的无砂混凝土强度，骨料级配为5mm～20mm的抗压强度最高，其次级配为5mm～10mm，级配为10mm～20mm抗压强度最低。由此可以看出连续级配骨料堆积密度大孔隙率低，试配的混凝土强度也相对比较高。而相对于两种单粒级石子，由于骨料堆积骨料之间的孔隙率大，骨料之间接触的点相对于连续级配少很多，从而造成强度的降低。对比相同水胶比的1、2、3配比，提高胶凝材料的用量可以明显提高混凝土强度，这与普通混凝土相似。当无砂混凝土受压面有一部分的孔隙，无砂混凝土的承载力主要由骨料之间的点接触承载，比较容易产生应力集中。在一定的级配下，骨料的状况和缺陷决定了混凝土的承载极限，7d后胶凝材料强度的增长也弥补不了骨料缺陷造成的影响 。[1] 因此后期强度增长有限。

图2：胶凝材料、骨料级配和抗压强度关系图

3.2.2 胶凝材料用量、 骨料级配与透水混凝土孔隙率、 透水率的关系如图4、 图5所示。

通过图3与图4可以看出，同一配比无砂混凝土，骨料级配越单一，骨料之间的空隙越大，从而使得混凝土孔隙率、透水率越大。因此单一级配骨料由于其自身堆积孔隙率大的原因，促使生产的混凝土孔隙率也相对较大。综上所述，无砂混凝土孔隙率越大，相应透水率也越大，透水效果更为明显。

通过图3与图4的对比分析可以看出，同一级配的骨料随着胶凝材料的降低， 生产的混凝土孔隙率与透水率却得到了提高。再结合图2可以看出，透水率随着混凝土孔隙率的减小而降低，而强度则随着透水率的降低而提高，可见透水混凝土的强度与透水率是相互制约的，配制混凝土时这两项指标要引起重视。

4 施工工艺

由于无砂混凝土本身比较干硬，混凝土从搅拌到浇筑时间不宜过久，最好不宜超过超过60min。 浇筑前建筑物基础必须用水湿润，否则建筑物基础吸收浆体中的水分容易造成混凝土加速凝结，从而减弱骨料与浆体的粘接程度。在实际应用过程中应减少用于浇捣、压实、抹面和接缝时间，从而降低浆体水分的流失。

无砂混凝土浇筑过程中不宜进行强烈振捣与夯实， 施工中宜应用平板振动器振捣铺平即可。不能用高频振动器，避免混凝土过于密实降低透水性能， 振捣过程中避免水泥浆体从骨料表面离析出来，在底部形成一个不透水层使混凝土失去透水性能。无砂混凝土的养护非常重要，因其容易失水干燥快，尤其是早期养护非常重要，浇筑后使用塑料薄膜覆盖，凝结硬化后采用浇水养护， 控制混凝土湿养护时间不少于7d。[2]

结语

结合项目当地原材料特性，通过筛选不同级配的骨料，根据设计强度计算并调整出合适的胶凝材料用量，可以生产出不同强度和孔隙率的透水混凝土，确定其最佳状态，强度可以达到C16/20等级以上，透水率可以达到15mm/s以上，通过根据实际需要调整配合比，就可以满足项目使用要求。

参考文献：

[1] 马雪英. 杨欣.吕兴国 透水混凝土的研究与应用.科技导航.2009.12

[2] 邢文. 葛运成 透水混凝土生产技术研究[期刊论文] - 混凝土世界 2014(12)