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透水混凝土技术分析和应用毕业论文
透水混泥土技术与其应用研究
高顺平
(理工大学2011级研究生学号:
2011710008专业:
建筑与土木工程)
摘要:
透水混凝土是一种生态环保混凝土,是经过特殊工艺制成的具有连续孔隙的混凝土,具有一定的强度,又有一定的透气透水性。
本文介绍了透水混凝土的定义、特性、材料要求、优越性与施工养护,阐述了透水混凝土的配合比设计与试验方法等容,表明了透水混凝土技术将是解决道路使用要求与排水问题的最佳方案,是今后发展的重要方向。
关键词:
透水混凝土,配合比设计,骨料,透水系数,强度
Perviousconcretetechnologyresearch
Gaoshunping
(Kunminguniversityofscienceandtechnologylevelof2011graduatestudentsID:
2011710008Professional:
ArchitectureandCivilEngineering)
Abstract:
Concreteisaneco-friendlyconcrete,madethroughaspecialprocesswithcontinuousporesoftheconcrete,haveacertainstrength,butalsosomeofthebreathablepermeable.Thispaperintroducestheperviousconcrete’sedefinition,characteristicsof,materialrequirements,advantagesandconstructionmaintenance,Elaboratedtheperviousconcretemixdesignandtestmethodsofcontent,showstheperviousconcretetechnologywillbeusedtosolvetheroadanddrainageproblemofoptimalscheme,isanimportantdirectionforfuturedevelopment.
Keywords:
PerviousConcrete,Mixtureratiodesign,Aggregate,Waterpermeabilitycoefficientof,Strength
为了体现环保节能和可持续发展,在多处“面子工程”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。
针对这些问题,国际上自20世纪90年代后期以美观、安全、无障碍等原则重新规划设计人行道。
通常采用厚实低强度混凝土作为底层,然后再铺上高压混凝土地砖。
这种人行道虽然可以保证轻型交通工具与诸多不当使用状况下的力学需求,但这种不透水的路面也给城市的生态环境带来诸多负面的影响。
由于混凝土铺筑的路面缺乏透水性和透气性,雨水不能渗入地下,致使地表植物由于严重缺水而难以正常生长;不透气的路面很难与空气进行热量、水分的交换,缺乏对城市地表温度、湿度的调节能力,产生所谓的“热岛现象”。
此外,不透水的道路表面容易积水,降低道路的舒适性和安全性。
当短时间集中降雨时,雨水只能通过排水设施排入河流,大大加重了排水设施的负担。
因此人们一直在寻找一种既满足力学需求同时兼顾生态环保需求的路用材料。
透水混凝土(No-finesconcrete)就是可以满足上述要求的一种新型材料。
透水混泥土模型
1、国外研究状况
与国外蓬勃开展的透水混凝土铺装材料的研究情况相比,国对透水混凝土铺装材料的研究明显不足,应用技术水平也较低。
这和我国作为一个混凝土应用大国的地位极为不相称。
这种情况也不适应世界环境保护可持续发展的趋势。
近几年,在国一些科研院所、大学开展了一些透水混凝土的研究工作。
中国建筑材料科学研究院在原国家建筑材料工业局的资助下,于1993年开始进行《透水混凝土与透水性混凝土路面砖的研究》,1995年开始在试点工程中应用,得到用户好评。
1998年通过部级鉴定(建材鉴字1998第27号),专家委员会一致认为“透水性混凝土路面砖的技术性能达到国际先进水平”。
目前已在、、、等地推广应用,受到市政工程设计与建设部门的青睐。
由此可见,透水性混凝土路面有望在奥运工程量应用。
中国建筑材料科学研究院水泥新材所的王武祥对透水混凝土砖作了较多的研究,取得了一定的成果。
他对透水砖的透水机理、种类、强度和透水性与经济效益进行了研究和分析。
其透水混凝土的抗压强度为5~20MPa,抗折强度为1~4pa,孔隙率5%~30%,透水系数为1.0~15.0mm/s。
清华大学的静、国梁等专家采用小粒径骨料,矿物细掺料和有机增强剂等方法,提高透水混凝土道路材料的强度,研制出了力学性能符合国家建材行业标准要求,同时具有良好透水性的混凝土道路材料。
东南大学的高建明等专家对植被型透水混凝土进行了研究,长安大学的木莲等专家对透水混凝土的排水施工等进行了较多的研究。
但是,国对透水混凝土的配合比设计方法和成型工艺以与透水系数的测定等还不够,对透水混凝土的生态环保效益的研究也十分欠缺。
这些问题的解决对透水混凝土材料的应用和推广是十分有利的。
2.定义和特点
透水混凝土通常定义为一种含有较多粗集料、微量或无细集料且无足量水泥的混凝土材料。
通过配合比设计满足具有适当强度、高透水性、无析离等工程需求,主要可以作为无需压密的回填材料或水工材料,抗压强度约在1.5MPa~14MPa之间。
与一般混凝土相比,具有如下特点:
1)透水混凝土比重一般约在1400kg/m3~1900/m3之间;2)热传导系数小;3)水的毛细现象不显著;4)水泥用量少;5)成型时侧压力小,可使用各种轻型模板;6)表面存在蜂窝状孔洞,表面抹平施工方便;7)可以防止雨天路面集水和夜间反光,增加行走舒适性和安全性,同时减轻降雨季节道路排水系统负担;8)可以吸收车辆行走产生的噪音,有利于创造安静舒适的交通环境;9)可以补充城市地下水资源,保护土壤温度,改善城市地表植物和土壤生物的生存条件,有利于生态平衡;10)可以增加城市可透水透气面积,调节城市气候,降低地表温度,缓解城市“热岛”现象;此外,透水混凝土靠自重即可成型,施工简易方便,对于工人的施工技术要求不高更是其主要特色。
3、优越性
3.1、良好的渗水透水性
⑴收集雨水⑵有效补充地下水⑶保持土壤湿度,改善地表植物和土壤微生物的生存条件。
3.2、舒适性
⑴连续铺设使行走舒适⑵防止路面积水和夜间反光,提高人与车辆行走舒适性⑶通透地气,使地面雨季透水、冬季化雪,增加城市居住舒适度。
3.3、安全性
⑴表面粗糙透水性好,不会因积水而滑倒⑵路面无积水,从而减少交通堵塞。
3.4、耐用性(耐磨性接近普通混凝土)。
3.5、易维护性(空隙不会破损、不易堵塞)。
3.6、装饰性,多种外观颜色,制造出格调高雅的城市景观。
3.7、抗冻性
3.8、高强度
3.9、降低热岛效应(此路面具有较大的空隙率,并与土壤相通,能蓄积较多的热量,调节城市大气的温度和湿度,改善城市热循环从而降低热岛效应)。
3.10、降低车辆行驶的噪音(连续、多孔的部结构,具有较大的表面积,入射的声波一部分被反射,大部分通过连通孔隙吸收到混凝土部,即:
声波透过多孔混凝土层,到达多孔混凝土背后的空气层和密实混凝土板表面再被反射,而这部分被反射的声波具有相位差,由于干涉作用互相抵消,从而对减少噪音具有明显效果)。
3.11、减轻道路市政排水设施的负担。
3.12、利于防洪、减少公共水域污染(减少雨季雨水管道向河流的排水量,从而防止水位增高和暴雨过后的城市泛洪,同时减轻公共水域污染)。
3.13、减少扬尘、净化空气
⑴此地面空隙多,对粉尘有较强的吸附力,吸附汽车尾气等⑵所积蓄的水分,变成蒸汽与空气中漂浮的污染物颗粒结合,使之坠落,从而净化空气。
3.14、有利于城市植物的生长
良好的透水、透气性,能够提供树木花草生长所需要的呼吸和水分。
4、透水性的确定:
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。
有效空隙比确定原理图
5、材料要求
透水混凝土使用的材料是由一般的水泥、粗集料和水拌和而成,有时也可加入少量砂。
粗集料可以是碎石、卵石,也可以是人造轻集料或再生集料、工业的炉渣废料以与其他强度较高的建筑废弃物等。
其强度的形成主要依靠粗集料表面的水泥浆体,保证集料表面接触互相固结,形成多孔隙的结构体,因此具有相当大的透水性。
使用的水泥、集料等要求见下表1。
表1透水混凝土的材料要求
材料名称
要求
水泥
1)满足规要求;
2)使用粒径趣小,水泥颗粒也应相应变小。
集料
1)粗集料应为单一级配。
如10mm~20mm,10mm~30mm等不宜小于5mm或大于40mm;
2)粗集料的针片状总量不宜大于15%,集料含泥量不宜大于1%。
6、配合比设计
透水混凝土的配合比特点是采用单粒级粗骨料作为骨架,水泥净浆或加入少量细骨料的砂浆薄层包裹在粗骨料颗粒的表面,作为骨料颗粒之间的胶结层,形成骨架一空隙结构的多孔混凝土材料。
可以看出透水性混凝土是粗骨料颗粒间通过硬化的水泥浆薄层胶结而成的多孔堆聚结构,部含有较多的孔隙,且多为直径超过1m的大孔,因此具有良好的透水性。
6.1、配合比的设计原则
配合比的设计原则是将骨料颗粒表面用一层薄水泥浆包裹,并将骨料颗粒互相黏结起来,形成一个整体,使之既具有一定强度,又确保骨料间存在一定的孔隙。
1m3透水混凝土中的骨料、水泥与水的用量之和约为1600~2100kg,根据这个原则,可以初步确定透水混凝土的配合比。
世博会工程未对透水系数提出具体要求,只是在保证透水混凝土工程所要求达到的强度下,确定透水混凝土的透水性能即可。
6.2、原材料选择
透水混凝土原材料选择的主要依据是:
水泥强度等级和粗骨料的类型、粒径与级配。
6.2.1、水泥
水泥作为透水混凝土的主要黏结材料,可有效提高混凝土的强度。
我们采用的是P.O42.5水泥,其用量以刚能完全包裹骨料的表面为最佳,因水泥用量过多不仅会降低透水性、增加成本,还会增大混凝土收缩量,易出现裂缝,并降低混凝土强度。
6.2.3、粗骨料
作为混凝土的骨架材料,其粒径应视混凝土结构的厚度、强度、透水性而定。
我们采用料径为5~25mm级配的碎石,且要求碎石的质地坚硬、界面条件较好、针片状含量低等。
经检测,其堆积密度为1600kg/m3。
6.2.3、外加剂
可根据环境温度、运输距离以与现场状况等添加外加剂。
外加剂主要用于调整混凝土的凝结时间和减少水的用量,其目的是在一样孔隙率的情况下可提高混凝土的强度。
外加剂的用量以水泥和骨料不离、水泥能包裹住骨料时的用量为最佳。
我们采用了众顺建材科技生产的ZS-I(B)泵送剂。
6.2.4、掺合料
所用掺合料为粉煤灰,它能有效改善混凝土的施工和力学性能、减少混凝土的需水量和避免混凝土拌合物出现离析、泌水的现象,以改善工作性能。
6.2.5、拌合水
拌合水与养护水均采用一般自来水。
6.3、配合比的确定
6.3.1、水灰比
水灰比大小既会影响混凝土的强度,又会影响其透水性。
一般情况下,水灰比介于0.25~0.35。
但在实际工作中,往往是根据经验来确定水灰比。
具体方法是取一些拌和好的混凝土拌合物,观察其水泥浆在骨料颗粒表面的包裹是否均匀、有无水泥浆下滴的现象与颗粒有无类似金属的光泽等,如符合以上情况,则说明水灰比较为合适。
6.3.2、用水量
普通骨料的用水量一般为80~120kg/m3。
6.3.3、骨料用量
每立方米混凝土所用的骨料总量,可依据取骨料的紧密堆积密度的数值来确定。
6.3.4、水泥用量
根据骨料的体积空隙率与胶凝材料在骨料的填充率为25%~50%来确定水泥用量。
通常水泥用量为300~450kg/m3。
6.3.5配合比(见表2)
表2混凝土配合比与物理力学性能
配合比
物理性能
水泥
碎石
粉煤灰
外加剂
水
28d抗压
孔隙率
kg/m3
Mpa
%
380
1600
20
6.00
95
30.1
28.3
380
1600
20
6.30
95
27.9
23.5
430
1600
20
7.65
95
41.5
15.5
400
1600
20
6.30
95
39.6
17.6
透水混凝土与普通混凝土相比有着独特的结构特点,因此其在配合比设计上也存在很大的不同。
本研究从透水混凝土的结构特征出发提出的一种配合比设计方法,具有思路简洁,各设计指标物理意义明确直观的特点,避免了使用经验公式和经验曲线,且通过试验证明此配合比设计方法是切实可行的。
7、施工工艺
7.1、不同施工工艺对混凝土性能的影响在配合比一样(水泥380kg/m3、石子1600kg/m3、粉煤灰20kg/m3、外加剂6kg/m3、水95kg/m3)的情况下,不同施工工艺的混凝土物理力学性能见表3。
表3不同施工工艺的混凝土物理力学性能
成型方式
物理性能
28d抗压强度/Mpa
空虚率/%
手工插捣10次
30.1
28.3
机械振捣10s
32.3
26.6
手工插捣10次+机械振捣10s
34.6
23.5
机械振捣20s
36.9
20.9
从表3可看出,机械振捣时间越长,孔隙率越小、堆积越紧密,强度也越高,但透水系数会越小;采用手工插捣10次+机械振捣10s的方式制作的混凝土,强度和透水系数会有很好的结合点。
而机械振捣20s制作的混凝土虽强度有所提高,但孔隙率降低很多,即透水系数降低很多,这是因为振捣时间过长,使水泥桨大多沉积在下部,上部只是粗骨料堆积在一起,缺少胶结力,所以对强度和透水系数都不利。
7.2、混凝土养护方法
由于透水混凝土存在大量孔隙,且多为连续孔,因此易失水,干燥很快,故研究适当的养护方法来保证混凝土强度的正常发展很重要。
在早期养护中,应注意避免混凝土中水分的大量蒸发。
我们对配比一样(每m3中的水泥、石子、粉煤灰、外加剂、水分别为380、1600、20、6.95kg),采用人工捣实方法成型的混凝土分别进行了标准养护、自然养护以与覆盖薄膜保湿养护,这3种养护方法对混凝土抗压强度的影响见表4。
表4不同养护方法对透水混凝土抗压强度的影响
养护方法
抗压强度/Mpa
7d
28d
标准养护
19.8
30.1
自然养护
16.5
22.9
覆盖薄膜养护
18.2
29.6
从表4可看出,自然养护对透水混凝土的强度发展非常不利,7d和28d强度均较低。
覆盖薄膜养护的保湿养护效果很好,与试验室标准养护相当。
这是由于薄膜保证了透水混凝土胶结浆体持续充分水化所需的水分,水泥桨体强度发展顺利,强度也就较高,因此,覆盖薄膜保湿养护对透水混凝土是十分适用而有效的方法。
8、结语
透水混凝土在国还处于发展阶段目前还只应用在新建、扩建、改建的市政工程、室外工程、园林工程中的人行道、步行街、居住小区道路、非机动车道和一般荷载的停车场等路面工程。
随着研发的进一步深入,透水材料的改进,它的应用前景会更加宽广。
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