第 1 章 绪论
1.1 研究背景及研究意义
近年来,我国城镇化处于高速发展阶段,我国城镇化率在 1980 年时为 19.4%,之后迅速增长,截止到 2014 年已达到 54.7%。城市建成面积在 1981 年时只有 7428平方公里,而截止到 2011 年城市建成面积已增长到 332500 平方公里[1]。但是伴随着城镇化的高速发展,城市建成面积的不断增大,越来越多的城市地表被不透水材料所覆盖。这使得原本该渗入地下的雨水难以迅速渗入地下,而是先在地表聚集,之后通过城市排水系统排入河流。这样造成城市地表径流增加,如图 1-1 所示。而当降水量超过城市排水能力时,就会引发城市内涝。城市地下水位也因为得不到补充而逐渐降低,容易引发城市下沉,造成城市热岛效应的加剧。而本该渗入地下的雨水都随着排水系统进入河流后,会造成河流洪峰增多增强[2]。这些问题都严重影响了城市居民的生活生产和人居环境。为了解决城镇化中带来的负面问题,政府在2013 年首次提出海绵城市的概念,并在 2015 和 2016 年相继推出了推进海绵城市建设的相关政策。
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1.2 透水混凝土国内外研究现状
透水混凝土,又被成为无砂混凝土、多孔混凝土、大孔混凝土等,可以将其称为“一种由水泥结合而成的开放级配混凝土”。如图 1-2 所示,透水混凝土由白色区域代表的粗骨料以及灰色区域代表的胶凝材料和其间未填充的孔隙构成。也可以掺入少量细骨料改善透水混凝土性质,但总体上可以认为透水混凝土是由胶凝材料包裹的粗骨料紧密堆积而成的多孔结构[4]。当掺入细骨料时,将细骨料视为胶凝材料砂浆的一部分,那么可以将透水混凝土视为粗骨料、胶凝材料和界面过渡区的三相结构,其中粗骨料作为骨架承担强度,而其间的连通空隙作为透水通道。因其这样特殊的结构特征,使得透水混凝土具有普通混凝土所无法达到的透水性能,可以有效解决城镇化中地面硬化所带来的城市内涝、城市热岛效应等问题,但其强度会较普通混凝土降低[5]。
透水混凝土最先由英国人在 1852 年由于工程中缺少细骨料而开发出无砂透水混凝土。但对透水混凝土的详细研究和使用要等到 100 年后。上世纪 60 年代,美国开始对透水混凝土的研究[6]。日本在 20 世纪 60 年代,与现今中国推广的“海绵城市”建设相类似,推广“雨水返还地下战略”,逐渐加强对透水混凝土的相关研究[7]。而我国对透水混凝土的研究起步较晚,在上世纪 90 年代才逐步展开。在1993 年,国内研究机构通过大量试验研究首次研制透水混凝土。但现今透水铺装在城市建设地面中的使用普及率仍然偏低,主要是因为透水混凝土的相关制备施工技术、改性改善方法、破坏机理以及其配合比设计方法都有待进一步的研究和讨论。
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第 2 章 原材料基本性能
2.1 原材料
2.1.1 水泥
本试验所使用水泥,均为亚泰公司所生产的天鹅牌普通硅酸盐水泥,标号为P.O 42.5,其主要技术指标如下表 2-1 和表 2-2 所示。
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2.2 粗骨料基本性能
2.2.1 粗骨料表观密度测定
表观密度的测试方法如下:称取 0.1kg 表面洗净的粗骨料(m),和一只量程为500ml 的量筒,将量筒湿润,并预先倒入适量体积的水确保这些水可以没过所称量的粗骨料,体积记为 V1。
表观密度的测试结果如下表 2-3 所示,可以计算出粗骨料的平均表观密度为ρ0= 2584kg/m3。
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3.1 裹浆法测定粗骨料比表面积 ................................. 16
3.2 透水混凝土中裹浆厚度实测 ...................................... 19
第 4 章 透水混凝土裹浆法配合比设计 .................................. 43
4.1 透水混凝土裹浆法试验 ..................................... 43
4.1.1 透水混凝土配合比设计 .................................... 43
4.1.2 试件制备、养护及测试 .................................... 46
第 4 章 透水混凝土裹浆法配合比设计
4.1 透水混凝土裹浆法试验
透水混凝土可以视为水泥浆体包裹的粗骨料紧密堆积而成,故透水混凝土中的骨料粒型、级配以及透水混凝土的水灰比以及水泥浆体用量决定这透水混凝土的组成结构,也就影响着其各项性能。而骨料级配对透水混凝土的影响中,在以往研究中发现透水混凝土中粗骨料级配在使用 5-10mm 骨料单粒级级配使有着很好的透水性能,和相对满足要求的抗压强度,而当使用 5-10mm 和 10-20mm 混合级配时,当两者掺加比例为 1:1 时有着最佳的抗压强度值,但其透水性能下降明显。掺加细骨料可以有效提高透水混凝土的抗压强度。在对透水混凝土中的水泥浆体研究中,将水泥浆体、骨料视为透水混凝土组成的两大成分。那么在对于其配合比设计中,本研究将采用以裹浆厚度和水灰比为主要设计参数的思路,设计透水混凝土的配合比。
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结论
本研究主要从透水混凝土的裹浆厚度和水灰比对透水混凝土的抗压强度和透水系数的影响入手,提出了透水混凝土裹浆法配合比设计方案。
其中对于裹浆厚度的研究中,提出了利用分形理论推算粗骨料比表面积的计算公式,并与裹浆法实测粗骨料的比表面积相互验证。为了验证测算出的比表面积值具有参考价值,利用其制备了透水混凝土试件,并使用混凝土裂缝宽度测试仪实测裹浆厚度的方法,测定了透水混凝土中各测点的裹浆厚度和实测平均裹浆厚度。发现实测平均裹浆厚度与设计裹浆厚度相近,认为测算的粗骨料比表面积具有参考价值。分析了裹浆厚度、水灰比与裹浆均匀性之间关系。并且利用所得的比表面积计算公式,将透水混凝土视为水泥浆体和粗骨料两相进行配合比设计。水泥浆体的体积视为粗骨料总表面与裹浆厚度的乘积。以此制备透水混凝土试件,并测试其抗压强度和透水系数。本研究分析发现:
1)透水混凝土中水泥浆体并没有如理想中均匀的包裹在粗骨料周围。
(2)随着透水混凝土水灰比增加,其各个点实测裹浆厚度值分布愈发平均。
(3)随着透水混凝土设计裹浆厚度的增加,透水混凝土中各点实测裹浆厚度值偏离设计值的现象越重。
(4)透水混凝土的抗压强度和透水系数都与裹浆厚度有着很好的相关性。当水灰比一定时,透水混凝土的抗压强度随着裹浆厚度的增加而增加,透水混凝土的透水系数随着裹浆厚度的增加而逐渐降低。
(5)透水混凝土的抗压强度和透水系数与水灰比的相关性不强,水灰比的变化对透水混凝土抗压强度和透水系数的影响远小于裹浆厚度对其的影响。但发现随着水灰比的增加透水混凝土的抗压强度呈现先增加后减小的趋势,而透水系数呈现先减小后增加的趋势,且其转折点都出现在水灰比为 0.28 时。
(6)透水混凝土的抗压强度和透水系数存在着很强的相关性,透水混凝土抗压强度增加时透水混凝土的透水系数会降低。
参考文献(略)