透水混凝土在城市海绵体建设中的配合比优化研究

引言：城市海绵体是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用。透水混凝土具有良好的透水性、透气性、高承载力等特点，能够有效增加城市地表的透水面积，减少地表径流，补充地下水，缓解城市热岛效应，是城市海绵体建设中的重要材料。然而，透水混凝土的配合比设计直接影响其性能，合理的配合比能够提高透水混凝土的透水性、强度和耐久性，因此对透水混凝土在城市海绵体建设中的配合比优化进行研究具有重要的现实意义。

一、透水混凝土的性能特点及影响配合比的因素

1.1 透水混凝土的性能特点

透水混凝土是由骨料、水泥、水及外加剂等按一定比例拌制而成的一种多孔轻质混凝土。其内部存在大量连通孔隙，这些孔隙使得雨水能够迅速透过混凝土表面，渗入地下，从而实现透水功能。同时，透水混凝土还具有一定的强度，能够满足城市道路、广场等场所的使用要求。此外，透水混凝土的透气性良好，有助于改善城市微气候，降低城市温度。

1.2 影响透水混凝土配合比的因素

骨料：骨料的粒径、级配和形状对透水混凝土的透水性和强度有重要影响。一般来说，骨料粒径越大，透水性越好，但强度可能降低；合理的骨料级配能够提高混凝土的密实度和强度。骨料的形状也会影响混凝土的性能，圆形骨料比棱角状骨料更容易形成良好的骨架结构。

水泥用量：水泥用量是影响透水混凝土强度和耐久性的关键因素。增加水泥用量可以提高混凝土的强度，但过多的水泥会填充骨料间的孔隙，降低透水性。

水灰比：水灰比对透水混凝土的工作性能和强度有显著影响。水灰比过大，混凝土易离析、泌水，强度降低；水灰比过小，混凝土拌合物工作性差，难以施工。

外加剂：外加剂如减水剂、增强剂等可以改善透水混凝土的工作性能和强度。减水剂能够减少用水量，提高混凝土的强度；增强剂可以提高骨料与水泥石之间的粘结力，增强混凝土的强度和耐久性。

二、透水混凝土配合比优化研究方法

2.1 正交试验设计

正交试验设计是一种研究多因素多水平的试验设计方法，它可以从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，通过对试验结果的分析，找出最优的试验方案。在本研究中，选取骨料粒径、水泥用量、水灰比和外加剂掺量作为试验因素，每个因素选取 3 个水平，采用 L9(3⁴) 正交表进行试验设计。

2.2 试验材料与设备

试验材料：选用粒径为 5-10mm 、 10-15mm 的碎石作为骨料，普通硅酸盐水泥，自来水，聚羧酸减水剂和硅灰增强剂。

试验设备：搅拌机、振动台、压力试验机、透水系数测定仪等。

2.3 试验步骤

按照正交试验设计的配合比称取各种原材料，将骨料、水泥和外加剂加入搅拌机中干拌 1min ，然后加入水湿拌 2min ，制成透水混凝土拌合物。将拌合物分两次装入试模中，每次装料后用振动台振实 30s，抹平表面，制成150mm×150mm×150mm 的立方体试件和直径 100mm 、高度 50mm 的圆柱体试件。将试件在标准养护条件下养护 28d 后，分别进行抗压强度和透水系数测试。抗压强度测试按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，透水系数测试按照《透水水泥混凝土路面技术规程》进行。

三、试验结果与分析

3.1 正交试验结果

通过正交试验得到 9 组不同配合比下透水混凝土的抗压强度和透水系数，试验结果见表 1。

4.2 极差分析

对试验结果进行极差分析，计算各因素不同水平下抗压强度和透水系数的平均值及极差，结果见表 2

从极差分析结果可以看出，对于抗压强度，各因素的影响主次顺序为：骨料粒径 > 外加剂掺量 > 水泥用量 > 水灰比；对于透水系数，各因素的影响主次顺序为：骨料粒径 > 水泥用量 > 外加剂掺量 > 水灰比。

3.3 最优配合比确定

根据极差分析结果，综合考虑抗压强度和透水系数的要求，确定最优配合比为：骨料采用 5-10mm 和 10-15mm 碎石按 1:1 混合，水泥用量为 340kg/ m³ ，水灰比为 0.32，外加剂掺量为 0.5% 。

3.4 最优配合比验证试验

按照最优配合比制备透水混凝土试件，进行抗压强度和透水系数测试，结果为抗压强度为 21.2MPa ，透水系数为 1.6mm/s ，满足城市海绵体建设对透水混凝土的性能要求。

结论

本研究通过优化透水混凝土在城市海绵体建设中的配合比，发现骨料粒径、水泥用量、水灰比和外加剂掺量对透水混凝土的抗压强度和透水系数有显著影响，其中骨料粒径的影响最大。通过正交试验设计，确定了最优配合比为5-10mm和 10-15mm 碎石按1:1 混合，水泥用量 340kg/m³ ，水灰比0.32，外加剂掺量 0.5% 。在此配合比下，透水混凝土的抗压强度为 21.2MPa ，透水系数为 1.6mm/s ，具备良好的力学和透水性能，满足城市海绵体建设要求。本研究为透水混凝土配合比设计提供了科学依据和技术支持，但实际应用中还需根据具体工程要求和原材料情况进行调整。未来研究可探讨不同类型外加剂对性能的影响及透水混凝土的耐久性问题。

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