摘  要：本文对无砂混凝土性能的影响因素进行分析，结合海滨大道北段二期工程无砂混凝土排水层的设计要求，设计了五种无砂混凝土配合比，研究了水灰比对无砂混凝土强度和透水性的影响，通过试验结果比较分析，确定出满足工程要求的配合比。

关键词：无砂混凝土；水灰比；透水性能；抗压强度

1  前言

      无砂混凝土是由粗骨料、水泥和水拌制而成的一种非封闭性多孔混凝土，其内部含有很大比例的贯穿性孔隙，因而具有透气、透水、吸音和重量轻的特点，对改善城市热环境、地表土壤生态环境、吸声降噪等方面效果显著，在城市透水性路面、水工建筑、排水系统反滤层等方面的应用备受关注。作为绿色生态混凝土，无砂混凝土的研究开发受到越来越多的重视。我国住房建设部于2009年颁布实施了相应的规范（CJJ/T135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》），指导无砂混凝土配合比设计。

     无砂混凝土在国外的研究和应用越来越多，国内对无砂混凝土的研究仍然处于起步阶段，过去由于缺少相应的标准规范指导，对无砂混凝土配合比的设计和透水系数的测试方法研究较少，本文结合海滨大道北段二期工程（疏港三线立交-蛏头沽）排水层无砂混凝土配合比设计，研究了在粗骨料一定的情况下，水灰比对无砂混凝土抗压强度和透水系数的影响，为高性能无砂混凝土配合比的设计提供理论依据。

2  无砂混凝土性能影响因素分析

2.1  孔隙率

为迅速排走雨水，必须保证无砂混凝土有足够的孔隙。但是孔隙过多或者过大，会导致材料强度降低和耐久性不好；孔隙过少或太小，又会影响无砂混凝土的透水性能。在无砂混凝土配合比设计中，通常是先设定目标孔隙率，再进行其他参数的计算。

在无砂混凝土结构中，孔隙有三个部分组成：连通孔隙、半连通孔隙和封闭孔隙。连通孔隙是相互连通的空隙；封闭孔隙是和其他孔隙不连通、孤立的那部分孔隙；半连通孔隙也称死孔隙，它有一端与其他孔隙连同，另一端封闭。从排水的角度，孔隙又分为有效孔隙和无效孔隙。有效孔隙是指能通过水、排出水的孔隙。从水流动的角度讲，只有相互连通、不为集合水所占据的孔隙才是有效的。半连通孔隙中的水是相对停滞的，从水运动的角度来讲是无效的，但是对于排水时它又起到缓存的作用，所以它也是有效的。因此有效孔隙由连通孔隙和半连通孔隙两部分组成，封闭孔隙则是无效孔隙。我们通常所指的空隙是指有效空隙。

2.2  水灰比（W/C）

水泥浆体能否均匀包裹在骨料表面，形成一定厚度的包裹层，是决定无砂混凝土抗压强度和透水系数的重要因素。对特定的某一骨料，无砂混凝土都会有一最佳水灰比，当实际水灰比小于最佳值时，水泥浆体因过于干燥而不易均匀包裹在骨料表面，使骨料之间粘结不牢，不利于强度的提高。反之，如果水灰比过大，水泥浆体可能把透水孔隙部分或全部堵死，影响了无砂混凝土的透水性能。所以确定一个最佳水灰比对无砂混凝土强度和透水性能有很大影响。

2.3  灰骨比（C/S）

在无砂混凝土结构中，增大灰骨比，即增加水泥用量，从而增加骨料周围所包覆的水泥薄膜厚度，增大了粘结面，可有效的提高无砂混凝土强度，图3.1为无砂混凝土结构模型。但由于粘结面增大，会降低孔隙度，减弱透水性。因此，在保持无砂混凝土合理透水性前提下，尽可能提高水泥用量，才能比较合理地选定灰骨比。另外，由于小粒径骨料比大粒径骨料具有较大的比表面积，为保持水泥膜的合理厚度，小粒径骨料的灰骨比应适当比大粒径骨料大一些。

图2.1  无砂混凝土的结构模型

2.4  骨料粒径

用作排水或反滤的无砂混凝土的组成结构为骨架孔隙结构，这与传统的密实骨架结构的设计方法是不同的。普通混凝土为了提高骨架密实程度，往往会选用连续级配的粗骨料，粗骨料之间形成了较好的石一石接触，细集料填充了粗骨料之间的孔隙，从而达到密实结构。无砂混凝土要求具有一定的孔隙率以便能充分的排水或透水，所以在骨料粒径的选择上非常严格。骨料粒径越小，骨料的堆积密度越大，颗粒间的接触点越多，配制的无砂混凝土强度越高，透水性越低。骨料粒径越大，比表面积越小，所形成的结构骨架单位体积内骨料颗粒之间接触点数量少，胶结面积越小，可以提高无砂混凝土的透水性，但会降低强度。因此选择级配优良且粒级单一的碎石是配制无砂混凝土的关键之一。

2.5  水泥用量

无砂混凝土是由粗骨料颗粒与水泥胶结而成的多孔结构，胶结料的用量是决定混凝土强度的关键因素。无砂混凝土不同于普通的密级配混凝土，因其透水率的要求，因此其孔隙率要求较大，又要满足一定的强度和刚度要求，则水泥剂量相对较高。但是，无砂混凝土水泥用量偏高时，多余的浆体填充混凝土内部空隙，影响无砂混凝土渗透性，而且过高的水泥剂量也会使材料产生较大的干缩性和温缩性；水泥用量偏低时，骨料表面与水泥界面粘结强度低。因此，选择合适的水泥用量对无砂混凝土配合比的设计非常重要。

3  无砂混凝土配合比设计及结果分析

3.1  原材料

（1）水泥：唐山六九水泥厂生产的六九牌P·O42.5水泥，其主要技术指标如表1所示；

（2）骨料：根据《透水水泥混凝土路面技术规程》（CJJ/T135-2009）标准规范要求，粗骨料可以选用2.4～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～13.2mm三种规格尺寸，查阅大量研究资料可以看出，在水泥用量和水灰比一定的情况下，粒径为4.75～9.5mm时无砂混凝土的强度和透水性能最合理，所以本次研究选用粒径为4.75～9.5mm的单粒级石子，其主要性能指标如表2所示。

（3）水：自来水。

表1  水泥技术性能指标

项目	凝结时间（min）		抗折强度（MPa）		抗压强度（MPa）
	初凝	终凝	3天	28天	3天	28天
试验数据	188	245	4.4	10.2	21.7	48.4
标准要求	≥45	≤390	≥3.5	≥6.5	≥16.0	≥42.5

表2  粗骨料技术性能指标

粒径/mm	表观密度/（kg/m3）	紧密堆积密度/（kg/m3）	空隙率/（%）
4.75～9.5mm	2770	1618	42

3.2  配合比设计

根据CJJ/T135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》中无砂混凝土配合比设计的规定和实际的工程要求，设计了五种不同的配合比，通过试验确定满足工程要求的配合比。

3.2.1  确定主要参数

（1）粗骨料用量Gs

根据公式Gs =ρG×α（ρG-粗骨料紧密堆积密度，α-粗骨料用量修正系数，取0.98），得出本次试验粗骨料用量为1586 kg/m3。

（2）目标空隙率Rvoid

无砂混凝土目标空隙率的确定是根据实际使用要求来确定的，主要是为了满足透水性能的要求。海滨大道北段二期工程（疏港三线立交-蛏头沽）排水层无砂混凝土要求孔隙率在15%～20%之间，所以本次研究设定目标空隙率为20%。

（3）水灰比Rw/c

水灰比对无砂混凝土性能有很大的影响，对特定的某一骨料，无砂混凝土都会有一最佳水灰比，所以试验选取了五种水灰比（0.25、0.30、0.35、0.40和0.45），分别研究了不同水灰比对抗压强度和透水性能的影响，确定一种最佳水灰比。

（4）胶结料浆体体积Vp

根据公式Vp = 1-α*（1-νc）-1*Rvoid（νc—粗骨料紧密堆积空隙率；），得出Vp为0.2316m3/m3。

（5）水泥用量Wc

根据公式Wc/ρC +Ww/ρw =Vp （Ww—水的用量；ρC，ρw—水泥和水的密度）和所取五种水灰比，可以得出水泥和水的用量，具体原材料用量如表3所示。

表3  不同水灰比下的配合比数据

配合比 编号	水灰比	原材料用量/（kg/m3）
		水泥用量	水	碎石
1	0.25	405	101	1586
2	0.30	372	112
3	0.35	344	120
4	0.40	321	128
5	0.45	300	135

3.2.2  试验结果及分析

按照表3计算的5种配合比分别试拌、成型和养护，依据GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行28天抗压强度试验，依据CJJ/T135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》中的测试方法进行透水系数的试验，试验结果具体如表4所示，图1为水灰比为0.30时成型的无砂混凝土试块，图2为劈裂后的无砂混凝土试块断面，图3为水灰比对抗压强度的影响，图4为水灰比对透水系数的影响。

表4  不同水灰比的试验结果

配合比编号	水灰比	28d抗压强度 （MPa）	透水系数 （mm/s）	实测空隙率 （%）
1	0.25	25.2	0.42	13.6
2	0.30	23.6	1.14	16.8
3	0.35	13.4	1.32	18.9
4	0.40	10.9	0.65	12.2
5	0.45	8.7	0.28	9.1

图1  水灰比为0.30时成型的无砂混凝土试块

图2  为劈裂后的无砂混凝土试块断面

图3  水灰比与28天抗压强度的关系

图4  水灰比与28天渗透系数的关系

（1）水灰比对抗压强度的影响                       

从图3可以看出，随着水灰比的逐渐增大，无砂混凝土的抗压强度逐渐减小，这是因为随着水灰比的逐渐增大，水泥浆过于稀薄，水泥浆从骨料颗粒表面滑下，包裹粗骨料颗粒表面水泥浆厚度过薄，因此强度逐渐减小。当水灰比为0.25时，无砂混凝土抗压强度达到23.6MPa，当水灰比为0.45时，无砂混凝土的抗压强度仅为8.7MPa，不同水灰比的抗压强度之差可以达到14.9MPa，因此，在实际的工程应用中，应尽可能选择合理的配合比，在满足强度要求的同时，也可以节约成本。

（2）水灰比对透水性能的影响

由表3.4和图3.4可以看出，当水灰比为0.25～0.35之间时，随着水灰比的逐渐增大，透水系数也是逐渐增大，这是因为在水灰比较小时，水泥浆因过于干燥而不能均匀的包裹在骨料周围，有效孔隙较少，所以透水效果不好；随着水灰比的逐渐增大，浆体的粘聚性逐渐提高，形成的无砂混凝土结构比较理想，有效孔隙增加，透水系数也增加。水灰比为0.35时，透水系数达到最大值；当水灰比大于0.35时，透水系数逐渐减小，这是因为水灰比越大时，水泥浆的流动性过大，水泥浆可能把透水空隙部分或全部堵死，导致无砂混凝土的有效空隙减小，渗透系数也随着减小。

根据实验结果和数据分析可以看出，水灰比为0.30时，混凝土的抗压强度和透水性均能满足强度等级C20的无砂混凝土性能要求，满足孔隙率在15%~20%之间的工程技术要求，具体配合比数据如表5所示。

表5  确定的配合比

粗骨料粒径 （mm）	粗骨料用量 （kg）	水泥用量 （kg）	水用量 （kg）	抗压强度 （MPa）	渗透系数 （mm/s）	孔隙率 （%）
4.75～9.5	1586	372	112	23.6	1.14	16.8

4  工程应用

随着公路建设的发展，特别是高等级公路的建设，水对公路路基路面的毁坏日显突出。积水的渗透和毛细水的上升可导致路基湿软、承载力降低；重者会引起路基冻胀、翻浆或边坡塌方，甚至整个路基沿倾斜基底滑动；进入结构层内的水分可浸湿无机结合料处的粒料层，导致基层强度下降，因此设置具有支撑、透水、反滤三种用途的无砂混凝土排水层对公路工程具有重要的意义，对于减少公路水毁损失，减少路基路面渗透破坏，延长公路的使用寿命，节约公路运营维护成本具有现实意义。依据本研究所设计的配合比，在海滨大道北段二期工程（疏港三线立交-蛏头沽） 中进行了实际的应用，所铺筑的无砂混凝土排水层满足设计要求，取得了良好的使用效果。

5  结论

（1）水灰比对无砂混凝土抗压强度和透水性能影响非常大，水灰比为0.25和0.45时所配制的无砂混凝土抗压强度之差可超过10MPa，在粗骨料一定的情况下，水灰比为0.30时，可以形成较为理想的无砂混凝土结构，抗压强度和透水性能均满足强度等级C20的无砂混凝土性能要求；

（2）影响无砂混凝土透水性能和强度的因素很多，除水灰比之外，骨料粒径和水泥用量也是非常重要的影响因素，在今后的研究中，我们会重点探讨这几方面对无砂混凝土性能的影响，为实际工程应用提供理论依据；

（3）根据第3章节所确定的配合比，在海滨大道北段二期工程（疏港三线立交-蛏头沽） 中进行了实际的应用，所铺筑的无砂混凝土排水层满足设计要求，取得了很好的使用效果；

（4）无砂混凝土作为一种环保型生态混凝土，由于其强度不高，应用范围也受到限制，今后应加快研究高性能无砂混凝土的步伐，使其在建筑行业得到更好的推广和利用。

参考文献

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部，《透水水泥混凝土路面技术规程》，中国建筑工业出版社，2009.

[2] 薛丽皎，陈丽红，林友军. 骨料对透水混凝土性能的影响，陕西理工学院学报，2010,26（1）：29-31.

[3] 唐亮. 浅谈无砂混凝土及其在道路工程中的应用，科技资讯，2007，（16）

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知识点：无砂混凝土