本讲座讨论透水混凝土混合料设计的关键知识点。
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大家好。今天是本模块的最后一节课，我们讨论的是混凝土混合物的配比设计。今天我们将讨论一种非常特殊的混凝土，即透水混凝土。通常情况下，我们在公路的混凝土铺装中不使用透水混凝土，但在特殊情况下或低流量的设施中，例如步行道或低流量的通道，这种混凝土可以使用。
此外，目前有很多研究正在进行，探索透水混凝土在承受车辆荷载的设施中的应用。
首先，让我们讨论这种混凝土的特点，以及为什么特别需要采用透水混凝土。如果我们观察城市化的增长和当前的建设量，可以预见，在未来几年，环境和原材料使用方面会出现许多问题。随着公路基础设施的发展，我们可以理解，不同类型的道路正将自然的透水地面转变为不透水的地面。这一情况同样适用于混凝土和沥青铺装，因为它们的致密结构具有不透水的特性。
那么，当自然的透水地面被混凝土和沥青等不透水层填充时，会发生什么呢？这会导致各种问题，包括闪洪和非引导性地表径流。当降雨发生时，水没有找到合适的去处，这进一步导致闪洪，造成非引导性地表径流，同时也会因为这种不透水铺装的性质而降低地下水位。水无法渗透到地下进行补给，最终导致水的浪费。
使用透水结构也能减少我们所称的城市热岛效应。城市热岛效应是指，由于城市建筑物的存在，阳光照射后，热量无法有效散发到大气中，从而在地面附近积聚，导致局部温度上升。
针对这些问题，有多种替代方案和方法可以采用，以应对这些影响。透水混凝土的使用是朝这个方向努力的一部分，旨在减少与闪洪、非引导性地表径流、地下水位下降以及城市热岛效应相关的影响。
透水混凝土最终促进了可持续铺装的建设，降低了城市热岛效应的影响。它可以用来管理雨水径流，有助于维持地下水位，并且还可以作为雨水收集的一种方式。这是一种高效且生态友好的工艺，虽然透水混凝土也有其局限性，这限制了它在特定区域和特定类别道路上的使用。
那么，如何定义透水混凝土呢？透水混凝土具有哪些特征？与传统的混凝土铺装不同，透水混凝土由精心选择的粗骨料组成。透水混凝土的结构通常不包含细骨料，这可能会根据我们希望在最终混合物中获得的特性而有所不同。它通常由粗骨料骨架组成，可以是单一粒径的粗骨料，也可以是两种不同粗骨料的组合，这同样取决于我们想要实现的特性。
透水混凝土的特点是其孔隙率通常保持在15%以上，以便水能够顺利流动，从而赋予结构排水能力。透水混凝土的孔隙结构是工程设计的结果，而不是简单地在混凝土中打孔以便水流通过。透水混凝土的强度一般较低，抗压强度通常在5到25兆帕之间，强度越高，透水性通常会降低，因此在强度和透水性之间需要找到平衡。
关于透水混凝土的设计规范，今天我们将讨论的规范是IRC 44。尽管IRC 44对透水混凝土的混合设计有特别的章节，但目前的指导方针仍然存在一些局限性。由于透水混凝土是一项新兴技术，全球各国正在并行探索，没有具体的、标准的混合设计指导方针。
在混合设计过程中，首先需要确定目标强度，这与我们之前的工作类似。例如，我们需要确定抗弯强度或抗压强度等。这里我们首先确定抗压强度，相关的方程将保持不变。
目标强度我们已经知道等于特征强度
这其实很简单：如果你在实验室中测试很多样品，我们期望，例如抗压强度的值是呈正态分布的，因此不能期望所有的值都是相同的。值会有一些变动，这种变动通常呈现为正态分布。所以我们有均值和标准差。那么，1.65 倍的标准差表示什么呢？如果你查看标准正态分布，可以计算出，68% 的区域在一个标准差范围内。类似地，标准正态分布的几乎 90% 的区域在 1.65 倍的标准差范围内。因此，这个 1.65 的含义就是，90% 的值会在这个特定的范围内。因此，目标强度的样本中，不应有超过 10% 的强度低于这个特定值。这就是为什么我们取 1.65 倍标准差的原因。
根据等级，有三种可用的等级，因为这是一个低等级混凝土。根据规范，M10 到 M20 是可选的。因此，根据我们选择的混凝土等级，我们可以选择相应的标准差值。接下来，我们需要选择水胶比。我们的规范 IRC 44 提到水胶比是透水混凝土中的一个重要参数，这一点是正确的，但现有文献也表明，相比于水胶比，水泥与骨料的比例更为关键。透水混凝土也是一种干混合物，是一种零坍落度的混合物。因此，水泥与骨料的比例应选择得当。
然而，现有规范提到我们必须非常谨慎地选择水胶比，因为如果水胶比过高，会降低浆体的粘附力。这里需要理解浆体是什么，它是水泥和水的结合，必须将粗骨料颗粒粘合在一起，并保持粗骨料骨架的稳定。因此，如果水分过多，首先粘附力会减弱，因为水泥与水的比例在降低，浆体会变得过于流动。如果浆体流动性过强，它将无法将骨料颗粒结合在一起，而是会流入存在的孔隙中，而不是很好地包裹粗骨料颗粒，从而保持整体。
浆体的厚度在这里也非常重要，因为如果浆体厚度过大，会影响我们希望创造的孔隙数量。然而，我们也不能使用过低的值，因为这会使混合物过于干燥，并影响最终强度。通过经验可以看出，虽然规范没有说明为什么规定这个范围，但通过各种实验发现，透水混凝土的水胶比范围在 0.26 到 0.45 之间会产生良好的结果，现有文献也指出，在这个范围内选择 0.3 到 0.35 的比例也能提供良好的强度和透水性。
这里不能使用常规混凝土的关系，即我们并不关注水胶比的变化如何影响强度，而是关注浆体厚度的变化如何改变强度特性，因为浆体厚度相比于水胶比更为关键。关于孔隙率，如我所说，孔隙率范围在 15% 到 35% 之间，至少需要 15% 才能称其为透水结构。如果孔隙率降低，水将无法从相互连接的孔隙中流动，这样生产这种混合物的主要目的就无法实现。孔隙率过低将导致透水性不足，正如我提到的，透水性越低，强度越高，这一点是合理的，因此我们需要权衡。
我们必须优化参数，以选择所有比例，使期望的透水性和最小抗压强度之间达到平衡。谈到该规范中提到的名义最大骨料粒径，IRC 44 提供了两个选项：19 毫米和 9.5 毫米。正如我提到的，这是一个研究领域，目前已经尝试了各种其他级配，甚至有研究者表示可以使用最大粒径为 4.75 毫米的骨料来获得理想的特性。通常，名义最大骨料粒径的减小会增加抗压强度，因为表面积增加，从而有更多的水泥浆体与之结合，强度得以提高。然而，如我提到的，没有严格的规范，人们仍在关注这些方面。
关于一些计算，首先需要计算粗骨料中的孔隙量。你可以看到，粗骨料有空隙，这些粗骨料随后将被水泥浆体填充或覆盖，然后留下的区域就是形成的孔隙。因此，我想了解可以形成多少孔隙。为此，我首先关注所选择的骨架，这取决于骨料的形状特性，它们之间会形成多少孔隙。
我们可以使用这个简单的公式来计算粗骨料中的总孔隙量：总孔隙量等于粗骨料的绝对干密度减去粗骨料的干装密度。然而，规范并没有具体说明如何在实验室中评估干装密度。这里还有一个 ASTM 规范也给出了计算透水混凝土中孔隙量的方法。尽管该公式在规范中提到关于粗骨料中的孔隙，但在我们要讨论的混合设计过程中并不是严格使用这个公式。
如果我们知道粗骨料中的总孔隙量，那么我想找出水泥浆覆盖骨料颗粒后剩余的孔隙。理论孔隙率，即透水混凝土混合物中的空间量，应该等于粗骨料中形成的孔隙减去绝对水泥浆体的体积。水泥浆体的体积是我所关心的，因为透水混凝土的孔隙率与此相关。粗骨料之间的干装密度仅在于骨料颗粒，现在这些骨料颗粒将进一步被水泥浆体覆盖。所以你可以想象，骨料之间留下的空间将会减少。因此，我将粗骨料形成的孔隙量减去水泥浆体的体积，而水泥浆体通常由水泥和水组成，如果使用细骨料，那也会成为水泥浆体的一部分。
如果我们知道这些成分的重量，也可以计算水泥浆体的体积。规范中提到，选择平均孔隙率有两种方法，基于目标透水性和目标强度。正如我所说，需要权衡。因此，孔隙率是我希望实现的透水性和目标抗压强度的函数。根据透水性，不同的透水性值，如果我们的值在某个范围内，我们将插值。因此，可以根据体积选择合适的孔隙率。
然而，规范还提到，孔隙率也应基于目标抗压强度进行选择。假设我们使用 9.5 毫米的名义最大骨料粒径混合物，而我们的目标抗压强度在 12 到 18 之间，这意味着我们的孔隙率应在 20% 到 25% 之间。我们将从表中获取一个值，再从另一张表中获取一个值，在混合设计过程中取这些值的平均数。
下一步是计算浆体体积，即水泥和水的体积。浆体体积是根据我们在上一步计算的孔隙率决定的，从两个表中取平均值得出。当你有了孔隙率，就可以从这个表中选择浆体体积。
在这里，你又有两个选择。一个选项是准备一个良好压实的透水混凝土混合物，另一个是生产一个轻度压实的透水混凝土混合物。然而，在该规范中，并没有明确说明什么是良好压实的混合物或轻度压实的混合物。现在可以预期的是，良好压实的混合物是通过重压实法生产的，而轻度压实的混合物是通过轻压实法生产的，这一点在 Proctor 密度测试中已经讨论过。
目前规范的一个缺点是，它没有说明如何在实验室中生产混合物，是否应该以与我们生产的方式相似的方式进行。
在实验室中，答案是否定的。那么如何在实验室中生产这些混合物呢？因为我们在上节课中看到，传统混凝土混合物是通过振动器填充的，DLC 混合物也是如此。但是对于透水混凝土，如果施加振动或重锤搅拌，可能会导致浆体从孔隙结构中流失。想象一下，如果你使用振动，由于振动，水泥浆可能会从孔隙中流出。因此，通常我们使用标准 Proctor 压实机来进行压实。
如果是圆柱形模具，我们通常以 1:2 的比例制作样品，高度与直径之比，并将其分为两层填充。文献中提到，最好分为三层或更多层，但现有的 ASTM 规范提到我们分为两层，每层应使用 2.5 公斤的锤子进行 20 次搅拌。我预计这种轻压实与我们现在讨论的类似。或许良好压实的混合物是指可以使用重压实的方法压实的混合物，但在透水混凝土的情况下，过重的压实又可能会导致骨料破碎。因此，关于良好和轻度压实的具体定义并不明确。
基于孔隙率，你可以选择适当的浆体体积。虽然规范提到有 19 毫米和 9.5 毫米两个选项，但目前我们只有一个表格，这个表格是针对 9.5 毫米的，它假设没有细骨料。这里有一个重要的点是在这个表格中给定的浆体体积仅包括水泥和水，如果你使用了细骨料，它们也会成为浆体的一部分，那么你需要做一些修正。如果在良好压实的条件下，每 10% 的细骨料加入，需要将浆体体积减少 2%。而在轻度压实的条件下，每 10% 的细骨料加入，则需要将浆体体积减少 1%。
假设你使用了 5% 的细骨料，浆体的孔隙率是 20%。如果没有细骨料，孔隙率是 15%，但由于加入了细骨料，我需要按每 10% 减少 2%，5% 的细骨料对应的减少量是 1%。所以，最终浆体孔隙率为 14%。在轻度压实的情况下，每 10% 减少 1%，5% 的细骨料对应的减少量是 0.5%，所以孔隙率将变为 21.5%。希望这对你们是清楚的。
最终，浆体体积等于水泥体积加水体积。即使使用细骨料，我们将 5% 的细骨料视为骨料的体积，而不是浆体体积，尽管它是砂浆的一部分，但我们不将其视为浆体体积。因此，这个浆体体积将包括水泥和水的体积。
这个计算可以进一步简化。浆体体积等于水泥体积加水体积。水泥体积基本上是水泥重量除以比重再乘以 1000，水的体积可以写为水胶比乘以水泥体积。
因此，这可以转化为水胶比与水泥体积（即水泥重量除以比重再乘以 1000）的关系。通过这个表格，你可以知道水胶比，并假设水泥的比重为 3.15，从这个方程中你可以计算出每立方米的水泥重量。一旦获得水胶比的重量，你也可以计算出水的重量。
通过浆体体积，我们可以找出在混合中要使用的水泥和水的数量。之后，这与我们在混凝土混合物中讨论的相似，我们将估算粗骨料和细骨料（如果有的话）的比例，通过计算绝对体积并扣除水和胶凝材料的体积。一旦再次进行计算，这将变得清晰。
我们试图设计的目标是 1 立方米，我们将扣除水泥体积和水体积，以获得骨料的体积。这个骨料体积将包括粗骨料，如果有细骨料，可以使用它们的比重计算粗骨料和细骨料的重量。其他部分实际上保持不变，今天不再讨论，以免重复。
使用比重计算重量后，我们需要进行试验混合，这里我们将制作不同浆体含量的试验混合物。然后选择适当的浆体含量，以满足透水性和强度的要求。
在讨论一些已提到的缺陷之前，我们先看看一些视频，这些视频来自印度的一些研究工作。例如，在透水混凝土中，一个挑战是随着时间的推移，如果你放置透水混凝土，水流入时会携带许多细小材料。这些细小材料可能会在孔隙中沉积，随着时间的推移，这可能会堵塞透水混凝土的混合物，而堵塞是透水混凝土的主要问题之一。这种堵塞通常仅限于顶部几厘米。
可以通过使用加压清洗和扫除的去堵塞过程来移除这些堵塞，但这并不是非常简单，具有挑战性。另一个问题是，传统的养护方法并不适用。在水泥混凝土中，我们可以喷洒水，水会停留在混凝土中，从而提高强度。但在透水混凝土中，如果喷洒水，水会流下去。
虽然采用了多种养护技术，但对透水混凝土样品或透水混凝土层的现场养护仍没有标准指导或适当控制。为了应对这些问题，提高质量控制，可以使用透水砖块。我们的研究团队在印度也进行了透水砖块的研究，优点在于如果堵塞是局部的，可以移除、清洁和更换砖块。此外，由于这是在实验室中制造的预制块，因此对养护和优化混合物的强度特性有更好的控制，这为使用透水砖块提供了积极的角度。
接下来，我们将观看这些视频。我还提供了相关论文的参考，供进一步了解透水砖块和透水混凝土研究的使用。第一个视频来自 IIT Tirupati，YouTube 上可以找到，他们在透水混凝土领域做了很多工作，并在校园内及其周边建造了多个样板，以展示透水混凝土的有效性。让我们快速浏览这些视频，了解一下。
我们将在这个视频中停止。接下来，让我们看看透水砖块的视频。这展示了传统砖块与透水砖块之间的区别，以及生产混合物和砖块的步骤和一些好处。这些是生产的着色砖块。
视频中展示了在生产过程中可以使用的不同模具，以及轻振动的压实过程，接着是脱模。工厂通过不同时间间隔的喷洒水来控制养护。
这是一些经验性的渗透性测试，以展示水是如何渗透的，这里展示了透水混凝土的各种应用。现在让我们来看最后一个视频。这种混合物基本上是使用来自沥青路面的再生沥青骨料生产的，你可以看到生产的砖块非常完整，我们发现这些砖块的抗压强度很好，并且可以看到这些砖块的渗透性非常好。
从这里开始，我们继续。这里有一些参考文献，可以进一步了解透水混凝土混合物和透水砖块。现在让我们快速回顾一下与透水混凝土相关的几个方面。
正如我提到的，现行规范没有提到实验室中的压实方法。如果你希望在实验室中生产透水混凝土混合物，可以使用轻型 Proctor 锤，分为两层，每层施加 20 次冲击，这是一种 2.5 公斤的锤子。规范中没有讨论样品的调理。
一种方法是将样品保持不动 24 小时，然后在水下调理 27 天。另一个用于表征透水混凝土的重要特性是硬化密度或混合物的密度，这可以在经过适当的 27 天调理期后去除样品时测量。你可以将样品放入 50 摄氏度的烘箱中烘烤 7 天，然后计算密度。同时，如我所提到的，你也可以使用 ASTM 方法计算孔隙率。
基本上，你会在 Proctor 模具中压实样品，知道这个模具的体积。首先计算模具的质量以及样品的质量，然后计算密度，公式为模具质量加样品质量减去模具质量。
这将给出样品的质量除以模具的体积，从而得出压实密度。你还可以计算理论密度，即样品质量除以样品体积。样品的质量由不同成分的质量组成，例如水泥质量、粗骨料质量、细骨料质量、掺合料质量等，以及它们的对应体积，这可以通过各自的比重在饱和表面干燥状态下进行计算。
这将等于质量除以比重 1 加上质量除以比重 2，依此类推。然后，可以计算空隙百分比，公式为理论密度减去压实密度，再除以理论密度，乘以 100，以百分比表示。
这是一个重要的计算。此外，我们还希望计算渗透性，有多种方法可用。我们可以使用降头渗透性测试方法，在样品上覆盖胶带，以防水流出。然后需要制作一个装置，将量筒正确连接，以确保水不会流出。标记两个点，假设这些是不同的水头。
首先，你需要完全饱和样品。初始水位在这里，样品将完全饱和。当你打开阀门时，水将开始流出，水位下降，你需要记录第一个点和第二点之间的时间。然后使用标准公式计算渗透性，公式为 L 除以 t 乘以 L，其中 L 是样品的高度，2.303 乘以 ln(h1/h2)，t 是水从第一个点降到第二点所需的时间，单位为厘米每秒。
所有单位都应相应选择。使用这个方程，你可以计算样品的渗透性。这是一个重要的测量。
今天的课程到此结束，下节课我们将尝试使用现有的规范（IRC 44）解决两个问题，并讨论与透水混凝土相关的更多方面，这将是这一系列讲座的结束。谢谢大家。
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