本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种多孔混凝土配合比的设计方法。
背景技术：
多孔混凝土，也称为无砂混凝土或大孔混凝土，是采用特定粒径骨料为骨架、胶结材料包裹在骨料颗粒表面作为骨料颗粒之间的胶结层，形成的骨架——孔隙结构的混凝土材料。由于可通过调整骨料粒径和胶结材料的用量形成孔径不同的孔隙以满足不同的用途需要，因此多孔混凝土在透水路面、植被生长、水质净化等方面都有广泛应用。在欧洲、美国、日本等国家和地区多孔混凝土已经比较普遍，我国正处于发展阶段。
随着国家建设海绵城市的提出，多孔混凝土作为一种生态混凝土受到特别关注，它的主要优点体现在:1)多孔混凝土通过其内部开口的孔隙使雨水快速渗透到地下,既避免了洪水的危害又补充了地下水；改善城市地表植物和土壤微生物的生存条件，有利于生态平衡。2)透水性路面有利于调节城市空间的温度和湿度，消除热岛现象。3)多孔混凝土路面可以减小或削弱交通噪声,这对于现代城市的发展是非常必要的，同时多孔混凝土路面可以消除雨天路面打滑和雨水飞溅的影响，也是一种更为安全的路面。因此多孔混凝土的应用成为近年的热点，并得到大力推广。虽然对于多孔混凝土已经开展了许多研究，在组成、性能和施工工艺等诸多方面都取得了很多成果，但如何提高多孔混凝土材料的可设计性仍需进一步完善。到目前为止，多孔混凝土配合比设计方法还存在一些问题和不足，在对多孔混凝土材料研究有指导作用的标准和规范中，透水水泥混凝土路面技术规程虽然给出了配合比设计方法，但并不明确、清晰，难以直接采用，而许多研究者也给出了各自的设计方法，但并无统一、合适的方法可供施工设计人员选用。在实际建设使用过程中，多孔混凝土主要还是按经验法来进行设计，这在某种程度上阻碍其应用。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种能适应工程设计的多孔混凝土材料设计方法，首先在确定胶凝材料组成的基础上，根据成型工艺的要求确定水胶比，其次通过测试所用材料的基本性能，根据骨料的表观密度和设计要求的孔隙率确定单位体积混凝土中骨料的用量，然后由力学强度确定胶结材料用量，从而确定单位体积水泥用量和拌合水用量。设计方法配合比设计具有特定的明确步骤，符合实际情况，满足技术、经济和施工工艺的要求，以便在工程建设中得到广泛应用。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：
多孔混凝土配合比设计方法，包括如下步骤
1)确定胶凝材料组成。由于混凝土的胶凝材料包括水泥、掺合料和外加剂，在此情况下，需将不同配合比的胶凝材料根据其标准稠度的用水量依据国标《水泥胶砂强度检验方法》(GB17671-1999)方法测定3d、28d、90d强度，确定具有最佳技术与经济性能的胶凝材料组成。
2)对试配试件进行压实成型试验，结合试验和目测方法确定水胶比；
3)通过试配决定骨料级配及其体积用量，根据设计强度，控制压实试件的骨料间隙率大于设计空隙率23％-27％，压实试件的骨料间隙率应小于捣实状态下的粗骨料骨架间隙率；
4)以预估的水泥用量为中值，按25Kg/m3的间隔变化，取5个不同的水泥用量，分别拌制混凝土然后通过试验求出抗压强度，绘出水泥用量-强度关系曲线，通过内插的方法得到达到要求强度所需的最小水泥用量，由此确定单位体积水泥用量和拌合水用量；
5)微调骨料组成与水泥用量使多孔混凝土拌和物工作性及水泥在骨料之外的体积填充率合理，试拌成型。
进一步，所述步骤1)中，水泥、各种掺合料和外加剂均属于胶凝材料；
进一步，所述步骤2)中，具体使用无机结合料稳定土无侧限抗压强度试验用的试模在0.05MPa下静力压实成型试件。
进一步，所述步骤2)中，成型过程中试件不出现泌水、跑浆现象，脱模过程中不松散，目测试件不干涩、没有金属光泽，则水胶比适用。
进一步，所述步骤3)中，控制压实试件的骨料间隙率大于设计空隙率10％-14％，根据设计强度，设计强度高则取高值，反之取小值。
进一步，步骤5)中，在保持水胶比不变的情况下，先分别增减骨料用量1％，再分别增减5Kg/m3的水泥用量，再与已确定的材料组成分别成型5组试件，根据试验结果，综合考虑工作性、强度、耐久性情况确定最终单方混凝土组成。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)多孔混凝土工作性、强度、渗透系数、空隙率、耐久性等指标相互影响，难以兼顾，例如水胶比过小，多孔混凝土会因干硬而搅拌不均匀，从而影响强度的提高，反之，如果水胶比过大，水泥浆就可能把多孔混凝土中的部分孔隙堵死，不仅影响孔的连通性，也不利于强度的提高；多孔混凝土强度高，对耐久性有利，但对渗透系数却可能不利。本发明基于材料级配组成、水胶比与水泥用量的精确设计，综合考虑了工作性、强度、空隙率、耐久性多方面的因素，设计的混凝土性能易于满足工程需要。
2)多孔混凝土设计步骤明确，方法简单并且具体，易于掌握，能够实际采用。
3)试验结果离散性较小，试验工作量不大，不存在重复试验情况，快速简便。
4)本发明设计原理清楚，各方面的主要影响因素突出，清晰可靠。
具体实施方式
以下将对本发明进行详细说明。
实施例1
某工程C20多孔混凝土设计，设计孔隙率不小于10％；
试验材料，石灰石碎石，二种粒级,粒径分别为9.5～16mm、4.75～9.5mm，为级配碎石，针、片状颗粒含量不高于5％，压碎指标不大于10％，含泥量不高于0.5％，含粉量不高于1％；水泥为42.5R硅酸盐水泥。
步骤1确定胶凝材料组成
本实施例中，仅采用42.5R硅酸盐水泥，因此胶凝材料组成为水泥100％。
步骤2确定水胶比
暂定结合料中9.5～16mm与4.75～9.5mm粒径碎石质量比为60:40；水泥用量400Kg/m3；水胶比为0.26；
按设计方法相应内容，以无机结合料稳定土无侧限抗压强度试验用的试模在0.05MPa下静力压实成型试件，成型过程中出现泌水、跑浆，因此需减少用水量。
将暂定结合料的水胶比分别调整为0.25、0.245、0.24、0.235；按所述方法重新成型试件脱模，发现水胶比为0.235试件较干涩、有松散现象；水胶比为0.245试件表面仍较明亮；因此将水胶比确定为0.24。
步骤3确定骨料级配及其体积用量
将9.5～16mm与4.75～9.5mm粒径碎石分别按质量比为60:40、50:50、45:55、65:35、55:35混合成5种不同的级配类型，测定捣实密度，并根据已知的碎石密度ρg＝2.49g/cm3，计算出相应的集料间隙率。
初步设定水泥用量为400Kg/m3；将5种不同级配的骨料在水胶比0.24的情况下压实成型，由此获得不同级配的骨料在压实情况下的密度，并计算出相应的压实状况下的集料间隙率。
分析试验结果表明：5种级配中，9.5～16mm与4.75～9.5mm粒径碎石质量比为65:35时，压实试件的骨料间隙率大于设计空隙率24.2％，同时压实试件的骨料间隙率小于捣实状态下的粗骨料骨架间隙率。因此，确定混凝土材料的骨料组成为质量比为65:35的9.5～16mm与4.75～9.5mm二种粒径碎石组成，单方混凝土中骨料体积用量为65.8％。
步骤4确定单位体积水泥用量和拌合水用量
以估计的水泥用量425Kg/m3为中值，按25Kg/m3的间隔变化，取5个不同的水泥用量，分别拌制混凝土然后通过试验求出抗压强度，绘出水泥用量-强度关系曲线，通过内插的方法得到强度达到23MPa时所需的最小水泥用量为430Kg/m3，因此，确定单方混凝土中水泥用量为430Kg/m3，拌和水用量为103Kg/m3。
步骤5试拌成型与调整
根据已确定的骨料体积用量与组成、水泥及拌和水用量试拌成型混凝土，同时分别将9.5～16mm与4.75～9.5mm粒径碎石分别按质量比调整为64:36、66:34，进一步将两种情况下，在保持水胶比不变的情况下，单位体积混凝土中分别增减5Kg/m3的水泥用量，由此成型4组混凝土试件。根据5种材料组成的混凝土试件的试验测试结果，最终确定单方混凝土的材料组成为9.5～16mm与4.75～9.5mm粒径碎石质量比为66:34，水泥用量为435Kg/m3，拌和水用量为104Kg/m3，即每立方米混凝土中9.5～16mm粒径碎石:4.75～9.5mm粒径碎石:水泥:水＝1081:557:435:104。测定结果表明强度为24.2MPa、空隙率10.4％、渗透系数大于10cm﹒S-1，同时计算表明水泥在骨料之外的体积填充率为5种试拌成型混凝土的最大值。
由于多孔混凝土的拌和物工作性质受三方面因素的影响，既包括胶结材性质的影响，也受骨料状态及胶结材——骨料相互作用的影响，单一测定单方面的性质决定合理的水胶比并不准确，因此本发明通过设定的试验方法，测定拌和物的稳定性，辅以直观观察综合评定和易性，有效解决了材料组成变化的影响。多孔混凝土的强度、渗透系数、空隙率等指标与级配组成具有重要的联系，本发明通过特定步骤确定具有骨架结构并且骨料间隙率适宜的级配方案，对于强度、渗透系数、空隙率等指标的实现具有关键影响，弥补了现有设计方法的不足。与普通混凝土不同，决定多孔混凝土强度的因素更为复杂，普通混凝土是以用水量不变也即流动性相近的情况下变化水泥用量确定配合比，本发明提出在多孔混凝土中，在水胶比不变的情况下，较小范围内水泥用量的变化对于强度影响可粗略近似线性关系，由此通过试配决定水泥用量和用水量，方法更符合材料特点，易于准确。通过试配调整水泥用量的方法，确定水泥在骨料之外的体积填充率，对于改善多孔混凝土的耐久性有重要影响。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。