基于正交分析法的透水混凝土性能試驗研究★

江昭明 張曉輝 李平飛 馬孝春 黃 峰

(中國地質(zhì)大學(北京)工程技術學院，北京 100083)

0 引言

透水混凝土是一種采用特殊工藝制成的連續(xù)孔隙混凝土。它可以緩解城市的雨洪問題和熱島效應，提高汽車的安全性及舒適性，是一種符合“海綿城市”理念的綠色建材[1]。透水混凝土的配合比設計主要考慮水灰比、骨料粒徑以及目標孔隙率三個因素，它們會對透水混凝土的抗壓強度、透水系數(shù)產(chǎn)生很大影響。本文基于正交試驗，應用直觀分析、方差分析和層次分析對比研究影響透水混凝土性能的因素，得出最優(yōu)配合比，為實際工程提供參考。

1 試驗原材料

本實驗選用硅酸鹽水泥P.O42.5；粗集料采用粒徑分別為5 mm～10 mm,10 mm～15 mm,15 mm～20 mm的碎石；細集料采用細度模數(shù)為2.5、級配合格的優(yōu)質(zhì)河砂；外摻料采用硅灰及粉煤灰；用水采用自來水；選用的外加劑是甲基烯丙基聚氧乙烯醚hpeg2400聚羧酸系減水劑。

2 試驗方法

2.1 試件制作及養(yǎng)護

依據(jù)試驗設計的配合比制備9塊100 mm×100 mm×100 mm透水混凝土試塊(見圖1)，采用壓力成型法[2]，投料時用分批投料法[3,4]。成型24 h后，放入水中養(yǎng)護28 d[5]。

2.2 性能指標測試方法

1)抗壓強度。

參照國家標準GB/T 32987—2016測定試塊的抗壓強度，按下式計算抗壓強度：

(1)

式中：Cc——試塊抗壓強度,MPa；

P——試塊破壞荷載,N；

A——試塊實際受壓面積,mm2；

換算成標準值時乘以0.95[6]。測試儀器為CSS-WAW系列電液伺服液壓萬能試驗機，見圖2。

2)透水系數(shù)。

試驗采用自制透水儀器進行操作[7]，原理是常水頭法，見圖3。按式(2)計算透水系數(shù)：

(2)

式中：V——Δt內(nèi)流經(jīng)試塊的水量，cm3；

L——試塊邊長，cm；

A——試塊透水截面面積，cm2；

k——透水混凝土透水系數(shù)，cm/s；

Δh——水頭差，cm；

Δt——開始承接水箱下部排出的水至結(jié)束的時間，s。

3 正交試驗與數(shù)據(jù)分析

本試驗以水灰比、骨料粒徑、目標孔隙率作為透水混凝土配合比設計參數(shù)，從27個組合中，選出9個代表性組合，采用三因素三水平正交試驗進行研究分析[8]，見表1。

用正交設計助手Ⅱ V3.1專業(yè)版進行試驗數(shù)據(jù)分析，分別得到關于抗壓強度和透水系數(shù)的測試結(jié)果，見表2,表3。

表1 因素水平

表2 抗壓強度正交試驗及直觀分析表

表3 透水系數(shù)正交試驗及直觀分析表

3.1 直觀分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進行極差分析，可以看出，骨料粒徑對透水混凝土抗壓強度以及透水系數(shù)影響都是最大。各因素對其抗壓強度指標影響排序為：骨料粒徑>水灰比>目標孔隙率，最優(yōu)強度組合為水灰比0.30，粒徑10 mm～15 mm，目標孔隙率20%。同理可知，三因素對其透水系數(shù)指標影響主次為：骨料粒徑>水灰比>目標孔隙率，最優(yōu)透水系數(shù)組合為水灰比0.30，粒徑10 mm～15 mm，目標孔隙率25%。

3.2 方差分析

采用方差分析法對正交實驗結(jié)果進行分析，得到各個因素對透水系數(shù)和抗壓強度影響的顯著性程度。透水混凝土抗壓強度與透水系數(shù)的方差分析結(jié)果見表4,表5。

表4 抗壓強度的方差分析

由求得的概率可知，骨料粒徑的各水平對抗壓強度有顯著影響(顯著性水平取0.1)，而水灰比、目標孔隙率的各水平對抗壓強度無顯著影響，且水灰比的影響較目標孔隙率的影響大。

表5 透水系數(shù)的方差分析

由所得概率可以看出，骨料粒徑的各水平對透水系數(shù)有顯著的影響(顯著性水平取0.25)，而水灰比以及目標孔隙率的各水平對透水系數(shù)無顯著影響，且水灰比的影響較目標孔隙率的影響大?？梢姺讲罘治龅慕Y(jié)果與極差分析的結(jié)果相符合。

方差分析雖簡單易行、直觀易懂，但無法對因素影響的重要程度(顯著性)給出精確的定量估計。

3.3 層次分析

采用層次分析法對正交實驗結(jié)果進行分析，得到各個水平對透水系數(shù)和抗壓強度影響程度的大小，見表6。

由表6可知，在水灰比的三個水平中，水平1對透水系數(shù)的影響權(quán)重值最大，水平1和水平2對抗壓強度的影響權(quán)重值最大；在骨料粒徑的三個水平中，水平2對透水系數(shù)和抗壓強度的影響權(quán)重值都是最大；在目標孔隙率的三個水平中，水平3對透水系數(shù)的影響權(quán)重值最大，水平2對抗壓強度的影響權(quán)重值最大。可見，組合為水灰比0.30，骨料粒徑10 mm～15 mm，目標孔隙率25%時，透水混凝土的透水性能較好；組合為水灰比0.30，骨料粒徑10 mm～15 mm，目標孔隙率20%時透水混凝土的抗壓性能較好。綜上可知，若要兼顧透水混凝土的透水性和抗壓能力，可選用組合為水灰比0.30，骨料粒徑10 mm～15 mm，目標孔隙率25%。

表6 各個水平對透水系數(shù)和抗壓強度的影響權(quán)重值

4 結(jié)語

1)在研究透水混凝土的抗壓強度和透水系數(shù)的正交試驗中，應用方差分析、層次分析得出的結(jié)論與直觀分析相同。

2)通過方差分析，得出了透水混凝土的三個參數(shù)對其抗壓強度和透水系數(shù)的影響程度大小，即對于二者均為骨料粒徑>水灰比>目標孔隙率。

3)通過層次分析，得到了兼顧透水性和抗壓能力的透水混凝土最優(yōu)配合比：水灰比0.30，粒徑10 mm～15 mm，目標孔隙率25%。