寒區(qū)水利工程用透水混凝土配合比優(yōu)化試驗(yàn)研究

史衍慧

(博樂市農(nóng)村飲水安全供水總站，新疆 博樂 833400)

1 概 述

在傳統(tǒng)河道整治工程中，河道護(hù)坡的治理方式往往比較單一，并給河道周圍的自然景觀以及河流本身的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成不同程度的影響[1]。面對人類社會發(fā)展對生態(tài)環(huán)境提出的更高要求，生態(tài)透水混凝土在河道整治工程中日漸得到廣泛應(yīng)用[2]。透水混凝土又被稱為無沙混凝土、多孔混凝土或大孔混凝土，是由粗骨料和膠凝材料以及大量沒有被填充的孔隙構(gòu)成，具有一定的強(qiáng)度和良好的透水性[3]。透水混凝土的使用最早可以追溯至1852年的英國，上世紀(jì)60代開始美國、日本等西方發(fā)達(dá)國家對其進(jìn)行了深入研究。我國對透水混凝土的研究起步較晚，直到上世紀(jì)90年代才全面展開[4]。由于透水混凝土的理論和制備工藝方面缺乏深入研究，特別是強(qiáng)度和透水性方面的矛盾至今未能得到徹底解決，因此限制了其應(yīng)用和推廣[5]。對我國北方寒區(qū)而言，氣候因素對透水混凝土的影響不容忽視。顯然，河道護(hù)坡透水混凝土中水分含量往往較高，而透水混凝土相對于普通混凝土具有更大的孔隙率，且孔隙多為大于200 nm的多害孔。因此，凍融破壞就成為河道整治工程中透水混凝土的主要破壞形式[6]?；诖?，本次研究采用正交試驗(yàn)的方法，分析河道整治工程透水混凝土的凍融破壞機(jī)理和規(guī)律，以尋求最優(yōu)配合比方案，為透水混凝土在寒區(qū)河道整治工程中的應(yīng)用和推廣提供必要的理論和技術(shù)支撐。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用水泥為鐵嶺市鐵新水泥有限公司生產(chǎn)的鐵新牌P·O42.5型普通硅酸鹽水泥； 試驗(yàn)研究使用的粗骨料是石灰?guī)r巖質(zhì)人工碎石。根據(jù)試驗(yàn)要求，粗骨料的級配為3個(gè)單一級配，分別為4.50～8.50 mm，8.50～12.50 mm，12.50～19.00 mm。在透水混凝土制備過程中，在水泥漿中摻入一定比例的硅粉，有助于提高混凝土的強(qiáng)度，降低成本[7]。研究中選用的是挪威艾肯公司出品的920 U的半加密硅粉。試驗(yàn)用減水劑為江蘇博特有限公司生產(chǎn)的PCA?(I)聚羧酸高效減水劑。

2.2 試驗(yàn)方案

梳理透水混凝土強(qiáng)度和凍融研究方面的文獻(xiàn)資料認(rèn)為，影響透水混凝土凍融破壞的因素較多，其中最為顯著的是水膠比、漿集比一級骨料級配[8-9]。因此，本文研究中將上述3個(gè)影響因素作為調(diào)控因素，并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的因素水平進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。其中，水膠比設(shè)計(jì)0.26，0.29和0.32三個(gè)水平，漿集比為0.40，0.45和0.50三個(gè)水平，骨料級配則設(shè)置4.50～8.50 mm，8.50～12.50 mm，12.50～19.00 mm三個(gè)因素水平?；炷林械臏p水劑的摻量暫定為0.3%，試驗(yàn)中根據(jù)實(shí)際拌和狀態(tài)進(jìn)行微調(diào)。正交試驗(yàn)方案具體設(shè)計(jì)見表1。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

2.3 試驗(yàn)過程

試件的制作以上節(jié)設(shè)定的9組正交試驗(yàn)方案進(jìn)行，每組試驗(yàn)制作6個(gè)試件，共54個(gè)試件。試件制作的模具為內(nèi)徑100 mm×100 mm×400 mm的長方體鋼模。目前，在混凝土試件制作方面的成型方法主要有插搗、振動(dòng)、壓力和振壓等4種常用的成型方法。通過對上述4種方法的特征對比，結(jié)合本次試驗(yàn)的目的和要求，確定采用振動(dòng)臺振動(dòng)成型法進(jìn)行試件制作，搗振時(shí)間控制在15 s以內(nèi)。脫模后的試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)的齡期，然后進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.4 試驗(yàn)方法

由于水利工程對混凝土抗凍性要求高，其凍融循環(huán)次數(shù)高達(dá)200～300次，且經(jīng)常處于水環(huán)境中，如果以慢凍法檢驗(yàn)所耗費(fèi)的時(shí)間及勞動(dòng)量較大，因此研究中試件的凍融試驗(yàn)采用快凍法。將養(yǎng)護(hù)完成后的試件放入水中浸泡2 d后在空氣中靜置24 h，然后測量其原始數(shù)據(jù)并記錄。將試件放入凍融機(jī)進(jìn)行凍融試驗(yàn)，每次試驗(yàn)進(jìn)行10個(gè)凍融循環(huán)，達(dá)到試驗(yàn)次數(shù)或試件破壞時(shí)停止試驗(yàn)。在每進(jìn)行完10次凍融試驗(yàn)后，停止凍融取出試件，對試件的質(zhì)量、橫向基頻、彈性模量進(jìn)行測量和記錄。試驗(yàn)中，將每組所有6個(gè)試件的試驗(yàn)結(jié)果均值作為本組試驗(yàn)的最終結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 質(zhì)量損失結(jié)果與分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)出各組試件在反復(fù)凍融循環(huán)條件下的質(zhì)量損失以及質(zhì)量損失率。其中，試件的質(zhì)量損失結(jié)果見表2，質(zhì)量損失率結(jié)果見圖1，不同因素對質(zhì)量損失率的影響見圖2。

表2 凍融試驗(yàn)質(zhì)量損失 /g

圖1 透水混凝土質(zhì)量損失率

圖2 因素水平對質(zhì)量損失率的影響

由表2和圖1可知，試件質(zhì)量損失最小的是T1和T8，質(zhì)量損失量均在0.1 kg以下；T9組試件的質(zhì)量損失量最大，其余6組的質(zhì)量損失量相差不大。由圖1可知，各組試件的質(zhì)量損失率均隨著凍融次數(shù)的增加而增加，且T9組試件的質(zhì)量損失率增加最快。結(jié)合表1中的因素水平設(shè)計(jì)可知，粗骨料的級配對試件質(zhì)量損失率的影響最大。由圖2可知，透水混凝土試件的質(zhì)量損失率隨著水膠比的增大而增大，并且增加速率越來越大。漿集比的變化也呈現(xiàn)出類似的規(guī)律，試件的質(zhì)量損失率隨著漿集比的增大先緩慢增大，后急劇增加。究其原因，主要是水膠比和漿集比過大，混凝土容易產(chǎn)生硬化裂隙，進(jìn)而降低混凝土的強(qiáng)度，增加與外界的接觸面積，因此質(zhì)量損失率偏大。透水混凝土試件的質(zhì)量損失隨著粗骨料級配的增大而急劇增大，然后增速趨緩。究其原因，主要是骨料粒徑越大，骨料間的咬合點(diǎn)越少，由此產(chǎn)生較大的孔隙，增加了與外界環(huán)境的接觸面積，因此導(dǎo)致較大的質(zhì)量損失。當(dāng)骨料粒徑增大到一定程度后，上述影響作用有所減弱，因此質(zhì)量損失增長幅度變小。根據(jù)上述變化規(guī)律，從試件的質(zhì)量損失比角度來看，正交試驗(yàn)方案的T1組為最優(yōu)組合，也就是水膠比為0.26、漿集比為0.40，骨料級配為4.50～8.50 mm。

3.2 動(dòng)彈模量損失結(jié)果與分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)出各組試件在反復(fù)凍融循環(huán)條件下的動(dòng)彈模量以及動(dòng)彈模量的衰減率。其中，試件的動(dòng)彈模量試驗(yàn)結(jié)果見表3，動(dòng)彈模量衰減率結(jié)果見圖3，不同因素對動(dòng)彈模量衰減率的影響見圖4。

表3 試件的動(dòng)彈模量試驗(yàn)結(jié)果 /GPa

圖3 動(dòng)彈模量衰減率變化曲線

圖4 不同因素水平對動(dòng)彈量衰減率的影響

由表3可知，各組試件的動(dòng)彈模量均會隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，說明凍融循環(huán)會對透水混凝土的動(dòng)彈模量造成十分顯著的影響，且影響的作用效果存在明顯的相似性。由圖3可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各組試件的動(dòng)彈模量衰減率呈現(xiàn)出穩(wěn)步增加的態(tài)勢，其中衰減率最大的為T7，達(dá)到77.51%，其次是T1，為74.63%，衰減率最小的為T6，為40.99%，其余各組均在48%～70%之間。由此可見，凍融循環(huán)70次之后，試件的相對動(dòng)彈模量均下降至60%以下，下降幅度較大的已經(jīng)下降至30%以下，而由上節(jié)的計(jì)算結(jié)果可知，在試件進(jìn)行70次凍融循環(huán)之后，質(zhì)量損失率都相對較小，遠(yuǎn)沒有達(dá)到5%。因此，透水混凝土的凍融破壞主要表現(xiàn)為動(dòng)彈模量的極限破壞，用動(dòng)彈模量表征透水混凝土的抗凍性，并以此為主要依據(jù)進(jìn)行配合比的優(yōu)化是科學(xué)的、合適的。由圖4可知，試件的動(dòng)彈模量衰減率隨著水膠比和漿集比的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特征，均為水平2時(shí)最低。究其原因，主要是水膠比和漿集比的增大會導(dǎo)致骨料之間黏結(jié)力的增大，動(dòng)彈模量的衰減率也就隨之減小，但是水膠比和漿集比過大，會導(dǎo)致混凝土硬化產(chǎn)生較多的微裂縫，進(jìn)而影響混凝土的強(qiáng)度，因此動(dòng)彈模量衰減率會隨之增大。試件的動(dòng)彈模量衰減率隨著骨料級配的增大而增大，但是變化速率逐步減小。究其原因，主要是骨料級配越大，骨料之間的黏結(jié)效果越差，從而造成混凝土強(qiáng)度的降低，因此動(dòng)彈模量衰減率也會隨之增大。因此，最優(yōu)配合為水膠比0.29、漿集比0.45、骨料級配4.50～8.50 mm。

4 結(jié) 論

針對北方寒區(qū)河道護(hù)坡透水混凝土易遭受凍融破壞的問題，采用多因素正交試驗(yàn)的方法，對基于凍融破壞的河道整治工程透水混凝土配合比展開優(yōu)化試驗(yàn)研究，并獲得如下主要結(jié)論：

1) 凍融循環(huán)70次之后，試件的相對動(dòng)彈模量均下降至60%以下，而質(zhì)量損失率遠(yuǎn)沒有達(dá)到5%。因此，透水混凝土的凍融破壞主要表現(xiàn)為動(dòng)彈模量的極限破壞，可以用動(dòng)彈模量作為主要依據(jù)進(jìn)行配合比的優(yōu)化。

2) 根據(jù)試件的動(dòng)彈模量衰減率隨著水膠比、漿集比和骨料級配的變化規(guī)律分析，基于抗凍性的透水混凝土最優(yōu)配合為水膠比0.29、漿集比0.45、骨料級配4.50～8.50 mm。