河道整治工程現(xiàn)澆透水混凝土施工參數(shù)優(yōu)化試驗研究

鄒 升

(浩喬建設(shè)集團有限公司， 江西 南昌 330077)

1 研究背景

在城鎮(zhèn)化建設(shè)過程中，河道整治成為提高城鎮(zhèn)防洪、防內(nèi)澇能力，強化城區(qū)景觀效果的重要工程措施，成為城鎮(zhèn)地區(qū)水利工程建設(shè)的重要內(nèi)容[1]。在傳統(tǒng)河道整治工程中，河岸和堤防硬化處理是最主要和最常見的工程模式，但是這種模式注重邊坡的強度和穩(wěn)定性，忽略了河道生態(tài)環(huán)境建設(shè)，會造成河道生態(tài)之間的人為隔絕，不利于河道生態(tài)環(huán)境的保持和優(yōu)化，甚至還會對河道生態(tài)環(huán)境造成十分嚴重的負面影響[2]。因此，在河道整治工程中，不僅要考慮工程措施的耐久性和經(jīng)濟性，還應(yīng)該注重對生態(tài)環(huán)境的保護[3]。在這一背景下，透水混凝土鋪裝日益成為水利工程，特別是河道整治工程中最重要的鋪裝形式。透水鋪裝可以打通河道生態(tài)系統(tǒng)和水體的有效聯(lián)結(jié)和循環(huán)，同時還可以為各種生物營造良好的棲息環(huán)境[4]。但是，由于透水混凝土具有孔隙度高、強度相對較低的特點，在長途運輸中極易造成損壞。基于此，在河道整治工程現(xiàn)場進行現(xiàn)澆透水混凝土鋪裝就成為未來的發(fā)展方向?；诖?，本文通過試驗研究的方法，對現(xiàn)澆透水混凝土的施工參數(shù)展開優(yōu)化研究，力求為現(xiàn)澆透水混凝土的工程應(yīng)用提供有力的技術(shù)支持。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗用水泥為石家莊上安水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。依據(jù)GB 175—2007《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》對該水泥進行了檢驗，結(jié)果顯示各項指標(biāo)都滿足要求，可以用于相關(guān)實驗[5]。實驗用細骨料為河沙，其性能滿足相關(guān)規(guī)范要求；實驗用粗骨料為機制碎石，粒徑為5～30mm；實驗用粉煤灰為熱電廠生產(chǎn)的F型Ⅱ級粉煤灰，其性能符合GB/T1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中 II 級粉煤灰要求；試驗用纖維為聚丙烯纖維，單絲長度為19mm，直徑約30μm。實驗用減水劑為山東萊蕪汶河化工有限公司生產(chǎn)的FDN-AⅡ型高效減水劑；其拌合用水為自來水。

2.2 試驗方案

結(jié)合現(xiàn)澆混凝土的實際工程經(jīng)驗以及透水混凝土的特點，認為影響透水混凝土力學(xué)性質(zhì)的主要因素為厚度、搗振時長以及坡度，因此在試驗中選擇上述3個影響因素，采用正交試驗的方法對施工工藝展開優(yōu)化研究[5]。在透水混凝土中，其強度主要來自2個方面，為水泥等膠結(jié)材料的黏結(jié)作用和粗骨料之間的嵌擠作用。因此混凝土的厚度將對其強度產(chǎn)生較為明顯的影響[6]。結(jié)合相關(guān)研究成果，本次實驗設(shè)計了10、12、14、16cm 4種不同的厚度；混凝土的搗振時間會對其密實度產(chǎn)生直接影響，結(jié)合相關(guān)研究成果和工程經(jīng)驗，在研究中設(shè)計了3、6、9和12s 4個不同搗振時間；透水混凝土主要用于河道護坡，因此坡度也是重要的影響因素，試驗中結(jié)合實際需求，設(shè)計了1.0、0.8、0.6和0.4 4個不同的坡度。按照上述各影響因素的水平值，設(shè)計三因素四水平正交試驗方案[7]，見表1。

表1 現(xiàn)澆透水混凝土正交試驗方案

2.3 試驗方法

為了提高試驗結(jié)果的準確性，每組方案制作3個試件，并將3個試件的試驗結(jié)果均值作為該方案的最終試驗結(jié)果?，F(xiàn)澆混凝土采用裹漿法攪拌制作，在混凝土出倉之后，將其裝入預(yù)先制備好的模板中，然后利用平板搗振器進行搗振，試件成型48h后拆模，然后在自然條件下養(yǎng)護28d，進行試驗，養(yǎng)護過程中要對試件的表面覆蓋毛氈，每天早晚灑水2次，灑水養(yǎng)護不少于7d。按照試驗要求和場地的大小，模板的尺寸為60cm×80cm，厚度按照混凝土的成型厚度水平設(shè)計。根據(jù)在模板下面設(shè)置鋼筋支架，保證模板達到試驗設(shè)計的坡度。

測定混凝土的力學(xué)性能必須要按照相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準進行，同時需要按照相關(guān)的規(guī)定嚴格在操作，確保試驗結(jié)果的準確性和可靠性[8- 10]。對本次試驗而言，其所有的試驗步驟均按照DL/T 5330—2005《水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》的相關(guān)要求進行，試驗采用WAW-3000C萬能伺服試驗機，并記錄好相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

利用上節(jié)的試驗方法進行所有試件的力學(xué)性能試驗，并記錄相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2。

表2 現(xiàn)澆透水混凝土力學(xué)性能試驗結(jié)果

由表2中的結(jié)果可以看出，透水混凝土的抗壓強度和抗折強度會受到混凝土成型厚度、搗振時長以及成型坡度的顯著影響。

3.2 試驗結(jié)果分析

為了對比和分析不同因素對試件的力學(xué)性能的影響，研究中首先對試驗結(jié)果進行極差分析，并根據(jù)分析結(jié)果獲取厚度、搗振時間以及坡度等因素與力學(xué)性能指標(biāo)關(guān)系，然后分析獲取最佳的工藝參數(shù)[11- 15]。限于文章的篇幅，具體分析過程不再贅述。

3.2.1成型厚度的影響分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)以及極差分析結(jié)果，繪制成型厚度與透水混凝土28d抗壓、抗折強度的關(guān)系圖，如圖1—2所示。

圖1 成型厚度與抗壓強度關(guān)系圖

圖2 成型厚度與抗折強度關(guān)系圖

由圖1—2可知，透水混凝土試件的抗壓強度和抗折強度隨著成型厚度的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，成型厚度為12cm時的抗壓強度和抗折強度達到了最大值。究其原因，透水混凝土的抗壓強度主要由骨料和水泥等膠凝材料之間的膠結(jié)作用產(chǎn)生，其抗折強度主要由纖維和膠凝材料的抗拉拔力以及膠凝材料和骨料之間的黏結(jié)力產(chǎn)生。當(dāng)透水混凝土的厚度較小時，其內(nèi)部僅有層數(shù)不多的骨料堆積，纖維、骨料和膠凝材料之間的有效粘結(jié)相對較少，因此透水混凝土的抗壓和抗折強度相對較低。隨著成型厚度的增加，上述有效粘結(jié)會顯著增多，因此抗壓強度和抗折強度均有顯著增加。但是，隨著厚度的進一步增大，受到試驗用搗振設(shè)備特性的限制，其內(nèi)部會出現(xiàn)較多的大孔隙結(jié)構(gòu)，在外界荷載的作用下，極易出現(xiàn)局部的變形破壞，因此抗壓強度和抗折強度均呈現(xiàn)出下降的趨勢。

3.2.2搗振時長的影響分析

研究中結(jié)合試驗數(shù)據(jù)以及極差分析結(jié)果，繪制搗振時間與透水混凝土28d抗壓、抗折強度的關(guān)系圖，如圖3—4所示。

圖3 搗振時長與抗壓強度關(guān)系圖

圖4 搗振時長與抗折強度關(guān)系圖

由圖3—4可知，透水混凝土試件的抗壓強度和抗折強度隨著搗振時長的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，搗振時長為9s時的抗壓強度和抗折強度達到了最大值。究其原因，在透水混凝土施工過程中，隨著搗振時長的不斷增加，混凝土材料之間的密實度會明顯增加，骨料之間的膠結(jié)作用也明顯增強，進而形成了更為良好的整體性，因此其抗壓強度和抗折強度均有不同程度的增大。但是，在搗振時長超過9s之后，膠凝材料會隨著搗振作用下滑，造成混凝土的上部膠凝材料減少，而下部會出現(xiàn)一定的沉漿現(xiàn)象，進而造成試件抗壓強度和抗折強度的降低。因此，在現(xiàn)澆透水混凝土的施工過程中，要合理設(shè)計搗振時間，以獲取最佳工程效果。

3.2.3坡度的影響分析

研究中結(jié)合試驗數(shù)據(jù)以及極差分析結(jié)果，繪制坡度與透水混凝土28d抗壓、抗折強度的關(guān)系圖，如圖5—6所示。

圖5 成型坡度與抗壓強度關(guān)系圖

圖6 成型坡度與抗折強度關(guān)系圖

由圖5—6可知，透水混凝土試件的抗壓強度和抗折強度隨著成型坡度的減小呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，混凝土的成型坡度為0.8時的抗壓強度和抗折強度達到了最大值。究其原因，在透水混凝土施工過程中，如果坡度較大，混凝土材料會受到較大的向下重力作用影響，因此搗振過程中會導(dǎo)致膠凝材料的下滑，造成混凝土內(nèi)部的膠凝材料分布不均，進而影響到其抗壓強度和抗折強度。隨著坡度的減小，上述現(xiàn)象會明顯減弱，因此混凝土的抗壓和抗折強度會明顯提高。但是，隨著坡度的進一步減小，重力對混凝土材料的影響作用會明顯減弱，并導(dǎo)致透水混凝土內(nèi)部骨料之間的膠結(jié)作用減弱，抗壓強度和抗折強度也會隨之減弱。

3.3 優(yōu)化方案驗證

由上文的試驗結(jié)果可知，現(xiàn)澆透水混凝土施工中的最佳參數(shù)組合為厚度12cm、搗振時長9s、成型坡度0.8。顯然，該組合并沒有出現(xiàn)在正交試驗方案中。因此，研究中按照上述參數(shù)，在試驗材料和方法不變的情況下，重新制作3個試件進行驗證研究，具體的驗證試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 最佳參數(shù)組合驗證試驗結(jié)果 單位：MPa

由試驗結(jié)果可知，3個試件的抗壓強度和抗折強度的均值分別為8.21和2.32MPa，都大于正交試驗中的最大值，驗證了該組合的技術(shù)優(yōu)勢，可以在工程建設(shè)中選用。

4 結(jié)論

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和進步，水利工程建設(shè)的生態(tài)形要求日益提高。此次研究針對河道水利工程對生態(tài)透水混凝土的實際需求，通過室內(nèi)試驗的方法探討了施工參數(shù)對現(xiàn)澆透水混凝土的影響規(guī)律，并提出了最優(yōu)施工參數(shù)組合，對現(xiàn)澆透水混凝土在河道整治工程中的推廣應(yīng)用提供了必要的理論支持和試驗研究方法方面的借鑒。限于篇幅，本文僅對厚度、搗振時間以及坡度3個因素對生態(tài)混凝土強度的影響進行了研究，并沒有對透水性和耐久性進行進一步的研究。因此，在今后的研究中，需要進一步探索施工參數(shù)對現(xiàn)澆透水混凝土滲水性和耐久性的影響，進一步提高研究成果的理論意義和實踐價值。