廢陶粒透水混凝土試驗(yàn)研究

鄧顯石,曾 晟,黃 馨

(1.湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院 園林學(xué)院,湖南 衡陽(yáng) 421005;2.南華大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 衡陽(yáng) 421001)

0 引 言

改革開(kāi)放四十余年來(lái)，我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)迅速推進(jìn)，2019年末城鎮(zhèn)化率已突破60%，取得了舉世矚目的成就[1]。然而，城鎮(zhèn)化建設(shè)中大規(guī)模采用混凝土、瀝青、石材等密實(shí)硬質(zhì)材料硬化地面，阻礙了城市地表與下部土壤的水分流通，在多雨季節(jié)地表部分容易在低洼處積水引起城市內(nèi)澇，在干旱季節(jié)地下土壤得不到有效的水分補(bǔ)充，可能造成地下水干枯及土壤干化的情況，產(chǎn)生“熱島效應(yīng)”[2-3]。為解決上述問(wèn)題，我國(guó)學(xué)者結(jié)合國(guó)外建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，在透水路面的應(yīng)用上開(kāi)展了一系列研究[4-5]。透水混凝土作為國(guó)內(nèi)目前透水路面的主要材料之一，擁有一定的承載力和良好的透水性，可有效提高城市地表與下部土壤的水分流通效率，及時(shí)補(bǔ)充地下水、預(yù)防土壤干化及緩解城市“熱島效應(yīng)”，并改善城市生態(tài)環(huán)境及點(diǎn)綴風(fēng)景，通常應(yīng)用于城市園林道路、市政人行道及廣場(chǎng)等路面透水面層[6-8]。隨著海綿城市建設(shè)理念的不斷推廣，透水混凝土的需求日益旺盛[9-10]。碎石作為透水混凝土的主要原材料之一供不應(yīng)求，為節(jié)約資源，礦渣、廢玻璃等原材料豐富的固體廢棄物被作為骨料制備透水混凝土[11-13]。學(xué)者們主要研究了各類(lèi)固體廢棄物的種類(lèi)、摻量等因素對(duì)透水混凝土力學(xué)及透水性能的影響[14-15]。相較于其他替代骨料的固體廢棄物，陶粒外表堅(jiān)硬，內(nèi)部多孔，具有輕質(zhì)高強(qiáng)和較好的保溫隔熱性能等優(yōu)點(diǎn)，將其作為骨料替代部分碎石制備的透水混凝土透水性好、重量輕、抗凍性能好，能廣泛應(yīng)用于各類(lèi)透水路面。陶粒根據(jù)原料、密度、外形等不同分為很多種類(lèi)，廢陶粒作為其中一種，在大量的陶瓷生產(chǎn)、施工、工程改造等過(guò)程中大量形成，若將其作為固體垃圾處理很難再分解，影響生態(tài)環(huán)境,且其原材料豐富、獲取容易[16-17]。基于廢棄陶粒上述特點(diǎn)，研究其替代部分碎石作為透水混凝土骨料的應(yīng)用對(duì)工程材料的節(jié)能環(huán)保具有重要意義。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

本試驗(yàn)采用P.O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥為透水混凝土膠結(jié)材料，其基本性能參數(shù)如表1。依據(jù)JC/T 2558—2020《透水混凝土》標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)骨料采用粒徑范圍為5～15 mm的碎石和廢棄陶粒，其基本性能參數(shù)如表2，選用聚羧酸型減水劑，減水率26%。水選用自來(lái)水。

表1 水泥物理性能指標(biāo)Table 1 Physical property indexes of cement

表2 骨料物理性能指標(biāo)Table 2 Physical property index of aggregate

1.2 正交試驗(yàn)方案

為獲取綜合性能較好的透水混凝土試件，本文選用水灰比為0.26～0.32，設(shè)置梯度為0.2，減水劑摻量為1%[18]。設(shè)計(jì)L16(43)正交試驗(yàn)，研究陶粒的摻量、顆粒級(jí)配及水灰比對(duì)透水混凝土性能的影響，L16(43)的因素水平設(shè)計(jì)如表3，正交方案設(shè)計(jì)如表4。

表3 正交因素水平設(shè)計(jì)表Table 3 Horizontal design of orthogonal factors

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與材料配比表Table 4 Orthogonal experimental design and material ratio

為材料充分融合，試驗(yàn)首先將陶粒和碎石與50%的水泥均勻攪拌60 s，然后加入50%的水?dāng)嚢?0 s，最后再加入剩余的水泥與水及減水劑攪拌120 s，制作邊長(zhǎng)為150 mm的立方體透水混凝土試件。

1.3 試驗(yàn)測(cè)試

1.3.1 孔隙率測(cè)試

試驗(yàn)設(shè)計(jì)透水混凝土目標(biāo)孔隙率為20%。試件養(yǎng)護(hù)完成后，將其烘干至恒重，再將試件置于常溫下冷卻后完全浸沒(méi)于水中，待水中無(wú)氣泡出現(xiàn)時(shí)，測(cè)量試件浮于水中質(zhì)量m1，最后將試件取出自然風(fēng)干至面干狀態(tài)測(cè)量其質(zhì)量m2，試件孔隙率ρ如式(1)。

(1)

式中ρw為水的密度，kg/m3；V0為試件的體積，m3。

1.3.2 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

試件脫模后，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，依據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)測(cè)試透水混凝土試件的抗壓強(qiáng)度，其抗壓強(qiáng)度f(wàn)c如式(2)。

(2)

式中F為試件極限荷載，N；A為受壓面面積，mm2。

1.3.3 透水系數(shù)測(cè)試

本試驗(yàn)透水系數(shù)基于常水頭法原理測(cè)試，通過(guò)自制簡(jiǎn)易透水系數(shù)測(cè)試設(shè)備如圖1，試驗(yàn)過(guò)程中用密封材料將透水混凝土試件四個(gè)側(cè)面密封，確保水只從上下表面滲透。透水系數(shù)k如式(3)。

圖1 簡(jiǎn)易透水系數(shù)測(cè)試裝置Fig.1 Simple permeability coefficient test device

(3)

式中：Q為在t時(shí)間內(nèi)滲透試件的水量，mm3；L為試件在透水方向尺寸，mm；A為試件透水面的面積，mm2；h為水頭差，mm；t為時(shí)間，s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析

正交試驗(yàn)結(jié)果如表5，對(duì)正交結(jié)果進(jìn)行極差分析結(jié)果如表6。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果表Table 5 Results of orthogonal test

2.2 實(shí)測(cè)孔隙率分析

依據(jù)表6繪制試件實(shí)測(cè)孔隙率ρ極差分析如圖2。

表6 正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果表Table 6 Range analysis results of orthogonal test

圖2 孔隙率ρ極差分析圖Fig.2 Porosity ρ range analysis diagram

綜合分析可知考慮孔隙率的最優(yōu)因素水平組合為A2-B3-C4和A2-B4-C4，對(duì)摻入陶粒的透水混凝土試件實(shí)測(cè)孔隙率的影響程度為水灰比>陶粒摻量>摻入陶粒顆粒級(jí)配，隨著水灰比的增加試件實(shí)測(cè)孔隙率逐漸增大，陶粒的摻量與透水混凝土試件實(shí)測(cè)孔隙率變化呈非線性變化，陶粒摻量在20%左右時(shí)，試件可獲得較大孔隙率。隨著摻入粒徑(10～15) mm的陶粒占比的增加，試件實(shí)測(cè)孔隙率緩慢增加，由于實(shí)測(cè)孔隙率為有效孔隙率，在合理范圍內(nèi)摻入粒徑較大的骨料能獲得較大的有效孔隙率[19]。

2.3 試件28天抗壓強(qiáng)度分析

依據(jù)表6繪制試件實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度f(wàn)c極差分析如圖3。

圖3 抗壓強(qiáng)度f(wàn)c極差分析圖Fig.3 Analysis diagram of compressive strength fc range

綜合分析可知考慮抗壓強(qiáng)度的最優(yōu)因素水平組合為A3-B1-C1，對(duì)廢陶瓷粒透水混凝土試件28天抗壓強(qiáng)度的影響程度為水灰比>陶粒摻量>摻入陶粒顆粒級(jí)配，隨著水灰比的增大試件28天抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，且其抗壓強(qiáng)度隨孔隙率的提高逐漸下降，因?yàn)椴牧峡紫堵试礁?，其密?shí)度越小，抗壓強(qiáng)度越小。陶粒的摻量與透水混凝土試件28天抗壓強(qiáng)度呈非線性變化，陶粒摻量在30%左右時(shí)，試件可獲得較大抗壓強(qiáng)度。隨著摻入陶粒粒徑(10～15) mm占比的增加，試件28天抗壓強(qiáng)度逐漸降低，因?yàn)楣橇狭皆酱螅橇媳缺砻娣e越小，透水混凝土在制備時(shí)攪拌過(guò)程中，水泥漿與骨料接觸面積變小，骨料和水泥漿的接觸面膠結(jié)力變小，降低試件強(qiáng)度[20]。

2.4 試件透水系數(shù)分析

依據(jù)表6繪制試件實(shí)測(cè)透水系數(shù)k的極差分析如圖4。

圖4 透水系數(shù)k極差分析圖Fig.4 Analysis diagram of K range of permeability coefficient

綜合分析可知考慮抗壓強(qiáng)度的最優(yōu)因素水平組合為A2-B4-C4，對(duì)摻入陶粒的透水混凝土試件透水系數(shù)的影響程度為水灰比>陶粒摻量>摻入陶粒顆粒級(jí)配，試件透水系數(shù)隨著水灰比的增大逐漸增大。陶粒的摻量與透水混凝土試件透水系數(shù)呈非線性變化，陶粒摻量在20%左右時(shí)，試件可獲得較大透水性能。隨著摻入粒徑(10～15) mm的陶粒占比的增加，試件透水系數(shù)逐漸增大，試件透水系數(shù)與實(shí)測(cè)孔隙率呈正相關(guān)，并與其實(shí)測(cè)28天齡期下的抗壓強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，因?yàn)椋话悴牧显街旅?，孔隙率就越小，抗壓?qiáng)度越大，透水性能越差[21]。

2.5 最優(yōu)組合分析

上述闡述了各因素對(duì)透水混凝土孔隙率、抗壓強(qiáng)度及透水性能的影響情況，并分別基于各單因素得到透水混凝土的最優(yōu)組合，得到了4組不同的最優(yōu)組合，為了更直觀地分析各組正交試驗(yàn)綜合效果情況，選取試件28天抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)作為性能指標(biāo)，基于總功效系數(shù)法結(jié)合極差分析對(duì)試件的主要性能進(jìn)行綜合分析，得出綜合效果最好的最優(yōu)組合。試驗(yàn)所測(cè)各組性能指標(biāo)歸一化計(jì)算按式(4)計(jì)算[23]。

(4)

式中xji為j組試驗(yàn)指標(biāo)i的的歸一化數(shù)值，Mji為第j組指標(biāo)i的數(shù)值，Mmax為指標(biāo)i的最大測(cè)量值，n項(xiàng)性能指標(biāo)的總功能系數(shù)Xj計(jì)算如式(5)。

(5)

通過(guò)式(4)和式(5)得出各透水混凝土試件各組正交試驗(yàn)28天抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的總功效系數(shù)分析表如表7。

表7 總功效系數(shù)分析表Table 7 Analysis of total efficacy coefficient

通過(guò)分析綜合功效系數(shù)表7可知，組號(hào)#14的總功效系數(shù)最高為0.854，此時(shí)陶粒摻量為40%，摻入陶粒粒徑質(zhì)量配比為m(5～10 mm)∶m(10～15 mm)=4∶6，水灰比為0.3。綜合上述正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析，綜合考慮透水混凝土既要獲得較好的透水性能，又要獲得較高的抗壓強(qiáng)度，最優(yōu)組合為：陶粒摻量為40%，摻入陶粒粒徑質(zhì)量配比為m(5～10 mm)∶m(10～15 mm)=6∶4，水灰比為0.3，此時(shí)配置透水混凝土試件抗壓強(qiáng)度為25.2 MPa，透水系數(shù)為3.9 mm/s。

3 結(jié) 論

1)透水混凝土抗壓強(qiáng)度與水灰比及摻入陶粒大粒徑質(zhì)量占比量呈負(fù)相關(guān)，水灰比是透水混凝土28天抗壓強(qiáng)度的最大影響因素，其次是陶粒摻量，摻入陶粒顆粒級(jí)配影響最小。透水混凝土抗壓強(qiáng)度與孔隙率、透水系數(shù)呈負(fù)相關(guān)。

2)透水混凝土透水系數(shù)與水灰比及摻入陶粒大粒徑質(zhì)量占比量呈正相關(guān)，水灰比對(duì)透水混凝土透水系數(shù)影響程度最大，陶粒摻量次之，摻入陶粒顆粒級(jí)配最小。透水混凝土透水系數(shù)與孔隙率呈正相關(guān)。

3)摻入陶粒的透水混凝土最優(yōu)組合建議為：陶粒摻量為40%，摻入陶粒粒徑質(zhì)量配比為m(5～10 mm)∶m(10～15 mm)=6∶4，水灰比為0.3，此時(shí)所得透水混凝土具備較好的使用性能。

4)通過(guò)正交試驗(yàn)說(shuō)明了廢棄陶粒可以作為骨料制備性能較好的透水混凝土，不但為透水混凝土的原材料提供了新的取材途徑，還為廢棄陶瓷制品的回收利用提供了新的方法。但考慮到廢棄陶瓷種類(lèi)諸多，性質(zhì)各異，在今后的應(yīng)用研究中有待進(jìn)一步拓展。