低影響開(kāi)發(fā)生態(tài)停車場(chǎng)植草磚基體混凝土配合比優(yōu)選

李亞?wèn)|，崔自治，李月恒，宋 鑫

（寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

LID（低影響開(kāi)發(fā)）是20世紀(jì)90年代末發(fā)展起來(lái)的暴雨管理和面源污染處理技術(shù)，目前LID設(shè)施面層鋪裝多采用整體鋪裝和塊狀鋪裝。常見(jiàn)的整體鋪裝有透水瀝青混凝土、透水水泥混凝土鋪裝等，塊體鋪裝有透水磚、植草磚鋪裝等[1]。已有學(xué)者對(duì)生態(tài)停車場(chǎng)面層鋪裝材料開(kāi)展了深入的研究。張彬鴻等[2]總結(jié)出透水瀝青混凝土、透水水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度普遍在15～30 MPa，混凝土透水磚抗壓強(qiáng)度普遍在25～35 MPa，這種低強(qiáng)度的特性導(dǎo)致面層鋪裝材料易出現(xiàn)斷裂、耐久性差等現(xiàn)象。寧夏冬季寒冷[3]，透水水泥混凝土與混凝土透水磚由于其內(nèi)部特有的空隙結(jié)構(gòu)易被凍壞[4-5]，透水瀝青混凝土在低溫下易出現(xiàn)開(kāi)裂、承載能力不足等現(xiàn)象[6-7]。此外，寧夏有著大面積的鹽漬土[8]，鹽類侵蝕對(duì)混凝土破壞的作用已有研究[9-10]，因此寧夏地區(qū)LID設(shè)施面層鋪裝材料在凍融、鹽堿作用下耐久性差、破壞嚴(yán)重。寧夏地區(qū)LID停車場(chǎng)的使用特點(diǎn)對(duì)面層鋪裝材料的耐久性和力學(xué)性能提出了更高要求。由于C60以上的混凝土具有較好的密實(shí)性和較高的耐久性，將高強(qiáng)混凝土作為植草磚的基體材料，使得成型后的植草磚能夠滿足強(qiáng)度和耐久性的要求。本試驗(yàn)以水灰比、砂率、粗骨料最大粒徑等7種影響因素為分析對(duì)象，總結(jié)分析各因素對(duì)植草磚基體混凝土和易性及強(qiáng)度的影響，優(yōu)選出符合要求的植草磚基體混凝土配合比，為未來(lái)植草磚在LID生態(tài)停車場(chǎng)的應(yīng)用提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

（1）水泥：考慮混凝土高強(qiáng)的特點(diǎn)，水泥采用寧夏賽馬水泥有限公司生產(chǎn)的P.O 52.5級(jí)水泥，3 d抗折強(qiáng)度為6.4 MPa，28 d抗折強(qiáng)度為8.3 MPa；3 d抗壓強(qiáng)度為36.2 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為59.3 MPa；初凝時(shí)間為142 min，終凝時(shí)間為205 min，45μm篩余為3.6%，比表面積為390 m2/kg。

（2）粗骨料：選用銀川市某建材市場(chǎng)購(gòu)買的碎石，壓碎指標(biāo)為8.5%，5～31.5 mm連續(xù)級(jí)配，針片狀顆粒含量為3.2%，含泥量為0.4%。

（3）細(xì)骨料：選用銀川某建材市場(chǎng)購(gòu)買的天然砂，細(xì)度模數(shù)為2.94，含泥量為4.7%。

（4）外加劑：選用聚羧酸高性能減水劑，生產(chǎn)廠家為陜西秦奮建材有限公司，其減水率為37%，含固量為40%。

（5）粉煤灰：粉煤灰等級(jí)為Ⅰ級(jí)，需水量比為80%，燒失量為2%，45μm篩余為8%。

1.2 試驗(yàn)方案

本文以水灰比W/C、砂率Sp、單位用水量w、取代率pr、超量率cr、粗骨料最大粒徑D及外加劑摻量PA為因素，設(shè)計(jì)L18（37）正交試驗(yàn)方案，因素及水平參考文獻(xiàn)[11]設(shè)置（表1）。以擴(kuò)展度d、坍落度s及7，28，56 d混凝土抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)，研究各因素對(duì)其影響的規(guī)律，分析和易性及力學(xué)性能，確定最優(yōu)配合比。

表1 植草磚基體混凝土因素水平表

粉煤灰摻量由等量取代和超量取代兩部分組成，等量取代率為粉煤灰取代水泥的質(zhì)量與水泥應(yīng)使用量的比值，超量取代率為粉煤灰超量摻加值與水泥應(yīng)使用量的比值。

由于粗骨料最大粒徑不宜超過(guò)截面最大尺寸的1/4?？紤]到植草磚的尺寸，故將粗骨料最大粒徑控制到20 mm及以下。

1.3 試驗(yàn)方法

試樣的成型、養(yǎng)護(hù)、流動(dòng)性和強(qiáng)度測(cè)定均按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080—2016）及《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019）中的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土和易性分析

混凝土拌合物的坍落度s、擴(kuò)展度d與各因素關(guān)系和極差分析見(jiàn)圖1～圖4。

由圖1～圖4可知，植草磚基體混凝土的坍落度與擴(kuò)展度呈現(xiàn)大致相同的規(guī)律，兩者有著密切的相關(guān)性。除此之外，所有試驗(yàn)的黏聚性、保水性良好，沒(méi)有發(fā)生分層離析現(xiàn)象和明顯的泌水現(xiàn)象。

圖1 植草磚基體混凝土坍落度與各因素關(guān)系圖

圖2 植草磚基體混凝土坍落度的極差

圖3 植草磚基體混凝土擴(kuò)展度與各因素關(guān)系圖

圖4 植草磚基體混凝土擴(kuò)展度極差

由圖1和圖3可以得出：混凝土拌合物的坍落度及擴(kuò)展度隨著水灰比、單位用水量、取代率、超量率、粗骨料最大粒徑和外加劑摻量的增大而增大；隨著砂率的增大而減小。

由圖2和圖4可以得出：對(duì)于混凝土拌合物坍落度及擴(kuò)展度，各因素的重要性按照遞減的順序依次為外加劑摻量→單位用水量→粗骨料最大粒徑→水灰比→取代率→砂率→超量率。

2.2 混凝土強(qiáng)度分析

混凝土7，28，56 d的抗壓強(qiáng)度與各因素關(guān)系和極差分析見(jiàn)圖5～圖8。

由圖5～圖7可知，各齡期抗壓強(qiáng)度隨水灰比的減小呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；隨外加劑摻量的增大呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；隨砂率、超量率和粗骨料最大粒徑的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；隨單位用水量和取代率的增大而減小。

圖5 植草磚基體混凝土7 d強(qiáng)度與各因素關(guān)系圖

圖6 植草磚基體混凝土28 d強(qiáng)度與各因素關(guān)系圖

圖7 植草磚基體混凝土56 d強(qiáng)度與各因素關(guān)系圖

植草磚基體混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度隨著粗骨料最大粒徑的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著粗骨料最大粒徑的不斷增大，大顆粒骨料內(nèi)部存在缺陷的概率越高，粗骨料與水泥砂漿的界面面積不斷增大，在混凝土持續(xù)受力過(guò)程中，比較大的缺陷邊緣會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，混凝土易發(fā)生破壞。隨著粉煤灰超量率的增加，植草磚基體混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這是由于粉煤灰超量取代細(xì)骨料，粉煤灰參與水化反應(yīng)，與細(xì)骨料砂子相比，粉煤灰顆粒更細(xì)，其比表面積更大，因此能充分發(fā)揮自身效應(yīng)。隨粉煤灰取代率不斷增加，當(dāng)取代較多水泥時(shí)會(huì)導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度的下降，故隨取代率的增加，植草磚基體混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

由圖8可知，對(duì)于植草磚基體混凝土7，28 d抗壓強(qiáng)度，各因素的重要性按照遞減的順序依次為水灰比→取代率→超量率→粗骨料最大粒徑→外加劑摻量→單位用水量→砂率。對(duì)于56 d抗壓強(qiáng)度，各因素的重要性按照遞減的順序依次為水灰比→取代率→粗骨料最大粒徑→超量率→外加劑摻量→單位用水量→砂率。各齡期的強(qiáng)度與各因素之間的關(guān)系呈現(xiàn)大致相同的趨勢(shì)。

圖8 植草磚基體混凝土強(qiáng)度極差

植草磚基體混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大而增大，其7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到28 d抗壓強(qiáng)度的75%左右，相較于28 d強(qiáng)度，其56 d抗壓強(qiáng)度平均增長(zhǎng)率為12.39%，56 d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率最小為7.87%，最大為23.18%。當(dāng)粉煤灰的取代率和超量率均較小時(shí)，植草磚基體混凝土56 d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率均低于平均增長(zhǎng)率，粉煤灰取代率和超量率均為最大水平的試樣組，其增長(zhǎng)率達(dá)到最大值（23.18%）?？梢钥闯觯褐膊荽u基體混凝土強(qiáng)度早期增長(zhǎng)較快；粉煤灰摻量對(duì)植草磚基體混凝土后期強(qiáng)度影響較大，植草磚基體混凝土后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率隨著粉煤灰摻量增加而提高。

2.3 組合優(yōu)選

綜合考慮植草磚基體混凝土的抗壓強(qiáng)度及和易性要求，坍落度不應(yīng)小于200 mm，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C60，植草磚基體混凝土強(qiáng)度不小于強(qiáng)度等級(jí)的115%（69 MPa），對(duì)于最優(yōu)組合的確定，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性綜合考慮。最優(yōu)組合不僅能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，而且最為經(jīng)濟(jì)。植草磚基體混凝土主要材料用量及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，當(dāng)以28 d抗壓強(qiáng)度作為強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)的組有第2組、第4組、第6組等共13組，在能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)的組中第2組和第12組水泥用量最少，在第2組和第12組中，第12組外加劑用量較少，考慮到經(jīng)濟(jì)性，第12組配合比為最優(yōu)組合。最優(yōu)組合為W/C=0.29，Sp=42%，w=140 kg，pr=20%，cr=5%，D=10 mm，PA=2.8%。最優(yōu)組合下混凝土坍落度為225 mm，擴(kuò)展度為685mm，7 d抗壓強(qiáng)度為50.36 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為70.9 MPa。56 d抗壓強(qiáng)度為77.85 MPa。

考慮到高摻粉煤灰混凝土后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較大的特點(diǎn)，以56 d抗壓強(qiáng)度作為強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C60，植草磚基體混凝土強(qiáng)度不小于強(qiáng)度等級(jí)的115%（69 MPa）。由表2可知：除第1組和第15組由于坍落度達(dá)不到設(shè)計(jì)目標(biāo)之外，其余所有組均能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)；在滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的組中，第3組和第10組水泥用量最少，在第3組和第10組中，第10組外加劑用量較少，考慮到經(jīng)濟(jì)性，第10組配合比為最優(yōu)組合，最優(yōu)組合為W/C=0.29，Sp=38%，w=145 kg，pr=25%，cr=10%，D=16 mm，PA=2.0%。最優(yōu)組合下混凝土坍落度為223 mm，擴(kuò)展度為685 mm，7 d抗壓強(qiáng)度為48.47 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為68.54 MPa，56 d抗壓強(qiáng)度為75.74 MPa。

18組配合比中有10組的56 d抗壓強(qiáng)度超過(guò)80 MPa，以56 d抗壓強(qiáng)度作為強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C70，混凝土強(qiáng)度不小于強(qiáng)度等級(jí)的115%（80.5 MPa）。由表2可知，本次試驗(yàn)中能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)的組共有9組，在能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)的組中第2組水泥用量最少，考慮到經(jīng)濟(jì)性，第2組配合比為最優(yōu)組合。最優(yōu)組合為W/C=0.29，Sp=40%，w=140 kg，pr=20%，cr=10%，D=10 mm，PA=2.4%。最優(yōu)組合下混凝土坍落度為227 mm，擴(kuò)展度為655 mm，7 d抗壓強(qiáng)度為56.63 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為72.66 MPa，56 d抗壓強(qiáng)度為84.41 MPa。

表2 植草磚基體混凝土主要材料用量及試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

（1）植草磚基體混凝土的抗壓強(qiáng)度主要取決于水灰比，較低水灰比是實(shí)現(xiàn)植草磚基體混凝土強(qiáng)度目標(biāo)的前提；外加劑摻量對(duì)植草磚基體混凝土的坍落度及擴(kuò)展度影響最大，合理的外加劑摻量是保證植草磚基體混凝土和易性目標(biāo)的前提。

（2）粉煤灰摻量對(duì)植草磚基體混凝土后期抗壓強(qiáng)度影響較大，隨著粉煤灰摻量的增大，植草磚基體混凝土后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率越高。對(duì)于高摻粉煤灰的混凝土可以考慮以56 d抗壓強(qiáng)度作為強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（3）隨著粗骨料最大粒徑增大，植草磚基體混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，粗骨料有一個(gè)最佳的粒徑區(qū)間。