成型過程中若干因素對透水混凝土性能的影響研究*

汪雄杰,陳代果,楊福儉,劉筱玲,杜義祥,姚 勇

(1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,四川 綿陽 621000; 2.信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司,四川 成都 610021; 3.四川振通檢測股份有限公司,四川 綿陽 621000)

0 引言

透水混凝土是由膠凝材料包裹粗骨料形成的骨架-孔隙結(jié)構(gòu),內(nèi)部呈連續(xù)多孔狀,具有透氣、透水、降噪和減緩城市熱島效應(yīng)的特點(diǎn)[1-4]。因此,在城市市政綠化、輕型道路、污水凈化及生態(tài)護(hù)坡等輕荷載路面上被廣泛使用,是“海綿城市”建設(shè)中的優(yōu)異混凝土材料[5-10]。Alimohammadi等[11]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)納米材料經(jīng)過雨水處理可提高透水混凝土的去除效率、抗壓強(qiáng)度和吸附能力,但降會低透水混凝土的滲透速率。侯利軍等[12]通過三因素正交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水灰比、水泥用量和聚合物摻量3種因素中,水灰比對透水混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和透水性能影響最大,且存在最佳水灰比。王玲玲等[13]制備了SAP透水混凝土,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)SAP摻量對透水混凝土的保水率、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及抗硫酸鹽腐蝕能力等影響顯著。楊福儉[14]通過正交試驗(yàn)建立了透水混凝土的孔隙率-動容損傷量、孔隙率-抗壓強(qiáng)度等的數(shù)學(xué)關(guān)系。陳代果等[15]設(shè)計(jì)正交試驗(yàn),選取不同因素得出透水混凝土抗凍性能最佳配合比。向君正等[16]采用壓汞法和掃描電鏡法,通過觀察透水混凝土和水泥石的微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化,發(fā)現(xiàn)隨著凍融次數(shù)的增加,透水混凝土骨料-水泥界面出現(xiàn)裂縫并不斷擴(kuò)展,但水泥石微觀結(jié)果無明顯變化,說明透水混凝土的抗凍性能與骨料-水泥界面的劣化有重要關(guān)系。Kevern等[17]采用添加細(xì)骨料和纖維改變配合比的方式設(shè)計(jì)試驗(yàn),指出細(xì)骨料可有效增大骨料間的接觸面積,增強(qiáng)透水混凝土的強(qiáng)度和耐久性;聚丙烯纖維可增強(qiáng)骨料連接性能,降低質(zhì)量損失率。

綜上所述,正交試驗(yàn)在改變配合比提高透水混凝土的性能中被廣泛運(yùn)用。但當(dāng)配合比一定時,成型方式也會對透水混凝土性能產(chǎn)生重要影響,因此,本試驗(yàn)從改變成型過程中的若干因素出發(fā),研究透水混凝土的孔隙率和抗壓強(qiáng)度等性能。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

水泥采用P·O42.5R普通硅酸鹽水泥;粗骨料為5～10mm單一級配;硅灰為高活性微硅灰;纖維為9mm長PAN纖維;粘結(jié)劑為高效粘結(jié)劑。配合比(kg)為:碎石∶水泥∶硅灰∶PAN纖維∶水∶粘結(jié)劑=1 617∶419∶25.14∶1.67∶130∶8.38。

1.2 配合比和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)方法[18]研究攪拌時間(A)、擊實(shí)次數(shù)(B)、裝模次數(shù)(C)、人工插搗次數(shù)(D)對透水混凝土孔隙率和抗壓強(qiáng)度的影響。試件規(guī)格為邊長150mm的立方體。通過改變透水混凝土成型過程中的若干因素,分析比較其孔隙率、相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。選用L9(34)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn),如表1,2所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平Table 1 Levels of orthogonal test factors

1.3 孔隙率測試

透水混凝土孔隙率測試裝置如圖1所示。將邊長150mm的立方體透水混凝土試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d后取出放入烘干機(jī)烘干24h,烘干水分后稱取質(zhì)量m0;再將其放入水中浸泡2d取出后稱取試件質(zhì)量m1;最后計(jì)算得到試件孔隙率e:

圖1 孔隙率試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Porosity test device

(1)

1.4 抗壓強(qiáng)度測試

透水混凝土抗壓強(qiáng)度測試裝置如圖2所示。本試驗(yàn)按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)要求執(zhí)行,試樣為邊長150mm的立方體試件,加載速率為0.3MPa/s,抗壓強(qiáng)度計(jì)算為:

圖2 壓力試驗(yàn)機(jī)Fig.2 Pressure testing machine

(2)

式中:F為破壞時荷載(N);A為試樣橫截面積(mm2);fc為立方體試件抗壓強(qiáng)度(MPa)。

2 結(jié)果和討論

2.1 孔隙率

按表2進(jìn)行透水混凝土試件試驗(yàn),得到透水混凝土孔隙率,如表3,4所示。

表2 正交試驗(yàn)Table 2 Orthogonal test

表3 各組試件平均孔隙率系數(shù)Table 3 Average porosity coefficient of each group of specimens

由表3可知,試驗(yàn)孔隙率為8.78%～20.42%,而試驗(yàn)設(shè)計(jì)孔隙率為20%,除第1,2組基本滿足,第3～9組均小于設(shè)計(jì)孔隙率。第9組孔隙率與第1組相比降低了57%,原因是成型過程中的若干因素影響了透水混凝土內(nèi)部的密實(shí)程度,插搗次數(shù)過多會加速水泥漿體的下沉,堵塞部分連通孔隙;硅灰會生成C-S-H凝膠體,該物質(zhì)依靠填充微小孔隙實(shí)現(xiàn)增大強(qiáng)度的作用;攪拌時長也會影響水泥水化反應(yīng)的充分性,攪拌時間越長水化反應(yīng)越充分,附著在粗骨料表面的水泥漿體越多,骨料間孔隙被填充部分也越多,從而降低孔隙率。

由表4可知,成型過程中的若干因素對透水混凝土孔隙率的影響按重要程度排序?yàn)?攪拌時間、裝模次數(shù)、擊實(shí)次數(shù)、人工插搗;根據(jù)孔隙率結(jié)果,得到最佳成型組合為:加水后攪拌1min,擊實(shí)30次,1次性裝模,插搗35次。通過極差分析,攪拌時間是透水混凝土成型方式中最重要的影響因素,而方差分析結(jié)果顯示FA=7.17,最接近F0.1,表明攪拌時間對孔隙率影響較顯著。所以控制透水混凝土孔隙率應(yīng)嚴(yán)格控制其攪拌時間,最佳攪拌時間為加水后1min。

表4 孔隙率極差和方差分析Table 4 Porosity range and ANOVA analysis

2.2 抗壓強(qiáng)度

透水混凝土多用于城市低荷載路面,主要受壓。立方體抗壓強(qiáng)度測定結(jié)果如表5所示。由表5可知,試驗(yàn)1～3組抗壓強(qiáng)度為17.71～20.50MPa;4～9組抗壓強(qiáng)度為26.40～30.30MPa,除第1組小于20MPa,其余組別均大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度20MPa。其中第7組抗壓強(qiáng)度最大,與第1組相比,增大了71.18%。從表2可看出,1,2,3組攪拌時間短,而攪拌時間太短會導(dǎo)致骨料和膠凝材料等拌合物的流動性較差、含氣量較高、漿體黏度升高。透水混凝土中出現(xiàn)大量未充分混合的膠凝材料和骨料,增大強(qiáng)度的變異系數(shù),進(jìn)而降低抗壓強(qiáng)度。普通透水混凝土在抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中,破壞時通常以骨料個體為單位進(jìn)行脫落,試樣完整性較差。但試驗(yàn)配合比透水混凝土在抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中,破壞以局部脫落為主,且破壞時整體性較好(見圖3),與普通透水混凝土抗壓破壞不同。立方體抗壓強(qiáng)度極差和方差分析如表6所示。

圖3 透水混凝土抗壓破壞Fig.3 Permeable concrete is resistant to compressive failure

表5 立方體抗壓強(qiáng)度測定結(jié)果Table 5 Measurement results of cubic compressive strength

表6 立方體抗壓強(qiáng)度極差和方差分析Table 6 Cubic compressive strength range and variance analysis

由表6可知,成型過程中的若干因素對透水混凝土的影響按重要程度排序?yàn)?攪拌時間、人工插搗次數(shù)、裝模次數(shù)、擊實(shí)次數(shù)。其中攪拌時間同樣對抗壓強(qiáng)度影響最大,這與孔隙率的分析結(jié)果一致。但攪拌時間對應(yīng)的最佳水平為k3,與孔隙率最佳水平k1的結(jié)果相反,滿足孔隙率與抗壓強(qiáng)度成反相關(guān)的關(guān)系。結(jié)果顯示FA=314.65,其值最大,遠(yuǎn)超過F0.05,也說明了攪拌時間對抗壓強(qiáng)度的影響非常顯著。此外F0.1

2.3 孔隙率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

試驗(yàn)表明,孔隙率與透水混凝土的基本物理力學(xué)性能有直接關(guān)系?？紫堵试酱蠊橇祥g的接觸面積越小,骨料間形成的骨架-孔隙受力結(jié)構(gòu)就越疏松,抗壓強(qiáng)度越小。研究表明,多孔材料的孔隙率與抗壓強(qiáng)度間可用函數(shù)關(guān)系描述,這種函數(shù)關(guān)系稱為孔隙-強(qiáng)度模型。為更好地接近實(shí)際,以孔隙率為變量,通過線性擬合的方式探究孔隙率與抗壓強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系,如式(3)、圖4所示。

圖4 孔隙率-抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.4 Porosity-compressive strength relationship

S=39.443-1.053P′,R2=0.92

(3)

由圖4可知,抗壓強(qiáng)度與孔隙率成線性關(guān)系,隨孔隙率的增大而減小。擬合結(jié)果R2>0.90。同時依照現(xiàn)有Balshin,Ryshkewitch,Hasselman[19-20]3種孔隙-強(qiáng)度理論模型進(jìn)行對比分析,3種模型分別以冪函數(shù)、指數(shù)型函數(shù)、線性函數(shù)的形式反映了孔隙率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系,如表7,圖5所示。

圖5 孔隙率-抗壓強(qiáng)度關(guān)系對比Fig.5 Comparison of porosity-compressive strength relationship

表7 孔隙率-抗壓強(qiáng)度模型Table 7 Porosity-compressive strength model

由圖5可知,以上3種孔隙-強(qiáng)度模型擬合效果較好,R2均為0.90左右,隨著孔隙率的增大,抗壓強(qiáng)度實(shí)際趨勢均基本滿足擬合方程。具體參數(shù)取值如下:

(4)

S=44.298e-0.042e′,R2=0.88

(5)

S=39.514(1-0.026e′),R2=0.91

(6)

式中:e′ 為100e。

由式(3)及上述3種孔隙-強(qiáng)度模型可看出,透水混凝土的抗壓強(qiáng)度均可通過函數(shù)與孔隙率建立關(guān)系,且隨著孔隙率的變化二者大致成負(fù)相關(guān)關(guān)系(見圖4,5),在實(shí)際工程中,可通過式(3)以透水混凝土的孔隙率來推算其抗壓強(qiáng)度。

3 結(jié)語

1)透水混凝土孔隙率影響因素敏感性從大到小為:攪拌時間、裝模次數(shù)、擊實(shí)次數(shù)、人工插搗,其最佳因素組合為:攪拌1min,擊實(shí)30次,1次性裝模,插搗35次;透水混凝土抗壓強(qiáng)度影響因素敏感性從大到小為:攪拌時間、人工插搗次數(shù)、裝模次數(shù)、擊實(shí)次數(shù),其最佳因素組合為:攪拌3min,頂部擊實(shí)40次,分3次裝模,人工插搗45次。

2)由極差和方差分析可知,在各種成型因素中,攪拌時間是影響透水混凝土孔隙率、抗壓強(qiáng)度等最重要的因素,因此建議實(shí)際工程中嚴(yán)格控制攪拌時間。同時也證明了配合比一定時,可通過控制透水混凝土的攪拌時間等因素控制其孔隙率,進(jìn)而影響其抗壓強(qiáng)度等性能。

3)根據(jù)孔隙率與抗壓強(qiáng)度的負(fù)相關(guān)關(guān)系,建立函數(shù)模型,其擬合相關(guān)性較好。同時對比了3種經(jīng)驗(yàn)公式,R2均在0.90左右。