透水性混凝土配合比試驗(yàn)探討

張建斌

（貴州電力建設(shè)第一工程公司土建試驗(yàn)室，貴州 貴陽 550000）

混凝土透水性施工技術(shù)最早在西方國家發(fā)明使用，我國在這方面的研究及應(yīng)用相對較晚。透水性混凝土是由特定級配的骨料、水泥、外加劑和水,按一定比例經(jīng)特殊成型工藝制成的制品,集料骨架間含有大量貫通性孔隙。在可持續(xù)發(fā)展思想引導(dǎo)的今天,研究透水性混凝土材料并廣泛應(yīng)用于廣場、停車場、人行道等，減輕城市排水設(shè)施的壓力，利于大氣及熱量交換，增加城市的美感等方面起著重要作用。

透水性混凝土要求通孔隙率大 20%，相應(yīng)表觀密度為1700-2200kg/m3，抗壓強(qiáng)度可達(dá) 15-35MPa、抗折強(qiáng)度可達(dá)3-5MPa，透水系數(shù)可達(dá) 1-15mm/s。以混凝土的抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)、連通孔隙率為指標(biāo),分析研究骨料粒徑、水灰比、單位體積水泥用量、單位體積減水劑用量及其不同水平對透水性混凝土各性能指標(biāo)的影響，為透水性混凝土配合比設(shè)計(jì)提供分析方法，目前在國內(nèi)外應(yīng)用廣泛，現(xiàn)將近年的工作經(jīng)驗(yàn)報(bào)道如下。

1 配合比試驗(yàn)研究

（1）原材料性能試驗(yàn)：包括水泥的細(xì)度、稠度、凝結(jié)時(shí)間、安定性、強(qiáng)度等；黏土的比重、液塑限、顆分、礦物成分等；膨潤土的比重、液塑限、顆分、礦物成分等；砂子的細(xì)度模數(shù)和石子的顆分、堆積密度、含泥量等；外加劑的細(xì)度、減水率、抗壓強(qiáng)度比、凝結(jié)時(shí)間差等。

（2）配合比試驗(yàn)：將水泥、黏土及膨潤土、砂子及石子、外加劑等四種材料進(jìn)行不同配比組合，進(jìn)行配合比試驗(yàn)，并測試在不同情況下塑性混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、滲透系數(shù)等。

（3）配合比物理力學(xué)性能驗(yàn)證試驗(yàn)：根據(jù)試驗(yàn)成果，選取兩組推薦配合比材料進(jìn)行測試，內(nèi)容包括坍落度、彈性模量、泊松比、滲透系數(shù)、內(nèi)摩擦角及凝聚力、容重等。

（4）提出影響塑性混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量、滲透系數(shù)的因素及如何通過配合比的優(yōu)化設(shè)計(jì)來滿足塑性混凝土的各項(xiàng)指標(biāo)，特別是抗?jié)B性能指標(biāo)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)原理

在滿足強(qiáng)度和透水性能前提下，利用正交試驗(yàn)方法研究透水性混凝土配合比設(shè)計(jì)。根據(jù)影響混凝土強(qiáng)度的主要因素，逐一通過實(shí)驗(yàn)討論各個(gè)因素對混凝土強(qiáng)度影響的程度和大小，即先固定其他因素在量上不變,在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)，改變某一個(gè)因素的用量，用同樣的方法確定其最佳值。依次類推，得到每個(gè)影響因素的最佳值,最后將這組最佳值再進(jìn)行一次復(fù)核實(shí)驗(yàn)，該方法又叫逐漸收斂法。由于實(shí)驗(yàn)室萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)最大試載壓力較小，為能測試混凝土試塊最大單軸抗壓強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)配置混凝土標(biāo)號不能太高，可采用 C15 混凝土為研究對象。為縮短實(shí)驗(yàn)周期、減少實(shí)驗(yàn)成本，根據(jù)相似原理要求，結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件，試塊均采用小尺寸非標(biāo)準(zhǔn)方形試件,以萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)承載托盤最大尺寸 70 mm為基準(zhǔn);自然養(yǎng)護(hù), 時(shí)間不能太長，統(tǒng)一規(guī)定為 3d;C15 混凝土配合比規(guī)范規(guī)定:水灰比w/c為 0.59～0.67；水泥用量 mc 為 284～356kg/m3；水用量 mw為 190～210kg/m3；粗骨料用量 mg 為 1201～1157kg/m3。對透水系數(shù)的測定采用如圖1所示方法，從套筒的上端注入高為 H的水,水通過高為 L 的試件進(jìn)入外套筒最后從溢水口流出。在測試時(shí)間段 △T 內(nèi),持續(xù)加水與溢出平衡時(shí),用量筒計(jì)量通過橫截面為 A 的混凝土試塊的出水量為 Q,則透水系數(shù) K1為

式中: V 為試件外觀體積；m1為試件在水中的質(zhì)量;m2為試件在空氣中干燥 24h 后的質(zhì)量。

2.2 試驗(yàn)材料

水泥使用 32.5 級硅酸鹽水泥;骨料采用人工碎石,粒徑r取6.0～10.0mm,10.0～15.0mm,15.0～20.0mm 的單一粒級;使用飲用自來水。

2.3 試驗(yàn)方法

考慮到粗骨料表面要形成穩(wěn)定均勻的水泥漿層,攪拌時(shí)采用水泥包裹法,即先往骨料中加入 1/2 有效水,攪拌骨料使骨料表面被水全部濕潤,再加水泥拌和,形成包裹骨料表面的水泥粉,最后加入剩余水?dāng)嚢杈鶆?這樣攪拌就能形成骨料表面的均勻厚度的水泥包裹層,并且不使水泥漿下滴;采用機(jī)械振搗 20s,自然養(yǎng)護(hù) 1 天后脫模,先測量其空隙率,再在透水系數(shù)測定儀器中測定水系透數(shù),3 天后在萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上測定其抗壓強(qiáng)度。每組試件預(yù)制 5 塊,選取 3 塊做測試試驗(yàn),分別測試其空隙率、水系透數(shù)和抗壓強(qiáng)度,取其平均值作為該組試件的測試值。

3 配合比設(shè)計(jì)

3.1 混凝土試配強(qiáng)度

混凝土試配強(qiáng)度 Rh 按式(3)確定：Rh=Rb+1.645δ (3)

式中:Rb 為設(shè)計(jì)標(biāo)號(MPa)；R為混凝土的標(biāo)準(zhǔn)差(MPa)。

3.2 水泥用量

考慮到透水混凝土是由粗骨料為骨架，粗骨料之間的水泥交結(jié)面保證其強(qiáng)度，故使用漿體充填空隙體積的量占堆積空隙體積的 30%～70% 均可，骨料的堆積空隙率在0.50～0.58之間。結(jié)合標(biāo)號為 C15，透水性混凝土水泥用量為300～348kg/m3。

3.3 水灰比

水灰比(w/C )既是影響強(qiáng)度又是影響透水系數(shù)的關(guān)鍵因素，目前最佳水灰比在 0.25～0.35 之間，可取 0.28，0.31，0.34 這三個(gè)水平。

3.4 粗集料用量

粗骨料是透水性混凝土的骨架,也是決定強(qiáng)度和透水性的主要指標(biāo)。其強(qiáng)度的形成主要依靠粗集料表面的水泥漿體,保證集料表面接觸互相固結(jié),形成多空隙結(jié)構(gòu)體, 因此具有相當(dāng)大的透水性。使用的水泥、 集料等要求見表 1。

表 1 粗集料要求

單位體積粗集料的含量 G 取集料堆積密度的 0.98 倍。于是初步得到骨膠比為 3.5～5.0 之間,試驗(yàn)可取三個(gè)水平為 4.0，4.5，5.0。

4 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

4.1 正交試驗(yàn)表

選定 3 因素、3 水平建立正交表（見表2)。

表 2 正交試驗(yàn)表

4.2 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

在建立的正交試驗(yàn)表基礎(chǔ)上按上述要求測試出試件規(guī)定的K1、K2、Rh 值后，對試件的 K1、K2、Rh 進(jìn)行極差分析,并根據(jù)極差分析結(jié)果確定最優(yōu)的配合比方案。然后進(jìn)行 K1、K2、Rh 的方差分析，根據(jù)方差大小利用 F 檢驗(yàn)確定各因素的顯著性;或由正交試驗(yàn)的結(jié)果利用求解超定方程的方法,分別對K1、K2、Rh 進(jìn)行線性回歸分析,由線性回歸分析各函數(shù)的系數(shù)大小和正負(fù),即可判斷各因素的顯著性 (包括影響大小和性質(zhì))。

5 結(jié)論

根據(jù)相似原理的正交試驗(yàn)方法,提出了基于骨料粒徑、骨膠比、水灰比對透水混凝土的抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)和空隙率的影響；根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別采用極差分析和方差分析，或根據(jù)正交試驗(yàn)的結(jié)果利用求解超定方程和進(jìn)行線性回歸分析的方法，確定各因素的顯著性。該方法也適合于研究多種因素、不同性質(zhì)和目的混凝土的最佳配合比,為實(shí)際工程中對混凝土的設(shè)計(jì)和施工提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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