寒區水利工程用透水混凝土配合比優化試驗研究

史衍慧

(博樂市農村飲水安全供水總站，新疆 博樂 833400)

1 概 述

在傳統河道整治工程中，河道護坡的治理方式往往比較單一，并給河道周圍的自然景觀以及河流本身的生態系統穩定性造成不同程度的影響[1]。面對人類社會發展對生態環境提出的更高要求，生態透水混凝土在河道整治工程中日漸得到廣泛應用[2]。透水混凝土又被稱為無沙混凝土、多孔混凝土或大孔混凝土，是由粗骨料和膠凝材料以及大量沒有被填充的孔隙構成，具有一定的強度和良好的透水性[3]。透水混凝土的使用最早可以追溯至1852年的英國，上世紀60代開始美國、日本等西方發達國家對其進行了深入研究。我國對透水混凝土的研究起步較晚，直到上世紀90年代才全面展開[4]。由于透水混凝土的理論和制備工藝方面缺乏深入研究，特別是強度和透水性方面的矛盾至今未能得到徹底解決，因此限制了其應用和推廣[5]。對我國北方寒區而言，氣候因素對透水混凝土的影響不容忽視。顯然，河道護坡透水混凝土中水分含量往往較高，而透水混凝土相對于普通混凝土具有更大的孔隙率，且孔隙多為大于200 nm的多害孔。因此，凍融破壞就成為河道整治工程中透水混凝土的主要破壞形式[6]。基于此，本次研究采用正交試驗的方法，分析河道整治工程透水混凝土的凍融破壞機理和規律，以尋求最優配合比方案，為透水混凝土在寒區河道整治工程中的應用和推廣提供必要的理論和技術支撐。

2 試驗設計

2.1 試驗材料

試驗用水泥為鐵嶺市鐵新水泥有限公司生產的鐵新牌P·O42.5型普通硅酸鹽水泥； 試驗研究使用的粗骨料是石灰巖巖質人工碎石。根據試驗要求，粗骨料的級配為3個單一級配，分別為4.50～8.50 mm，8.50～12.50 mm，12.50～19.00 mm。在透水混凝土制備過程中，在水泥漿中摻入一定比例的硅粉，有助于提高混凝土的強度，降低成本[7]。研究中選用的是挪威艾肯公司出品的920 U的半加密硅粉。試驗用減水劑為江蘇博特有限公司生產的PCA?(I)聚羧酸高效減水劑。

2.2 試驗方案

梳理透水混凝土強度和凍融研究方面的文獻資料認為，影響透水混凝土凍融破壞的因素較多，其中最為顯著的是水膠比、漿集比一級骨料級配[8-9]。因此，本文研究中將上述3個影響因素作為調控因素，并設計出相應的因素水平進行正交試驗設計。其中，水膠比設計0.26，0.29和0.32三個水平，漿集比為0.40，0.45和0.50三個水平，骨料級配則設置4.50～8.50 mm，8.50～12.50 mm，12.50～19.00 mm三個因素水平。混凝土中的減水劑的摻量暫定為0.3%，試驗中根據實際拌和狀態進行微調。正交試驗方案具體設計見表1。

表1 正交試驗設計表

2.3 試驗過程

試件的制作以上節設定的9組正交試驗方案進行，每組試驗制作6個試件，共54個試件。試件制作的模具為內徑100 mm×100 mm×400 mm的長方體鋼模。目前，在混凝土試件制作方面的成型方法主要有插搗、振動、壓力和振壓等4種常用的成型方法。通過對上述4種方法的特征對比，結合本次試驗的目的和要求，確定采用振動臺振動成型法進行試件制作，搗振時間控制在15 s以內。脫模后的試件在標準養護條件下養護至相應的齡期，然后進行后續實驗。

2.4 試驗方法

由于水利工程對混凝土抗凍性要求高，其凍融循環次數高達200～300次，且經常處于水環境中，如果以慢凍法檢驗所耗費的時間及勞動量較大，因此研究中試件的凍融試驗采用快凍法。將養護完成后的試件放入水中浸泡2 d后在空氣中靜置24 h，然后測量其原始數據并記錄。將試件放入凍融機進行凍融試驗，每次試驗進行10個凍融循環，達到試驗次數或試件破壞時停止試驗。在每進行完10次凍融試驗后，停止凍融取出試件，對試件的質量、橫向基頻、彈性模量進行測量和記錄。試驗中，將每組所有6個試件的試驗結果均值作為本組試驗的最終結果。

3 試驗結果與分析

3.1 質量損失結果與分析

根據試驗結果，統計出各組試件在反復凍融循環條件下的質量損失以及質量損失率。其中，試件的質量損失結果見表2，質量損失率結果見圖1，不同因素對質量損失率的影響見圖2。

表2 凍融試驗質量損失 /g

圖1 透水混凝土質量損失率

圖2 因素水平對質量損失率的影響

由表2和圖1可知，試件質量損失最小的是T1和T8，質量損失量均在0.1 kg以下；T9組試件的質量損失量最大，其余6組的質量損失量相差不大。由圖1可知，各組試件的質量損失率均隨著凍融次數的增加而增加，且T9組試件的質量損失率增加最快。結合表1中的因素水平設計可知，粗骨料的級配對試件質量損失率的影響最大。由圖2可知，透水混凝土試件的質量損失率隨著水膠比的增大而增大，并且增加速率越來越大。漿集比的變化也呈現出類似的規律，試件的質量損失率隨著漿集比的增大先緩慢增大，后急劇增加。究其原因，主要是水膠比和漿集比過大，混凝土容易產生硬化裂隙，進而降低混凝土的強度，增加與外界的接觸面積，因此質量損失率偏大。透水混凝土試件的質量損失隨著粗骨料級配的增大而急劇增大，然后增速趨緩。究其原因，主要是骨料粒徑越大，骨料間的咬合點越少，由此產生較大的孔隙，增加了與外界環境的接觸面積，因此導致較大的質量損失。當骨料粒徑增大到一定程度后，上述影響作用有所減弱，因此質量損失增長幅度變小。根據上述變化規律，從試件的質量損失比角度來看，正交試驗方案的T1組為最優組合，也就是水膠比為0.26、漿集比為0.40，骨料級配為4.50～8.50 mm。

3.2 動彈模量損失結果與分析

根據試驗結果，統計出各組試件在反復凍融循環條件下的動彈模量以及動彈模量的衰減率。其中，試件的動彈模量試驗結果見表3，動彈模量衰減率結果見圖3，不同因素對動彈模量衰減率的影響見圖4。

表3 試件的動彈模量試驗結果 /GPa

圖3 動彈模量衰減率變化曲線

圖4 不同因素水平對動彈量衰減率的影響

由表3可知，各組試件的動彈模量均會隨著凍融循環次數的增加而減小，說明凍融循環會對透水混凝土的動彈模量造成十分顯著的影響，且影響的作用效果存在明顯的相似性。由圖3可知，隨著凍融循環次數的增加，各組試件的動彈模量衰減率呈現出穩步增加的態勢，其中衰減率最大的為T7，達到77.51%，其次是T1，為74.63%，衰減率最小的為T6，為40.99%，其余各組均在48%～70%之間。由此可見，凍融循環70次之后，試件的相對動彈模量均下降至60%以下，下降幅度較大的已經下降至30%以下，而由上節的計算結果可知，在試件進行70次凍融循環之后，質量損失率都相對較小，遠沒有達到5%。因此，透水混凝土的凍融破壞主要表現為動彈模量的極限破壞，用動彈模量表征透水混凝土的抗凍性，并以此為主要依據進行配合比的優化是科學的、合適的。由圖4可知，試件的動彈模量衰減率隨著水膠比和漿集比的增大呈現出先減小后增大的變化特征，均為水平2時最低。究其原因，主要是水膠比和漿集比的增大會導致骨料之間黏結力的增大，動彈模量的衰減率也就隨之減小，但是水膠比和漿集比過大，會導致混凝土硬化產生較多的微裂縫，進而影響混凝土的強度，因此動彈模量衰減率會隨之增大。試件的動彈模量衰減率隨著骨料級配的增大而增大，但是變化速率逐步減小。究其原因，主要是骨料級配越大，骨料之間的黏結效果越差，從而造成混凝土強度的降低，因此動彈模量衰減率也會隨之增大。因此，最優配合為水膠比0.29、漿集比0.45、骨料級配4.50～8.50 mm。

4 結 論

針對北方寒區河道護坡透水混凝土易遭受凍融破壞的問題，采用多因素正交試驗的方法，對基于凍融破壞的河道整治工程透水混凝土配合比展開優化試驗研究，并獲得如下主要結論：

1) 凍融循環70次之后，試件的相對動彈模量均下降至60%以下，而質量損失率遠沒有達到5%。因此，透水混凝土的凍融破壞主要表現為動彈模量的極限破壞，可以用動彈模量作為主要依據進行配合比的優化。

2) 根據試件的動彈模量衰減率隨著水膠比、漿集比和骨料級配的變化規律分析，基于抗凍性的透水混凝土最優配合為水膠比0.29、漿集比0.45、骨料級配4.50～8.50 mm。