河道整治工程現(xiàn)澆透水混凝土施工參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究

鄒 升

(浩喬建設(shè)集團(tuán)有限公司， 江西 南昌 330077)

1 研究背景

在城鎮(zhèn)化建設(shè)過(guò)程中，河道整治成為提高城鎮(zhèn)防洪、防內(nèi)澇能力，強(qiáng)化城區(qū)景觀效果的重要工程措施，成為城鎮(zhèn)地區(qū)水利工程建設(shè)的重要內(nèi)容[1]。在傳統(tǒng)河道整治工程中，河岸和堤防硬化處理是最主要和最常見(jiàn)的工程模式，但是這種模式注重邊坡的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，忽略了河道生態(tài)環(huán)境建設(shè)，會(huì)造成河道生態(tài)之間的人為隔絕，不利于河道生態(tài)環(huán)境的保持和優(yōu)化，甚至還會(huì)對(duì)河道生態(tài)環(huán)境造成十分嚴(yán)重的負(fù)面影響[2]。因此，在河道整治工程中，不僅要考慮工程措施的耐久性和經(jīng)濟(jì)性，還應(yīng)該注重對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)[3]。在這一背景下，透水混凝土鋪裝日益成為水利工程，特別是河道整治工程中最重要的鋪裝形式。透水鋪裝可以打通河道生態(tài)系統(tǒng)和水體的有效聯(lián)結(jié)和循環(huán)，同時(shí)還可以為各種生物營(yíng)造良好的棲息環(huán)境[4]。但是，由于透水混凝土具有孔隙度高、強(qiáng)度相對(duì)較低的特點(diǎn)，在長(zhǎng)途運(yùn)輸中極易造成損壞?；诖耍诤拥勒喂こ态F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)澆透水混凝土鋪裝就成為未來(lái)的發(fā)展方向。基于此，本文通過(guò)試驗(yàn)研究的方法，對(duì)現(xiàn)澆透水混凝土的施工參數(shù)展開(kāi)優(yōu)化研究，力求為現(xiàn)澆透水混凝土的工程應(yīng)用提供有力的技術(shù)支持。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用水泥為石家莊上安水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。依據(jù)GB 175—2007《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》對(duì)該水泥進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果顯示各項(xiàng)指標(biāo)都滿足要求，可以用于相關(guān)實(shí)驗(yàn)[5]。實(shí)驗(yàn)用細(xì)骨料為河沙，其性能滿足相關(guān)規(guī)范要求；實(shí)驗(yàn)用粗骨料為機(jī)制碎石，粒徑為5～30mm；實(shí)驗(yàn)用粉煤灰為熱電廠生產(chǎn)的F型Ⅱ級(jí)粉煤灰，其性能符合GB/T1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中 II 級(jí)粉煤灰要求；試驗(yàn)用纖維為聚丙烯纖維，單絲長(zhǎng)度為19mm，直徑約30μm。實(shí)驗(yàn)用減水劑為山東萊蕪汶河化工有限公司生產(chǎn)的FDN-AⅡ型高效減水劑；其拌合用水為自來(lái)水。

2.2 試驗(yàn)方案

結(jié)合現(xiàn)澆混凝土的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)以及透水混凝土的特點(diǎn)，認(rèn)為影響透水混凝土力學(xué)性質(zhì)的主要因素為厚度、搗振時(shí)長(zhǎng)以及坡度，因此在試驗(yàn)中選擇上述3個(gè)影響因素，采用正交試驗(yàn)的方法對(duì)施工工藝展開(kāi)優(yōu)化研究[5]。在透水混凝土中，其強(qiáng)度主要來(lái)自2個(gè)方面，為水泥等膠結(jié)材料的黏結(jié)作用和粗骨料之間的嵌擠作用。因此混凝土的厚度將對(duì)其強(qiáng)度產(chǎn)生較為明顯的影響[6]。結(jié)合相關(guān)研究成果，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了10、12、14、16cm 4種不同的厚度；混凝土的搗振時(shí)間會(huì)對(duì)其密實(shí)度產(chǎn)生直接影響，結(jié)合相關(guān)研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，在研究中設(shè)計(jì)了3、6、9和12s 4個(gè)不同搗振時(shí)間；透水混凝土主要用于河道護(hù)坡，因此坡度也是重要的影響因素，試驗(yàn)中結(jié)合實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了1.0、0.8、0.6和0.4 4個(gè)不同的坡度。按照上述各影響因素的水平值，設(shè)計(jì)三因素四水平正交試驗(yàn)方案[7]，見(jiàn)表1。

表1 現(xiàn)澆透水混凝土正交試驗(yàn)方案

2.3 試驗(yàn)方法

為了提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每組方案制作3個(gè)試件，并將3個(gè)試件的試驗(yàn)結(jié)果均值作為該方案的最終試驗(yàn)結(jié)果?，F(xiàn)澆混凝土采用裹漿法攪拌制作，在混凝土出倉(cāng)之后，將其裝入預(yù)先制備好的模板中，然后利用平板搗振器進(jìn)行搗振，試件成型48h后拆模，然后在自然條件下養(yǎng)護(hù)28d，進(jìn)行試驗(yàn)，養(yǎng)護(hù)過(guò)程中要對(duì)試件的表面覆蓋毛氈，每天早晚灑水2次，灑水養(yǎng)護(hù)不少于7d。按照試驗(yàn)要求和場(chǎng)地的大小，模板的尺寸為60cm×80cm，厚度按照混凝土的成型厚度水平設(shè)計(jì)。根據(jù)在模板下面設(shè)置鋼筋支架，保證模板達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)的坡度。

測(cè)定混凝土的力學(xué)性能必須要按照相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，同時(shí)需要按照相關(guān)的規(guī)定嚴(yán)格在操作，確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性[8- 10]。對(duì)本次試驗(yàn)而言，其所有的試驗(yàn)步驟均按照DL/T 5330—2005《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》的相關(guān)要求進(jìn)行，試驗(yàn)采用WAW-3000C萬(wàn)能伺服試驗(yàn)機(jī)，并記錄好相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

利用上節(jié)的試驗(yàn)方法進(jìn)行所有試件的力學(xué)性能試驗(yàn)，并記錄相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 現(xiàn)澆透水混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

由表2中的結(jié)果可以看出，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度會(huì)受到混凝土成型厚度、搗振時(shí)長(zhǎng)以及成型坡度的顯著影響。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了對(duì)比和分析不同因素對(duì)試件的力學(xué)性能的影響，研究中首先對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，并根據(jù)分析結(jié)果獲取厚度、搗振時(shí)間以及坡度等因素與力學(xué)性能指標(biāo)關(guān)系，然后分析獲取最佳的工藝參數(shù)[11- 15]。限于文章的篇幅，具體分析過(guò)程不再贅述。

3.2.1成型厚度的影響分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及極差分析結(jié)果，繪制成型厚度與透水混凝土28d抗壓、抗折強(qiáng)度的關(guān)系圖，如圖1—2所示。

圖1 成型厚度與抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖

圖2 成型厚度與抗折強(qiáng)度關(guān)系圖

由圖1—2可知，透水混凝土試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨著成型厚度的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，成型厚度為12cm時(shí)的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度達(dá)到了最大值。究其原因，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度主要由骨料和水泥等膠凝材料之間的膠結(jié)作用產(chǎn)生，其抗折強(qiáng)度主要由纖維和膠凝材料的抗拉拔力以及膠凝材料和骨料之間的黏結(jié)力產(chǎn)生。當(dāng)透水混凝土的厚度較小時(shí)，其內(nèi)部?jī)H有層數(shù)不多的骨料堆積，纖維、骨料和膠凝材料之間的有效粘結(jié)相對(duì)較少，因此透水混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度相對(duì)較低。隨著成型厚度的增加，上述有效粘結(jié)會(huì)顯著增多，因此抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均有顯著增加。但是，隨著厚度的進(jìn)一步增大，受到試驗(yàn)用搗振設(shè)備特性的限制，其內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)較多的大孔隙結(jié)構(gòu)，在外界荷載的作用下，極易出現(xiàn)局部的變形破壞，因此抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。

3.2.2搗振時(shí)長(zhǎng)的影響分析

研究中結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及極差分析結(jié)果，繪制搗振時(shí)間與透水混凝土28d抗壓、抗折強(qiáng)度的關(guān)系圖，如圖3—4所示。

圖3 搗振時(shí)長(zhǎng)與抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖

圖4 搗振時(shí)長(zhǎng)與抗折強(qiáng)度關(guān)系圖

由圖3—4可知，透水混凝土試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨著搗振時(shí)長(zhǎng)的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，搗振時(shí)長(zhǎng)為9s時(shí)的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度達(dá)到了最大值。究其原因，在透水混凝土施工過(guò)程中，隨著搗振時(shí)長(zhǎng)的不斷增加，混凝土材料之間的密實(shí)度會(huì)明顯增加，骨料之間的膠結(jié)作用也明顯增強(qiáng)，進(jìn)而形成了更為良好的整體性，因此其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均有不同程度的增大。但是，在搗振時(shí)長(zhǎng)超過(guò)9s之后，膠凝材料會(huì)隨著搗振作用下滑，造成混凝土的上部膠凝材料減少，而下部會(huì)出現(xiàn)一定的沉漿現(xiàn)象，進(jìn)而造成試件抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的降低。因此，在現(xiàn)澆透水混凝土的施工過(guò)程中，要合理設(shè)計(jì)搗振時(shí)間，以獲取最佳工程效果。

3.2.3坡度的影響分析

研究中結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及極差分析結(jié)果，繪制坡度與透水混凝土28d抗壓、抗折強(qiáng)度的關(guān)系圖，如圖5—6所示。

圖5 成型坡度與抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖

圖6 成型坡度與抗折強(qiáng)度關(guān)系圖

由圖5—6可知，透水混凝土試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨著成型坡度的減小呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，混凝土的成型坡度為0.8時(shí)的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度達(dá)到了最大值。究其原因，在透水混凝土施工過(guò)程中，如果坡度較大，混凝土材料會(huì)受到較大的向下重力作用影響，因此搗振過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致膠凝材料的下滑，造成混凝土內(nèi)部的膠凝材料分布不均，進(jìn)而影響到其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。隨著坡度的減小，上述現(xiàn)象會(huì)明顯減弱，因此混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度會(huì)明顯提高。但是，隨著坡度的進(jìn)一步減小，重力對(duì)混凝土材料的影響作用會(huì)明顯減弱，并導(dǎo)致透水混凝土內(nèi)部骨料之間的膠結(jié)作用減弱，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度也會(huì)隨之減弱。

3.3 優(yōu)化方案驗(yàn)證

由上文的試驗(yàn)結(jié)果可知，現(xiàn)澆透水混凝土施工中的最佳參數(shù)組合為厚度12cm、搗振時(shí)長(zhǎng)9s、成型坡度0.8。顯然，該組合并沒(méi)有出現(xiàn)在正交試驗(yàn)方案中。因此，研究中按照上述參數(shù)，在試驗(yàn)材料和方法不變的情況下，重新制作3個(gè)試件進(jìn)行驗(yàn)證研究，具體的驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 最佳參數(shù)組合驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果 單位：MPa

由試驗(yàn)結(jié)果可知，3個(gè)試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的均值分別為8.21和2.32MPa，都大于正交試驗(yàn)中的最大值，驗(yàn)證了該組合的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以在工程建設(shè)中選用。

4 結(jié)論

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，水利工程建設(shè)的生態(tài)形要求日益提高。此次研究針對(duì)河道水利工程對(duì)生態(tài)透水混凝土的實(shí)際需求，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的方法探討了施工參數(shù)對(duì)現(xiàn)澆透水混凝土的影響規(guī)律，并提出了最優(yōu)施工參數(shù)組合，對(duì)現(xiàn)澆透水混凝土在河道整治工程中的推廣應(yīng)用提供了必要的理論支持和試驗(yàn)研究方法方面的借鑒。限于篇幅，本文僅對(duì)厚度、搗振時(shí)間以及坡度3個(gè)因素對(duì)生態(tài)混凝土強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究，并沒(méi)有對(duì)透水性和耐久性進(jìn)行進(jìn)一步的研究。因此，在今后的研究中，需要進(jìn)一步探索施工參數(shù)對(duì)現(xiàn)澆透水混凝土滲水性和耐久性的影響，進(jìn)一步提高研究成果的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。