基于凍融破壞的透水混凝土配合比優化試驗研究

王彪東

（建昌縣水利科技推廣中心，遼寧葫蘆島125300）

0 引言

在傳統河道整治工程中，河道護坡往往通過普通混凝土砌塊或混凝土澆筑的方式處理，從而人為隔絕了河道生態系統中的物質交換，不利于河道自然生態環境的保護和改善[1]。面對這一問題，生態透水混凝土日益成為當前河道整治工程中的常用材料[2]。透水混凝土的出現成為解決上述問題的有效措施，逐漸受到人們廣泛的關注，并在相關工程建設中大力推廣[3]。透水混凝土最早出現于建筑技術比較發達的西方國家，并在當地的地面鋪裝以及河道工程建設中得到了十分廣泛的應用。從國內的情況來看，受到各方面因素的影響，透水混凝土的研究和應用起步較晚，諸多工程技術問題也沒有得到有效的解決，特別是透水性和強度之間的矛盾，已經成為限制透水混凝土推廣應用的重要因素[4]。在我國北方寒區的河道整治工程中，由于透水混凝土內部孔隙較多，水分含量較高，在冬季往往會面臨更為嚴重的凍融破壞，進而影響到工程本身的安全性和耐久性[5]。此次研究采用室內試驗的方法，對河道整治工程用透水混凝土的配合比進行優化，在保證混凝土透水性等生態價值的同時，盡量提升其凍融條件下的強度和耐久性，為相關工程建設提供必要的支持。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

水泥是混凝土的重要組成部分和主要膠凝材料，對混凝土的性能存在顯著影響[6]。此次試驗采用本溪市紅星水泥廠出品的P·O42.5 普通硅酸鹽水泥。試驗研究使用的粗骨料是石灰巖人工碎石，鑒于骨料粒徑是透水混凝土強度和透水性的重要影響因素，粗骨料的粒徑越大，混凝土的透水性就越好，但是強度也會隨之降低[7]。此次研究選用人工碎石粒徑為5～10 mm，經檢驗測定，試驗用粗骨料質地堅硬，具有良好的高溫穩定性，滿足相關技術要求。

研究中，在水泥漿中摻入一定比例的硅粉，其目的是提高混凝土的強度，同時降低透水混凝土的制備成本[8]。此次試驗采用920U 的半加密硅粉；試驗用礦粉為本鋼集團有限公司出品的高爐礦渣礦粉；試驗用膠粉為唐山宏光建材科技有限公司出品的防水膠粉；試驗用減水劑為聚羧酸高效減水劑。

1.2 試驗方案

根據相關研究，造成透水混凝土凍融破壞的影響因素較多，影響的機理也相對比較復雜，但其中最重要、影響最為顯著的因素有3 個，分別是水膠比、漿集比及骨料級配[9]，將這3 個因素作為主要變量，對其設計不同的因素水平，利用正交試驗的方式進行試驗研究，以獲取不同因素對混凝土凍融條件下的安全性和耐久性的影響，具體的試驗方案設計如表1 所示。

表1 透水混凝土凍融正交試驗表

1.3 試件制作

試件制作使用100 mm×100 mm×400 mm 的長方體模具。在試件制作之前，首先對模具內部進行清理，并擦拭干凈，然后涂抹一層脫模劑。將按照表1 中的不同試驗方案制作的透水混凝土倒入模具，在高度達到模具一半時進行插搗，然后再倒入混凝土并插搗密實，最后抹平試件的上表面。將制作好的試件在常溫下靜置24 h 脫模，然后放置于標準養護室養護28 d。為了提高試驗精度，每種試驗方案制作6 個試件，以其試驗結果的均值作為最終試驗結果。

1.4 試驗方法

為了提高試驗的效率，對制作的試件利用快凍法進行凍融試驗。具體過程：將制作并養護完畢的試件在清水中浸泡2 d，然后將試件去除并擦拭干凈表面的水分，靜置24 h 后測量試件的原始數據。利用凍融機對試件進行7 組，每組10 次，共70 次凍融試驗，為了提高試驗精度，將每組6 個試件試驗結果的均值作為該組試驗的最終結果。

2 試驗結果與分析

2.1 質量損失

根據試件的原始質量以及每組凍融試驗完成之后試件的質量，計算獲取凍融條件下試件的質量損失，結果如表2所示。根據計算結果，繪制出圖1，圖2。由表2 和圖1 可知，T1 和T8 兩組試件在試驗過程中的質量損失最小，均不超過0.100 kg，質量損失最大的為T9 組試件，70 次凍融循環之后的質量損失達到了0.232 kg，剩余幾組試驗的結果比較接近，重量損失在0.100 ～0.200 kg 之間。從圖1 曲線來看，凍融循環次數越多，混凝土的質量損失越嚴重。由圖2 可知，質量損失率會隨著水膠比、漿集比和骨料級配的增大而增大。但是，質量損失率隨著水膠比和漿集比的增加先緩慢增加然后急劇增加；而隨著骨料級配的增大而急劇增大，然后緩慢下降。結合上述試驗結果，T1 組的質量損失和質量損失率最低，為最優組合。

表2 試件質量損失試驗結果kg

2.2 動彈模量損失

試驗過程中，對不同凍融循環次數下的試件動彈模量進行測試，根據測試結果計算出動彈模量衰減率。其中，動彈模量的試驗結果如表3 所示，動彈模量衰減變化曲線如圖3 和圖4 所示。由表3 可以看出，隨著凍融循環次數的增加，各組試件的動彈模量均呈現出不斷減小的特點。由此可見，凍融循環會顯著降低混凝土的動彈模量，從而影響到混凝土本身的強度和耐久性。從圖3 可以看出，動彈模量的衰減率隨著凍融循環次數的增加而穩步增加，在70 次凍融循環之后，T7 組試件的衰減率最大，為77.51%，其次為T1，衰減率達到了74.63%，T6組試件的衰減率最小，為40.99%。由此可見，在混凝土試件經過70 次凍融循環之后，其動彈模量的下降幅度較大，均在40%以上。結合質量損失率計算結果，試件的質量損失率相對較小，均在3%以內。動彈模量大幅降低是混凝土凍融破壞的主要表現形式，應以此為主要依據進行混凝土配合比的優化。從圖4 來看，隨著水膠比和漿集比的增大，混凝土試件的動彈模量衰減率呈現出先減小后增大的趨勢，且均在水平2時達到最小值；隨著骨料級配的增大，試件的動彈模量的衰減率呈現出逐漸增大的態勢，但是增加的速率逐漸降低。因此，透水混凝土的最優配合比應為水膠比0.27、漿集比0.40、骨料級配4.00～8.00 mm。

圖1 質量損失率隨凍融循環次數變化曲線

圖2 質量損失率隨因素水平變化曲線

表3 試件動彈模量試驗結果GPa

圖3 動彈模量衰減率隨凍融循環次數變化曲線

圖4 動彈模量衰減率隨因素水平變化曲線

3 結論

配合比是透水混凝土抗凍融性能的重要影響因素，對其進行優化研究具有重要的理論意義和工程價值。此次研究選擇水膠比、漿集比和骨料級配3 個因素，利用室內正交試驗的方法研究了凍融條件下透水混凝土質量損失率和動彈模量的變化規律。結果顯示，質量損失率隨著水膠比和漿集比的增加先緩慢增加然后急劇增加；而隨著骨料級配的增大而急劇增大，然后緩慢下降。根據動彈模量大幅降低這一混凝土凍融破壞的主要表現形式，認為透水混凝土的最優配合比應為水膠比0.27、漿集比0.40、骨料級配4.00～8.00 mm。當然，混凝土凍融破壞影響因素復雜多變，文章結論的科學性和準確性有待具體工程實踐的進一步驗證。