骨膠比及水灰比對透水混凝土性能的影響

周太華 陳征征 趙晨陽

摘? 要：為了研究骨膠比和水灰比對透水混凝土的整體抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的直接影響，研究出綜合性能最好、性價(jià)比最好的配合比。將使用單一變量法，設(shè)計(jì)不同的骨膠比和水灰比進(jìn)行試驗(yàn)，從而得出抗壓強(qiáng)度與透水系數(shù)的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，透水混凝土整體的抗壓強(qiáng)度及透水系數(shù)與相應(yīng)的配合比有較大的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：透水混凝土;骨膠比;水灰比;抗壓強(qiáng)度;透水系數(shù)

0引言

近代以來，隨著現(xiàn)代人們需求的不斷提高，城市化的推動(dòng)和建設(shè)也在突飛猛進(jìn)，雖然這一時(shí)期人們的物質(zhì)和生活條件都得到顯著的提高和改善，但同時(shí)也給城市帶來了各種嚴(yán)峻的環(huán)境污染問題——城市中的雨水不能及時(shí)收集和利用，造成資源浪費(fèi)，并且導(dǎo)致空氣中熱量難以正常流通，造成“熱島效應(yīng)”[1]。透水混凝土恰好可以有效的解決雨水再利用的問題。一些學(xué)者也對此進(jìn)行了一些研究：邊亞東等[2]在透水混凝土強(qiáng)度研究中，得出混凝土強(qiáng)度會(huì)受到水灰比，再生骨料粒徑和目標(biāo)孔隙率的影響。佟鈺[3]等人在對透水混凝土的研究當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水灰比為0.38～0.41時(shí)，骨膠比為4.0～4.6，相應(yīng)的整體強(qiáng)度最好。袁漢卿[4]在對透水混凝土的研究中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)骨料被50%取代時(shí)，強(qiáng)度最好。Muhammad[5]研究透水混凝土，得到孔隙率和滲透系數(shù)對抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度滲透性的影響。Chindaprasirt[6]研究發(fā)現(xiàn)，添加適量的細(xì)砂和粉煤灰可以提高透水混凝土整體的強(qiáng)度[7]。

本文將透水混凝土的水灰比和骨膠比作為兩個(gè)變量，對比各組試驗(yàn)分析研究透水混凝土的抗壓強(qiáng)度、水灰比、骨膠比、透水系數(shù)四者之間的關(guān)系。歸納出透水混凝土整體性能最佳的配合比，以減少工程中的不必要用料。

1試驗(yàn)原材料

原材料主要包括水泥、礫石、水。其中復(fù)合水泥采用的是由安徽宿州海螺水泥公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，性能標(biāo)準(zhǔn)如圖表1，水泥的物理性能如表2，水泥的化學(xué)物質(zhì)組成如表3。石子購自江蘇揚(yáng)州某公司，采用5-10mm的礫石粗骨料，性能測試如圖表4。

表1水泥技術(shù)性能指標(biāo)

項(xiàng)目凝結(jié)時(shí)間抗折強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度細(xì)度篩余/%初凝/min終凝/h3d28d3d28d標(biāo)準(zhǔn)≥45≤10≥3.5≥6.5≥16.0≥42.5≤10表2 水泥的物理性能

項(xiàng)目凝結(jié)時(shí)間（h：min）抗折強(qiáng)度（MPa）抗壓強(qiáng)度（MPa）安定性初凝終凝3d28d3d28d測量2：156：075.27.532.458合格表3 P.O42.5水泥的化學(xué)組成

品種SiO2Al2O3CaOMgOK2OFe2O3Na2OSO3燒失量組成（%）19.54.261.51.62.05.01.11.43.7表4 粗骨料技術(shù)性能指標(biāo)

石子粒徑/mm緊密堆積密度/（kg/m3）表觀密度/（kg/m3）空隙率/%5-101485270544.72實(shí)驗(yàn)方法及配合比設(shè)計(jì)

2.1配合比設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中為探究透水混凝土其強(qiáng)度、透水系數(shù)與骨膠比、水灰比之間的關(guān)系，所以體積法是本文實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。一般混凝土大多只需考慮良好的力學(xué)性能，但透水混凝土與一般混凝土不同，還應(yīng)考慮透水問題。由于需要控制骨灰比和水灰比，故采用固定水泥用量，從而變相控制粗骨料和水的用量。透水混凝土配合比設(shè)計(jì)見圖表3。

表3配合比設(shè)計(jì)

編號(hào)石子（kg）水泥（kg）水（kg）骨膠比水灰比A11.2000.3000.0904.000.30A21.2750.3000.0904.250.30A31.3500.3000.0904.500.30D11.2000.3000.0754.000.25D21.2000.3000.1054.000.35D31.2000.3000.1204.000.402.2實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1試拌及養(yǎng)護(hù)

攪拌方式為人工攪拌，將骨料和膠凝材料混合攪拌30秒，然后加入相應(yīng)比例的水?dāng)嚢栉宸昼姡缓蠓湃?00.00mm的立方體的模具中，在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)5-10秒，最后將試塊貼膜養(yǎng)護(hù)。待試塊成型一天后取出，放入SHBY-40B型水泥砼恒溫標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至14d。

2.2.2透水混凝土單軸壓縮試驗(yàn)

透水混凝土單軸壓縮試驗(yàn)所使用的的機(jī)器是濟(jì)南科匯試驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)。對六組不同的試塊進(jìn)行等壓力變化壓縮試驗(yàn)，得出相關(guān)的應(yīng)力曲線，從而進(jìn)行對比分析。

2.2.3透水混凝土透水系數(shù)的測試

根據(jù)《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程（CJJ/T135—2009）》附錄A的規(guī)定，使用Φ100mm×100mm的模具，脫模后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，最后進(jìn)行透水混凝土的透水系數(shù)的測試，將測試得到的透水系數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，繪出相關(guān)的曲線。

3試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

3.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)14d的透水混凝土試塊進(jìn)行測定，探究其骨膠比、水灰比、抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)四者之間的關(guān)系。對六組不同配合比的試塊，分別進(jìn)行抗壓和透水系數(shù)的測定。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖表5所示。

表5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

編號(hào)抗壓強(qiáng)度/（MPa）透水系數(shù)/（cm/s）A138.105.96A237.327.59A330.878.35D132.986.30D235.865.84D333.035.323.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

影響透水混凝土抗壓強(qiáng)度的因素主要有粗骨料之間的機(jī)械咬合力，還有膠凝材料漿體包裹粗骨料的程度。影響透水系數(shù)的主要因素是透水混凝土試塊的孔隙率。

（1）骨料作為透水混凝土的主要結(jié)構(gòu)骨架，其粒徑大小對透水混凝土的基本性能有著較大影響。從圖1和圖2中可發(fā)現(xiàn)透水混凝土在相同的水灰比的情況下，隨著透水混凝土骨膠比的增大，而使透水混凝土的整體抗壓強(qiáng)度逐漸降低，然而透水系數(shù)會(huì)逐漸增加，并且骨膠比在4.25-4.50時(shí)的降低尤為明顯，同時(shí)骨膠比在4.00-4.25時(shí)透水混凝土的透水系數(shù)增長也十分明顯。隨著骨膠比的增大，骨料之間的接觸面積減少趨勢相對較大，膠結(jié)體包裹骨料愈加不均勻，黏結(jié)點(diǎn)減少較多，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷增多，從而使骨料之間的機(jī)械咬合力降低。黏結(jié)點(diǎn)變少的同時(shí)，透水混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)空隙增大，孔隙率增加，透水系數(shù)逐漸增大。因此對于透水混凝土而言，在抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)兩個(gè)要素的制約下，骨膠比選用在4.25左右時(shí)，透水混凝土整體抗壓強(qiáng)度與透水性綜合性能相對最優(yōu)。

（2）在骨膠比相同的情況下，骨膠比對透水混凝土的影響如圖3和圖4，從中可發(fā)現(xiàn)，水灰比在0.25-0.30時(shí)，透水混凝土的強(qiáng)度增加，而隨后抗壓強(qiáng)度隨水灰比的增大而減小，但減小的幅度較小。透水系數(shù)隨水灰比增大而一直減小。骨膠比不變的條件下，在水灰比增加的同時(shí)，膠凝材料用量不變，水的用量增加，水泥膠凝材料水化反應(yīng)得到充分反應(yīng)，膠凝材料漿體更充分均勻的包裹粗骨料，因此水灰比在0.25-0.30時(shí)，透水混凝土強(qiáng)度隨水灰比增大而增強(qiáng)，但當(dāng)水灰比在0.30-0.40時(shí)，水泥膠凝材料用量不變，水的用量逐漸增加，導(dǎo)致膠凝材料漿體的流動(dòng)性不斷增大，產(chǎn)生離析現(xiàn)象，在制作試塊和試塊成型的過程中膠凝材料漿體從模具底端中流淌出來，致使透水混凝土中的粗骨料包裹程度降低，從宏觀力學(xué)中呈現(xiàn)抗壓強(qiáng)度降低。

在骨膠比不變，水灰比不斷增加的過程中，透水系數(shù)會(huì)不斷降低，因?yàn)樗挠昧坎粩嘣黾幽z凝材料漿體流動(dòng)性增大，透水混凝土中的空隙被填充，使連續(xù)空隙更難形成，透水通道減少，透水系數(shù)降低。

因此在骨膠比相同的情況下，水灰比應(yīng)選用0.30左右，此時(shí)水泥膠凝材料水化程度相對更充分，且透水系數(shù)良好。

4結(jié)論

（1）影響透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的主要因素是不同的骨膠比，較大的骨膠比會(huì)導(dǎo)致混凝土抗壓不足。水灰比只有在0.25-0.30時(shí)對透水混凝土的整體抗壓強(qiáng)度有較大的直接影響，且會(huì)使其抗壓強(qiáng)度有所提升。而后的對水灰比的繼續(xù)增加，并不利于透水混凝土的抗壓強(qiáng)度與透水性。

（2）測試分析結(jié)果表明，在整體水灰比始終保持不變的條件下，不論是整體抗壓強(qiáng)度，還是透水混凝土透水系數(shù)，骨膠比對其的抗壓強(qiáng)度影響都相對較大，且其整體抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)之間呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)。

（3）綜合本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)在透水混凝土中，骨膠比對其的影響很大程度的超過了水灰比對其的影響。在實(shí)際施工應(yīng)用時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際工程要求，先確定各種透水混凝土材料的水灰比，再使用適當(dāng)?shù)墓悄z比，使其能夠在優(yōu)良的透水性和高強(qiáng)度之間取得良好的平衡。

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作者簡介：周太華，男，漢族，籍貫：安徽宿州，生于：2000-12-29，本科在讀，研究方向：土木工程。

陳征征，女，漢族，籍貫：安徽宿州，生于：1989-4-2，職稱：講師， 碩士研究生學(xué)歷，研究方向，結(jié)構(gòu)支護(hù)、建筑材料。

趙晨陽，女，漢族，籍貫：安徽宿州。

基金項(xiàng)目：國家級訓(xùn)練項(xiàng)目（201910379051）;國家級訓(xùn)練項(xiàng)目（202110379013）