成型過程中若干因素對透水混凝土性能的影響研究*

汪雄杰,陳代果,楊福儉,劉筱玲,杜義祥,姚 勇

(1.西南科技大學土木工程與建筑學院,四川 綿陽 621000; 2.信息產業電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司,四川 成都 610021; 3.四川振通檢測股份有限公司,四川 綿陽 621000)

0 引言

透水混凝土是由膠凝材料包裹粗骨料形成的骨架-孔隙結構,內部呈連續多孔狀,具有透氣、透水、降噪和減緩城市熱島效應的特點[1-4]。因此,在城市市政綠化、輕型道路、污水凈化及生態護坡等輕荷載路面上被廣泛使用,是“海綿城市”建設中的優異混凝土材料[5-10]。Alimohammadi等[11]通過試驗發現納米材料經過雨水處理可提高透水混凝土的去除效率、抗壓強度和吸附能力,但降會低透水混凝土的滲透速率。侯利軍等[12]通過三因素正交試驗發現水灰比、水泥用量和聚合物摻量3種因素中,水灰比對透水混凝土的抗壓強度、抗折強度和透水性能影響最大,且存在最佳水灰比。王玲玲等[13]制備了SAP透水混凝土,試驗發現SAP摻量對透水混凝土的保水率、抗壓強度、抗折強度及抗硫酸鹽腐蝕能力等影響顯著。楊福儉[14]通過正交試驗建立了透水混凝土的孔隙率-動容損傷量、孔隙率-抗壓強度等的數學關系。陳代果等[15]設計正交試驗,選取不同因素得出透水混凝土抗凍性能最佳配合比。向君正等[16]采用壓汞法和掃描電鏡法,通過觀察透水混凝土和水泥石的微觀孔隙結構變化,發現隨著凍融次數的增加,透水混凝土骨料-水泥界面出現裂縫并不斷擴展,但水泥石微觀結果無明顯變化,說明透水混凝土的抗凍性能與骨料-水泥界面的劣化有重要關系。Kevern等[17]采用添加細骨料和纖維改變配合比的方式設計試驗,指出細骨料可有效增大骨料間的接觸面積,增強透水混凝土的強度和耐久性;聚丙烯纖維可增強骨料連接性能,降低質量損失率。

綜上所述,正交試驗在改變配合比提高透水混凝土的性能中被廣泛運用。但當配合比一定時,成型方式也會對透水混凝土性能產生重要影響,因此,本試驗從改變成型過程中的若干因素出發,研究透水混凝土的孔隙率和抗壓強度等性能。

1 試驗設計

1.1 原材料

水泥采用P·O42.5R普通硅酸鹽水泥;粗骨料為5～10mm單一級配;硅灰為高活性微硅灰;纖維為9mm長PAN纖維;粘結劑為高效粘結劑。配合比(kg)為:碎石∶水泥∶硅灰∶PAN纖維∶水∶粘結劑=1 617∶419∶25.14∶1.67∶130∶8.38。

1.2 配合比和正交試驗設計

本試驗采用正交試驗方法[18]研究攪拌時間(A)、擊實次數(B)、裝模次數(C)、人工插搗次數(D)對透水混凝土孔隙率和抗壓強度的影響。試件規格為邊長150mm的立方體。通過改變透水混凝土成型過程中的若干因素,分析比較其孔隙率、相對動彈性模量隨凍融循環次數的變化規律。選用L9(34)設計正交試驗,如表1,2所示。

表1 正交試驗因素水平Table 1 Levels of orthogonal test factors

1.3 孔隙率測試

透水混凝土孔隙率測試裝置如圖1所示。將邊長150mm的立方體透水混凝土試件放入標準養護室養護28d后取出放入烘干機烘干24h,烘干水分后稱取質量m0;再將其放入水中浸泡2d取出后稱取試件質量m1;最后計算得到試件孔隙率e:

圖1 孔隙率試驗裝置示意Fig.1 Porosity test device

(1)

1.4 抗壓強度測試

透水混凝土抗壓強度測試裝置如圖2所示。本試驗按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》相關要求執行,試樣為邊長150mm的立方體試件,加載速率為0.3MPa/s,抗壓強度計算為:

圖2 壓力試驗機Fig.2 Pressure testing machine

(2)

式中:F為破壞時荷載(N);A為試樣橫截面積(mm2);fc為立方體試件抗壓強度(MPa)。

2 結果和討論

2.1 孔隙率

按表2進行透水混凝土試件試驗,得到透水混凝土孔隙率,如表3,4所示。

表2 正交試驗Table 2 Orthogonal test

表3 各組試件平均孔隙率系數Table 3 Average porosity coefficient of each group of specimens

由表3可知,試驗孔隙率為8.78%～20.42%,而試驗設計孔隙率為20%,除第1,2組基本滿足,第3～9組均小于設計孔隙率。第9組孔隙率與第1組相比降低了57%,原因是成型過程中的若干因素影響了透水混凝土內部的密實程度,插搗次數過多會加速水泥漿體的下沉,堵塞部分連通孔隙;硅灰會生成C-S-H凝膠體,該物質依靠填充微小孔隙實現增大強度的作用;攪拌時長也會影響水泥水化反應的充分性,攪拌時間越長水化反應越充分,附著在粗骨料表面的水泥漿體越多,骨料間孔隙被填充部分也越多,從而降低孔隙率。

由表4可知,成型過程中的若干因素對透水混凝土孔隙率的影響按重要程度排序為:攪拌時間、裝模次數、擊實次數、人工插搗;根據孔隙率結果,得到最佳成型組合為:加水后攪拌1min,擊實30次,1次性裝模,插搗35次。通過極差分析,攪拌時間是透水混凝土成型方式中最重要的影響因素,而方差分析結果顯示FA=7.17,最接近F0.1,表明攪拌時間對孔隙率影響較顯著。所以控制透水混凝土孔隙率應嚴格控制其攪拌時間,最佳攪拌時間為加水后1min。

表4 孔隙率極差和方差分析Table 4 Porosity range and ANOVA analysis

2.2 抗壓強度

透水混凝土多用于城市低荷載路面,主要受壓。立方體抗壓強度測定結果如表5所示。由表5可知,試驗1～3組抗壓強度為17.71～20.50MPa;4～9組抗壓強度為26.40～30.30MPa,除第1組小于20MPa,其余組別均大于設計強度20MPa。其中第7組抗壓強度最大,與第1組相比,增大了71.18%。從表2可看出,1,2,3組攪拌時間短,而攪拌時間太短會導致骨料和膠凝材料等拌合物的流動性較差、含氣量較高、漿體黏度升高。透水混凝土中出現大量未充分混合的膠凝材料和骨料,增大強度的變異系數,進而降低抗壓強度。普通透水混凝土在抗壓強度試驗中,破壞時通常以骨料個體為單位進行脫落,試樣完整性較差。但試驗配合比透水混凝土在抗壓強度試驗中,破壞以局部脫落為主,且破壞時整體性較好(見圖3),與普通透水混凝土抗壓破壞不同。立方體抗壓強度極差和方差分析如表6所示。

圖3 透水混凝土抗壓破壞Fig.3 Permeable concrete is resistant to compressive failure

表5 立方體抗壓強度測定結果Table 5 Measurement results of cubic compressive strength

表6 立方體抗壓強度極差和方差分析Table 6 Cubic compressive strength range and variance analysis

由表6可知,成型過程中的若干因素對透水混凝土的影響按重要程度排序為:攪拌時間、人工插搗次數、裝模次數、擊實次數。其中攪拌時間同樣對抗壓強度影響最大,這與孔隙率的分析結果一致。但攪拌時間對應的最佳水平為k3,與孔隙率最佳水平k1的結果相反,滿足孔隙率與抗壓強度成反相關的關系。結果顯示FA=314.65,其值最大,遠超過F0.05,也說明了攪拌時間對抗壓強度的影響非常顯著。此外F0.1

2.3 孔隙率與抗壓強度的關系

試驗表明,孔隙率與透水混凝土的基本物理力學性能有直接關系。孔隙率越大骨料間的接觸面積越小,骨料間形成的骨架-孔隙受力結構就越疏松,抗壓強度越小。研究表明,多孔材料的孔隙率與抗壓強度間可用函數關系描述,這種函數關系稱為孔隙-強度模型。為更好地接近實際,以孔隙率為變量,通過線性擬合的方式探究孔隙率與抗壓強度的函數關系,如式(3)、圖4所示。

圖4 孔隙率-抗壓強度關系Fig.4 Porosity-compressive strength relationship

S=39.443-1.053P′,R2=0.92

(3)

由圖4可知,抗壓強度與孔隙率成線性關系,隨孔隙率的增大而減小。擬合結果R2>0.90。同時依照現有Balshin,Ryshkewitch,Hasselman[19-20]3種孔隙-強度理論模型進行對比分析,3種模型分別以冪函數、指數型函數、線性函數的形式反映了孔隙率與抗壓強度的關系,如表7,圖5所示。

圖5 孔隙率-抗壓強度關系對比Fig.5 Comparison of porosity-compressive strength relationship

表7 孔隙率-抗壓強度模型Table 7 Porosity-compressive strength model

由圖5可知,以上3種孔隙-強度模型擬合效果較好,R2均為0.90左右,隨著孔隙率的增大,抗壓強度實際趨勢均基本滿足擬合方程。具體參數取值如下:

(4)

S=44.298e-0.042e′,R2=0.88

(5)

S=39.514(1-0.026e′),R2=0.91

(6)

式中:e′ 為100e。

由式(3)及上述3種孔隙-強度模型可看出,透水混凝土的抗壓強度均可通過函數與孔隙率建立關系,且隨著孔隙率的變化二者大致成負相關關系(見圖4,5),在實際工程中,可通過式(3)以透水混凝土的孔隙率來推算其抗壓強度。

3 結語

1)透水混凝土孔隙率影響因素敏感性從大到小為:攪拌時間、裝模次數、擊實次數、人工插搗,其最佳因素組合為:攪拌1min,擊實30次,1次性裝模,插搗35次;透水混凝土抗壓強度影響因素敏感性從大到小為:攪拌時間、人工插搗次數、裝模次數、擊實次數,其最佳因素組合為:攪拌3min,頂部擊實40次,分3次裝模,人工插搗45次。

2)由極差和方差分析可知,在各種成型因素中,攪拌時間是影響透水混凝土孔隙率、抗壓強度等最重要的因素,因此建議實際工程中嚴格控制攪拌時間。同時也證明了配合比一定時,可通過控制透水混凝土的攪拌時間等因素控制其孔隙率,進而影響其抗壓強度等性能。

3)根據孔隙率與抗壓強度的負相關關系,建立函數模型,其擬合相關性較好。同時對比了3種經驗公式,R2均在0.90左右。