多因素对透水混凝土基本性能影响的试验研究 [PDF全文]
张裕显, 杨建永, 娄建新, 刘建, 王婕, 李俊
(江西理工大学土木与测绘工程学院,江西 赣州 341000)

由于透水混凝土胶凝材料用量大导致成本高,因此为了降低成本,考虑采用粗砂替代部分胶凝材料,通过正交试验,研究粗砂掺量、硅灰掺量、水胶比、减水剂因素对透水混凝土抗压强度、有效孔隙率和透水系数的影响。试验结果表明:随着粗砂的掺入,透水混凝土抗压强度下降,透水系数显著上升;随着硅灰掺量和减水剂的增加,抗压强度先上升后下降,有效孔隙率和透水系数下降不显著;随着水胶比的增大,抗压强度先上升后下降,有效孔隙率和透水系数均下降。当粗砂掺量、硅灰掺量、水胶比和减水剂分别为6%,6%,0.28和1.7%时,透水混凝土综合性能最佳。当粗砂掺量低于9%时,胶凝材料用量有所下降,透水混凝土有较高的强度和良好的透水性。

Experimental study of multiple factors on the basic properties of pervious concrete
ZHANG Yuxian, YANG Jianyong, LOU Jianxin, LIU Jian, WANG Jie, LI Jun
(School of Civil and Surveying & Mapping Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, Jiangxi, China)

The large amount of cementitious materials used in pervious concrete resulted in high cost. In order to reduce the cost, this study proposed to replace part of cementitious materials with coarse sand. Through orthogonal experimental design method, the effects of factors like the content of coarse sand and silica fume, water-binder ratio and water reducing agent on the compressive strength, effective porosity and water permeability coefficient of pervious concrete were studied. The test results show that with the incorporation of coarse sand, the compressive strength of pervious concrete decreases and water permeability coefficient rises significantly. With more silica fume and water reducing agent added, the compressive strength first increases and then decreases, while the effective porosity and water permeability coefficient decrease slowly. As the water-binder ratio increases, the compressive strength first increases and then decreases, while the effective porosity and permeability coefficient both decrease. When the content of coarse sand, the content of silica fume, the water-binder ratio and the water reducing agent are 6%, 6%, 0.28 and 1.7% respectively, the comprehensive performance of the pervious concrete reaches its optimal state. When the content of coarse sand is lower than 9% and part of the cementing material is replaced, the pervious concrete has great compressive strength and water permeability.

引言

  透水混凝土是一种绿色环保新型路面材料,是使用单级配或间断级配粗骨料、胶凝材料和水搅拌制备成具有多孔的混凝土[1]。透水混凝土是海绵城市的重要组成部分,它具有多孔、透水、透气等特性,可以减少人们雨天出行湿鞋困扰,增强城市土壤含水率,缓解城市的排水压力,缓和城市热岛效应[2-4]。目前,透水混凝土主要应用在人行道、公园、广场以及小区等强度低但透水性需求较高的路面上[5]

  为了优化透水混凝土强度和透水性能,众多研究者展开了研究,并得出一些结论,例如:巫广义等通过正交试验,得出了抗压强度要求较高地区的透水混凝土配合比和降水量较大地区的透水混凝土配合比[6];凌天清等研究表明设计空隙率是影响透水混凝土强度和透水性能的主要因素,推荐透水混凝土设计空隙率为15%~20%[7];蒋勇等研究表明,粗骨料粒径为5~10 mm的透水混凝土抗压强度最高,掺入适量的硅灰可显著提高透水混凝土强度[8];杨江超等研究表明随着水泥用量的增加,透水混凝土抗压强度和抗折强度显著上升,而有效孔隙率和透水系数下降[9];顾晓帆通过减水剂调节不同水灰比条件下水泥浆的流动性,得到较好水泥浆流动度,满足透水混凝土工作性能[10]。但是,目前关于细骨料对透水混凝土性能影响的研究较少。而透水混凝土的水胶比较小,水胶比选择范围一般在0.25~0.35[11],每立方透水混凝土胶凝材料的用量较大,在一定程度上造成透水混凝土的成本比普通混凝土的成本贵。因此,为了减少胶凝材料用量,降低成本,本研究采用粗砂替代水泥等胶凝材料,通过正交试验,探究不同水平的粗砂掺量、硅灰掺量、水胶比及减水剂对透水混凝土抗压强度、有效孔隙率、透水系数的影响。

 

1 试验概况1.1 试验原材料

  水泥选用赣州当地产的42.5级普通硅酸盐水泥,密度为3100 kg/m3;粗骨料选用赣州当地搅拌站的碎石,经过筛子得到4.75~9.5 mm粒径,碎石的表观密度为2692 kg/m3,堆积密度为1533 kg/m3;细骨料选用赣州当地产的河砂,经过筛子得到1.18~2.36 mm粒径,粗砂的表观密度为2598 kg/m3,堆积密度为1489 kg/m3;硅灰选用二氧化硅含量为92.4%的硅灰,表观密度为2200 kg/m3;减水剂选用聚羧酸高效减水剂,减水率达35%。

1.2 配合比设计

  本试验透水混凝土配合比计算采用体积法[12],目标孔隙率P设计为18%,考虑到粗砂掺入增大了粗骨料接触点间胶结厚度,其粗骨料用量修正系数α取0.95。减水剂掺量小进行外掺。其计算式如下:

    

式(1)~(6)中:mg、mc、mf、mw、ms、ma分别为每立方透水混凝土中碎石、水泥、硅灰、水、粗砂、减水剂的用量,kg;ρg、ρc、ρf、ρw、ρs分别为透水混凝土中碎石、水泥、硅灰、水、粗砂的表观密度,kg/m3;ρ为碎石的堆积密度,kg/m3;A为粗砂占粗砂与碎石的质量分数(粗砂掺量);B为硅灰占水泥与硅灰的质量分数(硅灰掺量);C为分别水占水泥与硅灰的质量分数(水胶比);D为分别减水剂占水泥与硅灰的质量分数(减水剂)。

本试验采用正交试验方法[13-14]研究粗砂掺量(A)、硅灰掺量(B)、水胶比(C)、减水剂(D)对透水混凝土抗压强度和透水性能的影响。试验各因素与水平的设计见表1,选用正交试验表L16(45)并计算得到其配合比见表2,即只需要进行16组试验,极大地减少了试验次数。

表1 因素水平

表1 因素水平

表2 正交试验

表2 正交试验

1.3 试验方法

透水混凝土制备方法使用二次投料法[15]。先将全部的骨料和30%的水倒入强制式混凝土搅拌机搅拌30 s,然后把水泥和硅灰倒入搅拌机搅拌60 s,再将剩余的水和减水剂拌合倒入搅拌90 s,出料分层浇筑并顺时针均匀插捣至密实,用捣棍将试块表面滚平,在成型后24 h拆模,制备得到尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块。养护方法采用标准养护见图1,在养护28 d后进行有效孔隙率、透水系数和抗压强度测试。

图1 透水混凝土标准养护

图1 透水混凝土标准养护

  有效孔隙率测试使用重量法,计算式如下:

    

式(7)中:p为试件的有效孔隙率,%;m1、m2分别为试件在水中的质量、试件在鼓风烤箱中60 ℃烘至恒重,g;V为试件的体积,cm3

  透水系数测试使用变水头法,计算式如下:

        K=H/T (8)

式(8)中:K为试件测试的透水系数,mm/s; H为水位高度,取160 mm;T为水位下降时间,s。

  抗压强度测试使用全自动混凝土压力机,计算式如下:

  fc=α×(F/A)  (9)

式(9)中:fc为养护28 d试块的抗压强度,MPa;α为尺寸换算系数,取0.95;F为破坏时所承受荷载大小,N;A为试块与加载装置的有效接触面积,mm2

    

2 结果与分析

  按表2的配合比制作试块并养护28 d后进行测试,得到透水混凝土试块的抗压强度、有效孔隙率、透水系数试验结果见表3

表3 透水混凝土正交试验结果

表3 透水混凝土正交试验结果

2.1 透水混凝土抗压强度

极差分析也称作直观分析,把每个因素在每个水平下对应的透水混凝土抗压强度等指标进行求和得到K,然后取算术平均值k并计算其最大值与最小值的极差R。极差R值越大表明该因素影响越大,将各因素对应抗压强度等指标为最大值的水平进行组合,得到各指标的优化配合比[16]。对表3中抗压强度进行极差分析,其分析结果见表4

表4 抗压强度极差分析结果

表4 抗压强度极差分析结果

  由表4可知,粗砂掺量、硅灰掺量、水胶比、减水剂试验因素的28 d透水混凝土抗压强度极差R分别为7.7,3.1,2.1,3.0 MPa,得出对抗压强度影响的主次排序为粗砂掺量>硅灰掺量>减水剂>水胶比,粗砂掺量对透水混凝土抗压强度影响最大。

  为了更直观地反映各因素对抗压强度的影响规律,把不同水平当作横坐标,把抗压强度当作纵坐标,画出各因素与抗压强度的关系图,如图2所示。

图2(a)可以看出,随着粗砂掺量增多,透水混凝土抗压强度下降,粗砂掺量为9%~12%时,抗压强度下降显著。这是因为在每立方材料用量中碎石用量不变,随着粗砂掺量增多,水泥等胶凝材料的用量减少及胶凝浆体总量减少,骨料的总比表面积变大,从而骨料间胶结层厚度变薄,弱化透水混凝土的抗压强度。而粗砂又能起到填充粗骨料间孔隙作用,增加骨料间的受力面积,应力集中减弱;随着粗砂掺量增多,试件的受力面积越大,从而对透水混凝土的抗压强度有增强作用。本试验粗砂掺入对透水混凝土抗压强度增强作用小于骨料表面浆体包裹厚度减少黏结强度下降的弱化作用,导致了透水混凝土抗压强度降低。

图2 不同因素与抗压强度的关系

图2 不同因素与抗压强度的关系

  由图2(b)可以看出,透水混凝土抗压强度随着硅灰掺量增多先上升后下降,当硅灰掺量为6%时,其抗压强度比硅灰掺量为0时提高了20%。这是因为硅灰具有微集料效应,填充了水泥空隙,提高胶结料的致密度;且具有火山灰效应,促进水泥水化生成更多胶凝体,从而增强了浆体与集料界面的黏结强度[17],透水混凝土强度增大。但硅灰掺颗粒极细,比表面积大,密度比水泥小,需水量是普通水泥130%~150%。当硅灰掺量较大时,而单位体积中胶凝材料的总体积用量不变,导致拌合物浆体比较黏稠,拌合物的和易性下降,从而浆体较难均匀包裹在骨料表面,透水混凝土抗压强度降低。因此,掺入适量的硅灰对抗压强度有显著的提高。

  由图2(c)可以看出,随着水胶比增大,透水混凝土抗压强度先上升后下降,水胶比为0.32时,抗压强度最大。主要原因是水胶比较小时,用水量较小,水泥浆体成团,水泥水化不充分,透水混凝土拌合物较干稠,浆体与集料界面的黏结强度较差,导致试块抗压强度较低。当水胶比较大时,浆体较稀疏,在重力作用下底部浆体增多,试块上部浆体较少,从而上部的胶结层厚度较薄,骨料间与浆体的黏结强度较差,导致试块整体抗压强度下降。在水胶比为0.32时,水泥能充分水化,拌合物的和易性较好,水泥浆体能均匀地包裹在骨料表面,试块抗压强度最大。

  由图2(d)可以看出,随着减水剂增大,透水混凝土抗压强度先上升后下降,当减水剂掺量为1.5%,抗压强度显著增大。这是由于减水剂的憎水基团定向吸附于水泥颗粒表面,使水泥颗粒表面带有相同电性的电荷,促进水泥絮凝体结构解体,释放絮凝体中的自由水,调整透水混凝土的工作性[17]。在胶凝材料用量一定,用水量不变的情况下,掺入减水剂,使水泥颗粒均匀分散开,水泥水化更充分,从而增大了骨料间的胶结层强度,提高了抗压强度。当掺入1.5%的减水剂时,水泥浆体流动性好,拌合物手抓成团,且表面有金属光泽,工作性能最佳,试块的抗压强度比掺加了1.1%减水剂的试块抗压强度提高了20%。

  综上所述,透水混凝土抗压强度的优化配合比为A1B2D3C3组合,即粗砂掺量0、硅灰掺量6%、水胶比0.32、减水剂外掺量1.5%。

2.2 透水混凝土透水性能

有效孔隙率和透水系数都是透水混凝土透水性能的重要指标,有效孔隙率包括了试件的连通孔隙和半连通空隙,而透水系数的大小取决于试件的连通孔隙。对表3中有效孔隙率和透水系数进行极差分析,其分析结果见表5

表5 有效孔隙率和透水系数极差分析结果

表5 有效孔隙率和透水系数极差分析结果

  由表5可知,粗砂掺量、硅灰掺量、水胶比、减水剂试验因素的28 d透水混凝土有效孔隙率极差R值分别为1.33%,0.23%,2.18%,0.19%,得出对有效孔隙率影响的主次排序为水胶比>粗砂掺量>硅灰掺量>减水剂,水胶比对透水混凝土透水系数影响最大。粗砂掺量、硅灰掺量、水胶比、减水剂试验因素的28 d透水混凝土透水系数极差R值分别为0.65,0.24,0.58,0.12 mm/s,得出对透水系数影响的主次排序为粗砂掺量>水胶比>硅灰掺量>减水剂,粗砂掺量和水胶比对透水混凝土透水系数影响较大。

  为了更直观地反映各因素对透水性能的影响规律,把不同水平当作横坐标,把有效孔隙率和透水系数当作纵坐标,画出各因素与透水性能的关系图,如图3所示。

  由图3可知,透水混凝土有效孔隙率与透水系数呈正相关关系。由图3(a)可以看出,随着粗砂掺量的增大,有效孔隙率和透水系数先上升后下降再上升。这是因为碎石用量不变,粗砂的掺入增大了粗骨料间胶结厚度,而胶凝材料用量减少,包裹在骨料表面浆体的厚度变薄,导致粗骨料间微孔隙增多,有效孔隙率和透水系数相对粗骨料掺量为0有所上升。此外,粗砂的掺入具有填充作用,与颗粒间微孔隙的增多一起影响有效孔隙率的变化,导致粗砂掺量为9%的有效孔隙率和透水系数相对粗砂掺量为6%有一定下降,粗砂掺量为12%时有效孔隙率和透水系数又上升。

  由图3(b)可以看出,随着硅灰掺量的增加,透水混凝土有效孔隙率和透水系数下降。这是因为硅灰具有微集料效应,当硅灰按一定质量分数替代水泥掺入到透水混凝土中,小球状的硅灰颗粒填充于水泥颗粒的空隙间,并且促进水泥水化,提高了水泥浆体的密实度,导致部分孔隙被堵,使试块的有效孔隙下降、透水系数降低。当硅灰掺量较大时,导致拌合物浆体比较黏稠,拌合物和易性下降,部分孔隙被堵,试块的有效孔隙率、透水系数均有下降。

图3(c)可以看出,随着水胶比的增大,透水混凝土有效孔隙率和透水系数下降。这是因为胶凝材料与水的总体积一定情况下,水胶比大小对浆体的流动性有影响,从而对浆体能否均匀包裹在骨料表面有影响。随着水胶比的增大,水泥浆体水泥浆体流动性增强,在重力作用下试块底部浆体逐渐增多,部分孔隙被封堵,导致试块的有效孔隙率下降、透水系数降低。水胶比为0.34试块的有效孔隙率和透水系数相对水胶比为0.28试块的有效孔隙率和透水系数分别下降了11.5%,18%。

图3 不同因数与透水性能关系

图3 不同因数与透水性能关系

  由图3(d)可以看出,随着减水剂外掺量增多,透水混凝土有效孔隙率和透水系数均显示先上升后下降。这是因为减水剂可以使水泥颗粒均匀分散开,释放游离的自由水,从而调节水泥浆体的流动性,使浆体更好地分布包裹在骨料的表面,当减水剂掺量为1.5%,拌合物工作性能最好,试块的有效孔隙率和透水系数最高。

  综上所述,透水混凝土有效孔隙率的优化配合比为C1,即粗砂掺量12%、硅灰掺量0、水胶比0.28、减水剂外掺量1.3%。试验测试得到的有效孔隙率在16%~19.7%范围与目标孔隙率为18%相近,验证了试验结果的可靠性。透水混凝土透水系数的优化配合比为A,即粗砂掺量12%、硅灰掺量0、水胶比0.28、减水剂外掺量1.3%,与有效孔隙率的优化配合比相同,验证了有效孔隙率和透水系数具有良好的正相关性。

2.3 透水混凝土综合性能

  功效系数法,指将试验每组试块的性能指标(fc、p、K)与所有试验组试块中性能指标最大值(fcmax、pmax、Kmax)相比得到功效系数(dfc、dp、dK),再将每组各指标的功效系数相乘并开三次方得到总功效系数(),总功效系数值最大的组是此正交试验综合性能的优化配合比[18]。采用功效系数法对表3中抗压强度、有效孔隙率、透水系数的测试结果进行综合分析,其分析结果见表6

表6可知,第2组配合比为A1B2C2试块的抗压强度功效系数最大为1.0,该组试块的抗压强度最大为24.1 MPa。第6组配合比为A3B3C试块的有效孔隙率功效系数最大为1.0,该组试块的有效孔隙率最大为19.7%。第11组配合比为A3B3C1D2试块的透水系数功效系数最大为1.0,该组试块的透水系数为3.28 mm/s。第6组试块配合比为A2B2C4总功效系数最大为0.90,该组试块的抗压强度为18.2 MPa,有效孔隙率为19.7%,透水系数为3.15 mm/s。因此,这16组试块的综合性能的优化配合比是第6组,其粗砂掺量为6%,硅灰掺量为6%,水胶比为0.28,减水剂外掺量为1.7%。第6组透水混凝土有较高的抗压强度、良好的透水性,且比粗砂掺量为0的试验组的胶凝材料用量少。

表6 功效系数法分析结果

表6 功效系数法分析结果

  由试验结果可知,试验组透水系数最小值为2.09 mm/s,大于规范规定的透水系数[11](不小于0.5 mm/s),满足了普通透水路面的需求。对比这16组抗压强度,发现掺入粗砂试验组的抗压强度功效系数均小于0.80。而粗砂掺量为6%的第5,6,7组的抗压强度和粗砂掺量为9%的第9,10组的抗压强度均大于18.2 MPa,抗压强度功效系数值也都大于0.76,其他掺入粗砂试验组抗压强度均小于16.6 MPa。其中,在硅灰掺量均为0的情况下,第5组A223和第9组A3BC34的抗压强度相比第1组A1BC1的抗压强度分别提高了26%,30.8%,而由于水胶比的不同,第5组和第9组透水混凝土的胶凝材料用量相对第1组的胶凝材料用量有所减少。所以,掺入粗砂替代部分胶凝材料是可行的,当粗砂掺量低于9%时,能够保证透水混凝土有较高的抗压强度、良好的透水性,并减少了胶凝材料用量,降低了透水混凝土成本,可为实际工程应用提供参考。由抗压强度极差分析可知透水混凝土的优化配合比中硅灰掺量为6%、水胶比为0.32,减水剂为1.5%,因此,可以在此基础上进一步研究低掺量的粗砂替代胶凝材料对透水混凝土强度性能的影响。

 

3 结 论

  采用正交试验,研究了粗砂掺量、硅灰掺量、水胶比、减水剂四因素对透水混凝土抗压强度、有效孔隙率、透水系数性能的影响,得到如下结论:

  1) 基于极差分析,得出粗砂掺量对透水混凝土抗压强度和透水系数影响程度最大,水胶比对有效孔隙率影响程度最大,硅灰掺量和减水剂对有效孔隙率和透水系数影响较小。

  2)随着粗砂的掺入,透水混凝土抗压强度下降,透水系数显著上升;随着硅灰掺量和减水剂的增加,抗压强度先上升后下降,有效孔隙率和透水系数下降不显著;随着水胶比的增大,抗压强度先增大后减小,有效孔隙率和透水系数均下降。

  3) 粗砂掺量、硅灰掺量、水胶比、减水剂因素对透水混凝土抗压强度的优化配合比为粗砂掺量0、硅灰掺量6%、水胶比0.32、减水剂1.5%;有效孔隙率和透水系数的优化配合比均为粗砂掺量12%、硅灰掺量0%、水胶比0.28、减水剂1.3%。

  4) 基于功效系数法,得到正交试验中透水混凝土综合性能的优化配合比粗砂掺量为6%,硅灰掺量为6%,水胶比为0.28,减水剂外掺量为1.7%,其抗压强度为18.2 MPa,有效孔隙率为19.7%,透水系数为3.15 mm/s。当粗砂掺量低于9%时,能够保证透水混凝土有较高的抗压强度、良好的透水性,减少了胶凝材料用量,降低了透水混凝土的成本,为以后研究及工程应用提供参考。

参考文献