基于孔隙率的多孔轻集料植被混凝土配合比研究

管斌君

(浙江万里学院设计艺术与建筑学院,宁波 315100)

基于孔隙率的多孔轻集料植被混凝土配合比研究

管斌君

(浙江万里学院设计艺术与建筑学院,宁波 315100)

根据陶粒形态、成分较均一,呈球体或椭球体的特点,推导出多孔轻集料植被混凝土理论计算公式,并提出一种新的多孔轻集料植被混凝土配合比设计方法,即以孔隙率为主要设计参数,通过公式计算出包裹轻集料的水泥浆厚度和质量,调整水泥浆的水灰比,配置具有一定强度且不流淌的多孔轻集料植被混凝土。

植被混凝土; 孔隙率; 轻集料; 配合比设计

多孔植被混凝土是一种具有连续孔隙结构、能让植被在其中生长的混凝土。该混凝土具有改善生态条件、保护环境等优点,是国内外研究的热点之一[1,2]。多孔植被混凝土主要由粗集料、水泥、水拌和而成。常见的粗集料有碎石、卵石、轻集料(陶粒)、再生混凝土等。其中多孔轻集料混凝土及植被的总荷载往往在200 kg/m2以下,可用于一些低荷载设计的既有建筑,比如屋顶绿化等。

从文献来看,目前多孔植被混凝土还没有形成统一合理的配合比设计方法。该文根据陶粒形态、成分较均一,呈球体或椭球体,且与水泥浆拌合后,轻集料混凝土颗粒(即多孔轻集料混凝土颗粒)仍呈球体或椭球体的特点,推导多孔轻集料植被混凝土理论计算公式,提出一种新的多孔轻集料植被混凝土配合比设计方法,并进行试验验证。

1 试 验

1.1 原材料

1)水泥 采用42.5普通硅酸盐水泥,其物理力学性能见表1。

2)轻集料 宁波本地建材有限公司生产的高强陶粒,表观密度为0.698×103kg/m3,堆积密度为0.381×103kg/m3。

3)混凝土外加剂 HR脂肪族减水剂,减水率为16%左右。

1.2 方法

1.2.1 强度测试方法

由于多孔轻集料植被混凝土是孔隙结构,表面凹凸不平,在进行强度测试时,试样表面与试验机压头接触点有限,导致结构应力分布不均匀,产生应力集中的现象,应力集中会使试样在很低的荷载作用下发生破坏,容易对试验结果的准确性产生影响。因此拆模后,需对试样受压面用砂浆进行抹面处理,以改善试样表面状况,降低抗压试验过程中试样表面与试验机压盘之间的摩擦系数,使试样内的应力趋向于均匀分布,相应提高试样所能承受的荷载,试验结果接近于混凝土强度的真实值[3]。

受压时,试样的成型面与受压面垂直,受压面150×150 mm2,保持外加力0.1～0.2 MPa的速度,每组测试六个试样。

1.2.2 孔隙率测试方法

普通混凝土有总孔隙的测定方法,没有连通孔隙率的概念。该文参考相关文献,采用总孔隙率和连通孔隙率指标[4]。

试验时首先成型好表面平整、外形规则的试样,待试样具有一定强度后,把试样用吊索固定好,然后放入准备好的水中,水漫过试样上表面后浸泡24 h,称取在水中的质量;然后烘干试样至恒重,称取其在空气中的质量,再将试样在标准养护的条件下放置24 h,称取其在空气中的质量。

多孔轻集料植被混凝土的总孔隙率p1和连通孔隙率p2,分别按下式计算

式中,V为试样的外观体积;w1为试样水中浸泡24 h后在水中的质量,w2为试样烘干至恒重的质量;w3为试样在标准养护的条件下放置24 h后在空气中的质量。

2 多孔轻集料植被混凝土理论公式推导和分析

2.1 陶粒孔隙率推导

与碎石颗粒表面粗糙,形状大小不一不同的是,多孔轻集料植被混凝土采用的陶粒形态、成分较均一,呈球体或椭球体,与水泥浆拌合后,陶粒混凝土颗粒(即多孔轻集料植被混凝土单个颗粒)仍呈球体或椭球体,这为多孔轻集料植被混凝土的模型简化提供了方便。

由此,我们引入平均当量直径的概念,以平均当量直径来代表陶粒和陶粒混凝土的平均直径。考虑到体积是直径3次方,该文随机取10个陶粒和陶粒混凝土颗粒,用游标卡尺测量球体或椭球体的尺寸,若是椭球体需先换算成球体当量直径,然后从大到小排列,取其第四位颗粒当量直径为平均当量直径D。

假设陶粒呈层状均匀排列,每单位中陶粒颗粒总数为n,陶粒呈堆积时的体积为

整个空间体积为

因而,自然堆积下的陶粒理论孔隙率为

实测陶粒的孔隙率为45.4%,与理论计算值47.6%比较接近,说明陶粒的形状、空间排列与理论较相符。

2.2 多孔轻集料植被混凝土孔隙率推导

当陶粒颗粒与水泥浆搅拌后,水泥浆大体均匀分布在陶粒颗粒球体表面,厚度为k,则轻集料混凝土颗粒平均当量直径为D+k。假设轻集料混凝土呈层状均匀排列,每单位中陶粒颗粒总数为m个,轻集料混凝土的空间体积为

考虑到两个轻集料混凝土接触后,形成球缺,如图1所示。单个球缺体积为

由于k小于D,相比V陶粒混凝土,V球缺可近似不计。

在计算单个轻集料混凝土空间时,当两个轻集料混凝土接触后,轻集料混凝土的平均当量直径由陶粒的平均当量直径D增加到D+k,并非D+2k,如图2所示孔轻集料植被混凝土的体积空间为

所以,多孔轻植被集料混凝土的孔隙率为

在实际搅拌成型时,由于轻集料混凝土之间的接触不是纯粹的4点相切接触,而是空间随机,且与成型方式、成型压力等有关,总的空间体积比理论空间V空间要小,对此提出修正的空间体积

修正系数α与成型方式有关,取0.85-0.95。当采用不施加压力、仅靠轻集料混凝土自重成型时(以下简称“自重无压力”),α可考虑取1.0;采用0.1～0.2 Pa压力压制成型方式时,α可考虑取0.90。

故修正后的多孔轻集料混凝土计算孔隙率为

2.3 多孔轻集料植被混凝土的水泥浆质量推导

假设陶粒密度为ρ陶粒,水泥浆密度为ρ水泥浆,如图3所示。

公式(14)没有考虑当两轻集料混凝土颗粒接触形成球缺时,有一部分水泥浆多余出来,但考虑到搅拌的时候需要损耗一部分水泥浆,基本上相抵。

2.4 多孔轻集料植被混凝土孔隙率理论计算及分析

以陶粒平均当量直径D分别取10 mm、16 mm、20 mm、26 mm,水泥浆厚度k取1 mm、1.5 mm、2 mm,并假设ρ水泥浆=2.000×103kg/m3(实际ρ水泥浆随水灰比的不同稍有变动),来计算轻集料混凝土的孔隙率,如表2所示。

由表2可见,当水泥浆的厚度一定时,随着陶粒平均当量直径的增大,孔隙率相应增大。对于平均当量直径是10 mm陶粒,即使水泥浆厚度仅为1 mm,其孔隙率理论计算数值仍很小。关于多孔轻集料植被混凝土孔隙率最小要求,国内尚无明确规定,但一般多孔植被混凝土的最小孔隙率在25%以上,以保证植被有一个良好的生长空间。所以对于多孔轻集料植被混凝土来说,应选择相对较大颗粒粒径的陶粒,才能保证一定的水泥浆厚度和孔隙率。

当水泥浆厚度较大时,若按公式(11)计算,当量直径小的多孔轻集料植被混凝土孔隙率理论计算数值有可能出现负数,这主要是因为水泥浆已出现流淌现象,轻集料混凝土呈不规则形状,而非球体或椭球体,导致上述的计算公式失效。试验证明,当孔隙率在18%以下时,多孔轻集料混凝土就开始出现明显的流淌。

3 多孔轻集料植被混凝土配合比设计试验及分析

3.1 多孔轻集料植被混凝土配合比设计

由公式(11)、(14)可知,对于多孔轻集料植被混凝土,若确定其孔隙率ρ,可计算出水泥浆的厚度k,确定水泥浆的质量m水泥浆,然后通过调整水泥浆的水灰比,配置具有一定强度且不出现流淌的多孔轻集料植被混凝土。这为多孔轻集料植被混凝土配合比设计提供了新的思路。具体如下:

1)选择陶粒,计算其平均当量直径D、表观密度ρ陶粒和m陶粒。

2)确定多孔轻集料目标孔隙率p,比如28.0%。

3)根据公式(11)计算出水泥浆的厚度k。

4)事先求出不同水灰比下水泥浆密度ρ水泥浆,根据公式(14)计算水泥浆的质量m水泥浆。

5)调整水灰比,试验是否出现流淌现象,测试其强度、孔隙率,从中选择合适的水灰比,并计算出水泥用量m水泥和拌合水用量m水。

6)验证多孔轻集料混凝土配合比(水∶水泥∶陶粒=m水∶m水泥∶m陶粒)。

3.2 多孔轻集料植被混凝土配合比设计试验

选择平均当量直径为18.3 mm、22.4 mm和27.6 mm的3种陶粒,目标总孔隙率为28.0%(α=0.9),配合比设计见表3,试验结果见表4,其中B1、C1组采用自重无压力和压制成型两种成型方式,其他组采用压制成型方式。

3.3 试验分析

由表(3)、表(4)可知:

1)总孔隙率由连通孔隙率和内部孔隙组成。对植被来说,因为内部孔隙无法利用,连通孔隙率比总孔隙率更为确切。而对于公式(11)的理论孔隙率来说,应采用总孔隙率指标与之比较。

采用压制成型方式时,上述各组实测总孔隙率与理论孔隙率计算结果(修正系数α=0.9)接近,差异在±1.5%之内,说明该文推导的多孔轻集料植被混凝土孔隙率理论计算方法比较符合实际。

当采用自重无压力成型方式时,实测孔隙率比理论孔隙率计算结果要低一些,这主要是因为即使不施加压力、仅靠轻集料混凝土自重成型,轻集料混凝土之间也不可能呈层状排列,故修正系数α应小于1。

2)一般来说,在相同轻集料粒径和级配下,水泥浆厚度越大,强度相对越高,但随之孔隙率减少。另一方面,当水泥浆厚度一定时,强度随轻集料粒径的增加而减少。

采用基于孔隙率的多孔轻集料植被混凝土配合比设计时,水泥浆的厚度随陶粒的平均当量直径的增加而增加,从而影响混凝土的强度、流动性等指标。如B组的平均当量直径为22.4 mm,水泥浆厚度为1.78 mm,分别介于A组和C组,而B组的强度明显高于A组和C组的强度,说明多孔轻集料植被混凝土的强度主要受轻集料颗粒粒径、水泥浆厚度等因素影响,需综合考虑。

由此可见,采用基于孔隙率的多孔轻集料植被混凝土配合比设计,可比较方便地选择合适颗粒粒径的陶粒材料和配合比。

3)采用HR脂肪族高效减水剂后,水泥浆的流动性增加,同时也改善了多孔轻集料植被混凝土的强度。比如B3组28 d的抗压强度是B2组的115%,C3组28 d的抗压强度是C2组的113%。值得注意的是,当水泥浆厚度较大时,应注意混凝土是否出现流淌现象。

4 结 论

a.根据陶粒形态、成分较均一,呈球体或椭球体的特点,推导出多孔轻集料植被混凝土孔隙率理论计算公式,试验表明该理论计算公式与实际较相符。

b.提出一种新的多孔轻集料植被混凝土配合比设计方法,即以孔隙率为主要设计参数,通过公式计算出包裹轻集料的水泥浆厚度和质量,调整水泥浆的水灰比,配置具有一定强度且不流淌的多孔轻集料植被混凝土。

c.多孔轻集料植被混凝土的强度主要受轻集料颗粒粒径、水泥浆厚度等因素影响,需综合考虑。采用基于孔隙率的多孔轻集料植被混凝土配合比设计,可比较方便地选择合适颗粒粒径的陶粒材料和配合比。

[1] 冯辉荣,罗仁安,樊建超.绿化混凝土的研究进展[J].混凝土,2005(12):25-28.

[2] 樊建超,罗仁安,冯辉荣.植物相容型生态混凝土的制备试验与研究[J].福建林业科技,2005,32(3):11-14.

[3] 沈 炫.构造型多孔植被混凝土的试验研究[D].湖北工业大学,2009.

[4] 张朝辉.多孔植被混凝土研究[D].成都:重庆大学,2006.

Research on Mix Ratio of Porous Lightweight Aggregate Vegetation-growing Concrete Based on Porosity

GUAN Bin-jun
(Faculty of Design and Architecture,Zhejiang Wanli University,Ningbo 315100,China)

The theory calculation formula of porous light weight aggregate vegetation-growing concrete was deduced on the basis of light weight aggregate being morphology and uniform composition with sphere or ellipsoid.A new kind of mix ratio design method of porous light weight aggregate vegetation-growing concrete was put forward,that was, putting porosity of concrete as main design parameter and calculating the thickness and quality of cement slurry enwrapped light weight aggregate,then adjusting the water cement ratio of cement slurry and testing,choosing the right porous light weight aggregate vegetation-growing concrete.

vegetation-growing concrete; porosity; lightweight aggregate; mix ratio design

2014-03-27.

宁波市自然基金项目(2011A610081).

管斌君(1976-),实验师.E-mail:13625841556@qq.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.03.007