基于正交试验的透水混凝土配合比设计

赵彦，陈忠玉，张浩杰，何锐波，姜超，李群龙，陈伟

（云南建投曲靖建材有限公司，云南 曲靖 655000）

0 前言

随着城市化进程的不断加快，云南省曲靖市在建设过程中大量硬化路面、地面以及不透水地面不断增多，导致曲靖市区内涝严重，逢雨必淹，不断上演“看海”景观[1]。对此，昆明市制定了《曲靖市中心城市海绵城市专项规划》，明确了曲靖市从近期 2016 年至2020 年，远期 2021 至 2030 年的规划期限，规划《曲靖市麒沾马一体化总体规划》中心城区范围，建设用地183m2，研究范围为中心城区及坝区 1450m2。

针对城市生态系统和城市内涝灾害的问题，寻求环境友好型材料的过程中，由于透水混凝土良好的透气、透水性以及降温功能将广泛的应用于生态城市建设[3]。孟宏睿等[4]分析了水灰比和灰骨比对透水混凝土抗压强度和透水性的影响和关系，在不掺外加剂的情况下配制出了强度为 24.5MPa、透水系数为 2.8mm/s 的透水混凝土。透水混凝土配合比设计方面，郑木莲等[5]通过水泥用量、水灰比及集料级配三个因素的正交试验结果，提出透水混凝土配合比设计的经验公式法。Joshaghani A等[6]开展了透水混凝土密度、孔隙率及抗压强度的试验研究，研究结果表明，随着骨料粒径的增大，透水混凝土的孔隙率随之增大，抗压强度随之下降，即孔隙率增大导致抗压强度下降。透水混凝土的研究和制备也不断成为行业关注的热点。

虽然目前对透水性混凝土已经进行了较多的研究工作，但不同地区透水混凝土的应用技术发展不平衡，且各地原材料差异性较大，在推进地区透水混凝土发展应用过程中，有必要进行地区原材料制备透水混凝土的试验研究。因此，本文根据云南曲靖地区原材料的特性，基于正交试验设计了不同试验配合比，分析了水胶比、骨浆比及机制砂掺量对透水混凝土抗压强度和孔隙率的影响规律，以期为云南曲靖地区透水混凝土的应用提供技术支持。

1 试验部分

1.1 试验原材料

（1）水泥：试验中选用 P·O42.5 普通硅酸盐水泥，云南曲靖雄业水泥有限公司生产，其物理性能见表1，化学组成见表2。

（2）骨料：粗骨料为粒径 5～10mm、10～20mm粒径的碎石，细骨料为 0～5mm 机制砂，云南曲靖青龙尖脑子石业有限公司生产，技术指标见表3 和表4。

（3）减水剂：PCA-800 型高性能聚羧酸减水剂，云南建投高分子有限公司生产，固含量为 12.1%，减水率为 25.3%。

（4）粘结剂：北京德昌伟业建筑工程技术有限公司生产的 DC-C3 型透水胶结剂。

表1 P·O42.5 水泥物理性能

表2 P·O42.5 水泥的化学成分 wt.%

1.2 正交试验设计

参照 CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规范》，体积法设计计算配合比。本文通过正交试验设计研究骨浆比、水胶比及机制砂掺量对透水混凝土力学性能和实际孔隙率的影响，试验中每个因素设置三个水平，三因素三水平，L9(33) 正交试验设计表如表5、6所示，具体试验配合比见表7。

表3 粗骨料技术指标

表4 细骨料技术指标

表5 三因素三水平正交试验表

表6 正交表L9(33)

1.3 试件制备与养护

按照表7 中的配合比，采用“裹砂石法”成型透水混凝土试件，试件尺寸为 150mm×150mm×150mm，成型 2d 后拆模，然后放入标准养护室（温度 (20±2)℃，湿度≥95%）进行养护，“裹砂石法”搅拌制度如图1 所示。

图1 透水混凝土成型搅拌制度

表7 透水混凝土试验配合比 kg/m3

1.4 试验方法

透水混凝土抗压强度测试参考 GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》中的要求进行。透水混凝土孔隙率试验采用排水称重法进行测试，先将试件在水中浸泡 24h 后，测试此时试件在水中的质量M1，取出试件烘干至恒重测试其质量 M2，透水混凝土孔隙率按式 (1) 计算：

式中：P ——试件孔隙率，%；

V ——试件的体积，cm3；

M1——试件浸泡饱水时的质量，g；

M2——试件干燥时时的质量，g；

ρt——水在 t℃ 下的密度，g/cm3。

2 试验结果与讨论

2.1 试验结果

按照表7 中的配合比成型透水混凝土，分别测试了试件的抗压强度和实测孔隙率，结果如表8 所示。

表8 抗压强度与实测孔隙率测试结果

2.2 正交试验结果分析

2.2.1 直观分析

采用极差法对表7 中试件的 28d 抗压强度和实测孔隙率的数据进行了分析，极差分析结果如表9 所示。

表9 正交试验极差分析表

通过表9 可以看出，各因素对 28d 抗压强度影响的主次顺序为：骨浆比＞机制砂掺量＞水胶比，各因素的最优组合为：骨浆比为 3.15、机制砂掺量 15%、水胶比为 0.26；各因素对实测孔隙率影响的主次顺序为：骨浆比＞水胶比＞机制砂掺量，各因素的最优组合为：骨浆比为 3.30、水胶比为 0.26、机制砂掺量 5%。不难发现，骨浆比对 28d 抗压强度和实测孔隙率具有重要影响，而机制砂掺量、水胶比对抗压强度和实测孔隙率具有不同的影响规律，机制砂掺量对 28d 抗压强度影响大于其对实测孔隙率的影响，而水胶比相反。

2.2.2 方差分析

采用方差分析法对表8 中试件的 28d 抗压强度和实测孔隙率数据进行了分析，方差分析结果分别如表10、表11 所示。

表10 28d 抗压强度方差分析

表11 实测孔隙率方差分析

由表10 中 28d 抗压强度的方差分析结果可知，骨浆比的各水平对试件 28d 抗压强度的影响最为明显，其此次为机制砂掺量和水胶比，机制砂掺量较水胶比的影响要大。通过表11 中实测孔隙率的方差分析结果可知，骨浆比对试件实测孔隙率的影响最大，而水胶比和机制砂掺量对试件实测孔隙率没有显著影响，但水胶比的影响要大于机制砂掺量。

结合表9、表10 及表11 可以发现，极差分析的结果与方差分析结果一致，综合来看，运用云南曲靖地区原材料进行透水混凝土配合比设计时的影响顺序为：骨浆比＞机制砂掺量＞水胶比。

3 结论

（1）对云南曲靖地区原材料配制的透水混凝土进行了正交试验，并对 28d 抗压强度和实测孔隙率分别进行了极差分析和方差分析，结果表明，极差分析和方差分析结果一致。

（2）由极差分析和方差分析可知，骨浆比对透水混凝土抗压强度和实测孔隙率的影响最大。

（3）综合考虑透水混凝土的性能要求，确定透水混凝土的最优配合比为：骨浆比 3.15、水胶比 0.26、机制砂掺量 10%。