多孔隙混凝土配比试验及应用的研究

张欢欢

(郑州财经学院 土木工程学院，河南 郑州 450000)

1 研究目的

本研究的目的在于解决配比设计过程中所可能遇到的困难，并藉由基本物性试验，提供设计及施工单位一系列配比设计数据，以便应用参考。

2 配比试验方法

本研究配比试验方法采用重量比例法。

2.1 试验材料

粗骨材，水泥，自来水。

2.2 粗骨材基本物性试验

与多孔隙混凝土相关的粗骨材相关物性包括形状系数、单位重、吸水率等。

2.2.1 骨材的形状系数

骨材的球度指数、扁平指标、三轴形状系数可由以下公式求得。

三轴形状系数:

扁平指标：

球度指数:

式中，a为骨材的最长轴；b为骨材的中间轴；c为骨材的最短轴。

2.2.2 单位重

混合骨材单位重：

式中，Wg为量桶内试样重；V为量桶体积。

2.3 垂流试验

以垂流量与水灰比的关系曲线，决定该骨材级配在固定浆骨比条件下的最大水灰比。

粗骨材粒径：25～37.5 mm。

填浆比例(简称浆骨比)：在不填满孔隙情形下，浆骨比由0.1至R区间内，每增加0.1间距，取7种浆骨比。

水灰比：水灰比由0.25～0.4，先取0.25进行拌和，分别为0.25、0.3、0.35及0.4，至少得出7种垂流量与水灰比关系值。

2.4 多孔隙混凝土物理及工程性质试验

2.4.1 圆柱试体制作

多孔隙混凝土圆柱试体与一般混凝土圆柱试体制作方式类似，采用轻捣实方式进行，避免振动太大造成额外垂流量。

粗骨材粒径：25～37.5 mm。

浆骨比：浆骨比0.1时骨材浆料有包覆不全情形，圆柱试体制作部分的浆骨比下限值为0.1，依序为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6及0.7。

水灰比：据垂流量试验结果找出最佳水灰比。设粗骨材重量Wb、水泥浆重Wp、水重w、实际加水量Ww、水泥重C、粗骨材表面含水率a、浆骨比R、水灰比W/C、干粗骨材重量为Wa。

a=(Wb-Wa)/Wa

2.4.2 孔隙率试验

试体浸入水中24 h以上，在水中称重WS，而后在空气中静置24 h以上，空气中称重WG。孔隙率为v，试体体积为Vt，水密度为ρW，计算如下：

2.4.3 透水试验

2.4.4 抗压强度

2.4.5 劈裂试验

本试验的透水混凝土采用水泥混凝土劈裂抗拉强度来进行试验。

式中,P为荷重，kgf；d为透水混凝土圆柱试体的直径，cm；L为透水混凝土圆柱试体的长度，cm。

3 试验结果与分析

3.1 骨材物理特性

3.1.1 形状系数

根据多孔隙混凝土初步浇筑结果显示，在相同粒径范围的粗骨材，若骨材形状越趋扁平时，其胶结情形越差，会直接影响多孔隙混凝土的抗压强度。本试验以抽样方式直接利用游标尺测量试验用骨材三轴直径，计算其三轴形状系数、扁平指数及球度指数等，试验结果如表1所示。

表1 形状系数试验结果

三种试验用粗骨材的三轴形状系数均高于0.6，显示试验用粗骨材形状已呈近圆形，经预备试验测试结果，其胶结情形颇为良好。

3.1.2 单位重

本研究分别就骨材粒径25～37.5 mm进行单位重试验，结果显示本研究采用的试验用粗骨材单位重为1 500～1 590 kg/m3，一般混凝土的单位重为2 250～2 350 kg/m3，使用轻质骨材拌和的混凝土重为1 600～1 700 kg/m3。

3.1.3 比重与吸水率试验

骨材比重及吸水率试验结果如下，依据试验用骨材粒径的比重和吸水率变化得知，比重为2.4～2.55，而吸水率则为5%～6%。由于吸水率随粒径变化而变化，故为确保透水混凝土浇筑不受骨材吸水率影响，本研究规定：“试验用骨材在浇筑前应置于水中24 h以上”，以确保骨材达到面干内饱和的情况，避免骨材吸收浆体中的水分，进一步影响工作进度及水化时间。试验结果发现比重为2.546，小于常重骨材(比重为2.6～2.7)，故多孔隙混凝土的骨材又可称为轻质骨材。

3.2 最佳水灰比

最佳水灰比由垂流试验结果分析而得，以避免水泥浆体渗漏至底层而阻塞孔隙。本研究定义“浆体损失率”等于渗浆量除以振动前水泥浆总重(水重+水灰重)。

粒径为25～37.5 mm由垂流试验浆体损失率与水灰比关系图，以切线法推估最佳水灰比，可知最佳水灰比与浆体损失率的关系如表2～3所示。不同浆骨比以及不同粒径，若水灰比在0.2～0.3可发现底盘几乎无渗浆情形。若水灰比超过0.35，则渗浆量将会造成底盘有渗浆情形发生；若水灰比低于0.3，则底盘无渗浆情形。

表2 振动法的浆体损失率求最佳水灰比(25～37.5 mm)

表3 振动法的浆体损失率求最佳水灰比(25～37.5 mm)

3.3 抗压强度

由于透水混凝土是以不足量浆体浇筑而成，其抗压强度比一般混凝土低，在工程应用上受到一定的制约。本研究利用重量法配制各种水灰比及浆骨比，并浇筑圆柱试体进行抗压强度试验，以试验骨材粒径(19～25、25～37.5、37.5～50 mm等)分别就不同水灰比及浆骨比条件下分析其抗压强度。抗压强度与水灰比和浆骨比的依存关系并不显著，随着水灰比及浆骨比而有不规则变化，通常水灰比为0.3～0.35、浆骨比为0.4～0.6时，其抗压强度普遍较高；以粒径分析，粒径越大者，其抗压强度越低。粒径为25～37.5 mm浆骨比与抗压强度的关系，浆骨比为0.1～0.7以及水灰比为0.25、0.3、0.35及0.4，由于骨材粒径越大，其浆体包裹面积变小，因此造成浇筑不均匀而强度变成没有规则性可循，浆骨比越高，则强度随之升高。

3.4 劈裂强度

抗拉强度是透水混凝土重要的工程性质之一，本研究采用劈裂强度试验，以掌握其抗拉强度变化。图1为劈裂强度与水灰比的关系。

图1 水灰比与劈裂强度的关系(25～37.5 mm)

1)透水混凝土劈裂的破坏模式，通常为锥形及劈裂破坏。

2)当粒径在25～37.5 mm时，劈裂强度为1.72～17.96 kg/cm2。这显示骨材粒径越小，其劈裂强度越高。

3)水灰比对劈裂强度的影响不显著，唯随着浆骨比增加，劈裂强度普遍提高，说明水灰比并非影响抗压强度与劈裂强度的因素。

4)相较于抗压强度，多孔隙混凝土劈裂强度相当低，约为抗压强度的1/10～1/12，不适合作为主要结构构造物使用，必须配合其他组合以达到安全、经济、生态等要求。由图3显示出三个试验现象：①水灰比递增则劈裂强度提高；②浆骨比提高则劈裂强度也随之提高；③粒径越大则劈裂强度越低。

3.5 透水系数

透水能力是评价多孔隙混凝土功能的重要指标之一。根据试验结果获得以下几个结论。

1)透水系数随着水灰比增加而降低。

2)水灰比相同时，透水系数随浆骨比提高而降低。

3)粒径为25～37.5 mm时，透水系数为1.508～11.374 cm/s。

由此可知，当水灰比和浆骨比已知时，粒径与透水系数呈正比例相关。骨材粒径愈大，其透水系数愈高，骨材粒径愈小，其透水系数则愈低。且如图3所示，浆骨比及水灰比两者都与透水系数成反比关系。

3.6 孔隙率

孔隙率指单位体积内所含孔隙体积，表征物体内部孔隙的多少。根据试验得出的结论如下。

1)当粒径在25～37.5 mm时，孔隙率为37%～0.02%。

2)以水灰比分析，孔隙率与水灰比呈反比例趋势，即水灰比越高时，孔隙率越低。

3)以浆骨比分析，浆骨比越高，孔隙率明显降低，其变化趋势较水灰比明显，显示浆骨比对孔隙率的影响高于水灰比。

3.7 工程性质试验小结

综合上述各项试验结果分析，可举列以下几点重要成果。

1)最佳水灰比的推估。经由垂流试验所求得的最佳水灰比可得到一个临界值，若水灰比超过0.35，则渗浆量将会造成底盘有渗浆情形发生；若水灰比低于0.35，则底盘无渗浆情形。

2)透水系数。①水灰比越大，透水系数越小；②浆骨比越小，透水系数越大；③骨材越大，透水性越佳。

3)孔隙率：①从捣实方面探讨，孔隙率与捣实能量有直接关系，当以轻捣实方式捣实骨材时，骨材较为松散，孔隙率较高；反之，以重捣实方式捣实骨材时，骨材较为紧密，孔隙率较低；②当水灰比值增加，孔隙率值减少；骨材粒径的大小与孔隙率并无直接关系。

4)劈裂强度。水灰比并非影响抗压强度与劈裂强度的因素，而浆骨比是影响抗压强度与劈裂强度的主要控制因素，浆骨比增高则抗压强度与劈裂强度也随之升高。由试验得知多孔隙混凝土的抗拉强度极差，故不能当作主要结构物需辅以其他结构组合，才能发挥多孔隙混凝土的特性。

5)抗压强度。虽然经由试验得知，为了提高多孔隙混凝土的强度，则浆骨比为主要因素之一，但为了达到工程的要求，尚须考虑植生工程与生态工程理念，符合孔隙率与透水系数的相关要求，以达到工程与生态的完美组合目标。

6)本研究整理多孔隙混凝土试验结果，综合抗压强度、透水系数及孔隙率与各项工程适用性的关系，如表4所示。

表4 多孔隙混凝土工程性质与适用工程一览表(25～37.5 mm)

4 结 论

1)最佳水灰比。由垂流试验推估最佳水灰比，粒径25～37.5 mm的最佳水灰比为0.32～0.35，由最佳水灰比的范围可以决定底盘不致于产生渗浆情形，进而发挥多孔隙混凝土的特性。

2)抗压强度。以粒径分析，粒径越大，其抗压强度越低。通常水灰比为0.3～0.35、浆骨比为0.4～0.6时，其抗压强度普遍较高。

3)劈裂强度。劈裂强度主要为测试透水混凝土的抗拉能力。由试验发现，粒径越小，骨材彼此之间胶结面积较大，故粒径越小强度越高。

4)透水系数。透水系数随水灰比增加而降低；相同水灰比时，透水系数随着浆骨比提高而降低；粒径25～37.5 mm时，透水系数为11.0～1.0 cm/sec。

5)孔隙率。以水灰比分析，孔隙率与水灰比呈反比例趋势，即水灰比越高时，孔隙率越低；以浆骨比分析，浆骨比越高，孔隙率明显降低，其变化趋势较水灰比明显，显示浆骨比对孔隙率的影响高于水灰比。

[ID:012662]