成型过程中若干因素对透水混凝土性能的影响研究*

汪雄杰,陈代果,杨福俭,刘筱玲,杜义祥,姚 勇

(1.西南科技大学土木工程与建筑学院,四川 绵阳 621000; 2.信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司,四川 成都 610021; 3.四川振通检测股份有限公司,四川 绵阳 621000)

0 引言

透水混凝土是由胶凝材料包裹粗骨料形成的骨架-孔隙结构,内部呈连续多孔状,具有透气、透水、降噪和减缓城市热岛效应的特点[1-4]。因此,在城市市政绿化、轻型道路、污水净化及生态护坡等轻荷载路面上被广泛使用,是“海绵城市”建设中的优异混凝土材料[5-10]。Alimohammadi等[11]通过试验发现纳米材料经过雨水处理可提高透水混凝土的去除效率、抗压强度和吸附能力,但降会低透水混凝土的渗透速率。侯利军等[12]通过三因素正交试验发现水灰比、水泥用量和聚合物掺量3种因素中,水灰比对透水混凝土的抗压强度、抗折强度和透水性能影响最大,且存在最佳水灰比。王玲玲等[13]制备了SAP透水混凝土,试验发现SAP掺量对透水混凝土的保水率、抗压强度、抗折强度及抗硫酸盐腐蚀能力等影响显著。杨福俭[14]通过正交试验建立了透水混凝土的孔隙率-动容损伤量、孔隙率-抗压强度等的数学关系。陈代果等[15]设计正交试验,选取不同因素得出透水混凝土抗冻性能最佳配合比。向君正等[16]采用压汞法和扫描电镜法,通过观察透水混凝土和水泥石的微观孔隙结构变化,发现随着冻融次数的增加,透水混凝土骨料-水泥界面出现裂缝并不断扩展,但水泥石微观结果无明显变化,说明透水混凝土的抗冻性能与骨料-水泥界面的劣化有重要关系。Kevern等[17]采用添加细骨料和纤维改变配合比的方式设计试验,指出细骨料可有效增大骨料间的接触面积,增强透水混凝土的强度和耐久性;聚丙烯纤维可增强骨料连接性能,降低质量损失率。

综上所述,正交试验在改变配合比提高透水混凝土的性能中被广泛运用。但当配合比一定时,成型方式也会对透水混凝土性能产生重要影响,因此,本试验从改变成型过程中的若干因素出发,研究透水混凝土的孔隙率和抗压强度等性能。

1 试验设计

1.1 原材料

水泥采用P·O42.5R普通硅酸盐水泥;粗骨料为5～10mm单一级配;硅灰为高活性微硅灰;纤维为9mm长PAN纤维;粘结剂为高效粘结剂。配合比(kg)为:碎石∶水泥∶硅灰∶PAN纤维∶水∶粘结剂=1 617∶419∶25.14∶1.67∶130∶8.38。

1.2 配合比和正交试验设计

本试验采用正交试验方法[18]研究搅拌时间(A)、击实次数(B)、装模次数(C)、人工插捣次数(D)对透水混凝土孔隙率和抗压强度的影响。试件规格为边长150mm的立方体。通过改变透水混凝土成型过程中的若干因素,分析比较其孔隙率、相对动弹性模量随冻融循环次数的变化规律。选用L9(34)设计正交试验,如表1,2所示。

表1 正交试验因素水平Table 1 Levels of orthogonal test factors

1.3 孔隙率测试

透水混凝土孔隙率测试装置如图1所示。将边长150mm的立方体透水混凝土试件放入标准养护室养护28d后取出放入烘干机烘干24h,烘干水分后称取质量m0;再将其放入水中浸泡2d取出后称取试件质量m1;最后计算得到试件孔隙率e:

图1 孔隙率试验装置示意Fig.1 Porosity test device

(1)

1.4 抗压强度测试

透水混凝土抗压强度测试装置如图2所示。本试验按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》相关要求执行,试样为边长150mm的立方体试件,加载速率为0.3MPa/s,抗压强度计算为:

图2 压力试验机Fig.2 Pressure testing machine

(2)

式中:F为破坏时荷载(N);A为试样横截面积(mm2);fc为立方体试件抗压强度(MPa)。

2 结果和讨论

2.1 孔隙率

按表2进行透水混凝土试件试验,得到透水混凝土孔隙率,如表3,4所示。

表2 正交试验Table 2 Orthogonal test

表3 各组试件平均孔隙率系数Table 3 Average porosity coefficient of each group of specimens

由表3可知,试验孔隙率为8.78%～20.42%,而试验设计孔隙率为20%,除第1,2组基本满足,第3～9组均小于设计孔隙率。第9组孔隙率与第1组相比降低了57%,原因是成型过程中的若干因素影响了透水混凝土内部的密实程度,插捣次数过多会加速水泥浆体的下沉,堵塞部分连通孔隙;硅灰会生成C-S-H凝胶体,该物质依靠填充微小孔隙实现增大强度的作用;搅拌时长也会影响水泥水化反应的充分性,搅拌时间越长水化反应越充分,附着在粗骨料表面的水泥浆体越多,骨料间孔隙被填充部分也越多,从而降低孔隙率。

由表4可知,成型过程中的若干因素对透水混凝土孔隙率的影响按重要程度排序为:搅拌时间、装模次数、击实次数、人工插捣;根据孔隙率结果,得到最佳成型组合为:加水后搅拌1min,击实30次,1次性装模,插捣35次。通过极差分析,搅拌时间是透水混凝土成型方式中最重要的影响因素,而方差分析结果显示FA=7.17,最接近F0.1,表明搅拌时间对孔隙率影响较显著。所以控制透水混凝土孔隙率应严格控制其搅拌时间,最佳搅拌时间为加水后1min。

表4 孔隙率极差和方差分析Table 4 Porosity range and ANOVA analysis

2.2 抗压强度

透水混凝土多用于城市低荷载路面,主要受压。立方体抗压强度测定结果如表5所示。由表5可知,试验1～3组抗压强度为17.71～20.50MPa;4～9组抗压强度为26.40～30.30MPa,除第1组小于20MPa,其余组别均大于设计强度20MPa。其中第7组抗压强度最大,与第1组相比,增大了71.18%。从表2可看出,1,2,3组搅拌时间短,而搅拌时间太短会导致骨料和胶凝材料等拌合物的流动性较差、含气量较高、浆体黏度升高。透水混凝土中出现大量未充分混合的胶凝材料和骨料,增大强度的变异系数,进而降低抗压强度。普通透水混凝土在抗压强度试验中,破坏时通常以骨料个体为单位进行脱落,试样完整性较差。但试验配合比透水混凝土在抗压强度试验中,破坏以局部脱落为主,且破坏时整体性较好(见图3),与普通透水混凝土抗压破坏不同。立方体抗压强度极差和方差分析如表6所示。

图3 透水混凝土抗压破坏Fig.3 Permeable concrete is resistant to compressive failure

表5 立方体抗压强度测定结果Table 5 Measurement results of cubic compressive strength

表6 立方体抗压强度极差和方差分析Table 6 Cubic compressive strength range and variance analysis

由表6可知,成型过程中的若干因素对透水混凝土的影响按重要程度排序为:搅拌时间、人工插捣次数、装模次数、击实次数。其中搅拌时间同样对抗压强度影响最大,这与孔隙率的分析结果一致。但搅拌时间对应的最佳水平为k3,与孔隙率最佳水平k1的结果相反,满足孔隙率与抗压强度成反相关的关系。结果显示FA=314.65,其值最大,远超过F0.05,也说明了搅拌时间对抗压强度的影响非常显著。此外F0.1

2.3 孔隙率与抗压强度的关系

试验表明,孔隙率与透水混凝土的基本物理力学性能有直接关系。孔隙率越大骨料间的接触面积越小,骨料间形成的骨架-孔隙受力结构就越疏松,抗压强度越小。研究表明,多孔材料的孔隙率与抗压强度间可用函数关系描述,这种函数关系称为孔隙-强度模型。为更好地接近实际,以孔隙率为变量,通过线性拟合的方式探究孔隙率与抗压强度的函数关系,如式(3)、图4所示。

图4 孔隙率-抗压强度关系Fig.4 Porosity-compressive strength relationship

S=39.443-1.053P′,R2=0.92

(3)

由图4可知,抗压强度与孔隙率成线性关系,随孔隙率的增大而减小。拟合结果R2>0.90。同时依照现有Balshin,Ryshkewitch,Hasselman[19-20]3种孔隙-强度理论模型进行对比分析,3种模型分别以幂函数、指数型函数、线性函数的形式反映了孔隙率与抗压强度的关系,如表7,图5所示。

图5 孔隙率-抗压强度关系对比Fig.5 Comparison of porosity-compressive strength relationship

表7 孔隙率-抗压强度模型Table 7 Porosity-compressive strength model

由图5可知,以上3种孔隙-强度模型拟合效果较好,R2均为0.90左右,随着孔隙率的增大,抗压强度实际趋势均基本满足拟合方程。具体参数取值如下:

(4)

S=44.298e-0.042e′,R2=0.88

(5)

S=39.514(1-0.026e′),R2=0.91

(6)

式中:e′ 为100e。

由式(3)及上述3种孔隙-强度模型可看出,透水混凝土的抗压强度均可通过函数与孔隙率建立关系,且随着孔隙率的变化二者大致成负相关关系(见图4,5),在实际工程中,可通过式(3)以透水混凝土的孔隙率来推算其抗压强度。

3 结语

1)透水混凝土孔隙率影响因素敏感性从大到小为:搅拌时间、装模次数、击实次数、人工插捣,其最佳因素组合为:搅拌1min,击实30次,1次性装模,插捣35次;透水混凝土抗压强度影响因素敏感性从大到小为:搅拌时间、人工插捣次数、装模次数、击实次数,其最佳因素组合为:搅拌3min,顶部击实40次,分3次装模,人工插捣45次。

2)由极差和方差分析可知,在各种成型因素中,搅拌时间是影响透水混凝土孔隙率、抗压强度等最重要的因素,因此建议实际工程中严格控制搅拌时间。同时也证明了配合比一定时,可通过控制透水混凝土的搅拌时间等因素控制其孔隙率,进而影响其抗压强度等性能。

3)根据孔隙率与抗压强度的负相关关系,建立函数模型,其拟合相关性较好。同时对比了3种经验公式,R2均在0.90左右。