張嬌磊,李 進(jìn),袁大偉,李書鋒,胡春生,鄧 樂
(1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,陜西 西安 710055;2.許昌學(xué)院交通運(yùn)輸學(xué)院,河南 許昌 461000;3.北京市燕通建筑構(gòu)件有限公司,北京 102200)
透水混凝土是一種內(nèi)部非封閉且多孔的材料[1],其細(xì)骨料含量相對(duì)傳統(tǒng)混凝土較少或者沒有,通常只有單一粒徑或者一定級(jí)配的粗骨料,形成原理是通過包裹在粗骨料表面上的膠凝材料硬化后形成連續(xù)的膠結(jié)體而連接在一起[2],再經(jīng)過一系列的壓制、振搗而制成。透水混凝土最早出現(xiàn)于19世紀(jì)中期,經(jīng)過一個(gè)多世紀(jì)的不斷發(fā)展完善之后,由于全球?qū)Νh(huán)境問題和可持續(xù)解決方案重視程度不斷提高,同時(shí)在廣大社會(huì)需求的推動(dòng)下,直接加快了透水混凝土的研究與推廣工程應(yīng)用,在21世紀(jì)初,國內(nèi)外眾多學(xué)者也開展了關(guān)于透水混凝土的相關(guān)研究,并取得不錯(cuò)的成果運(yùn)用到實(shí)際工程中[3]。隨著國家“海綿城市”理念不斷深入,快速緩解城市的“熱島效應(yīng)”,透水混凝土作為一種新型的環(huán)保節(jié)能材料能很好地解決這一問題,可作為這一問題的可持續(xù)性解決方案,也是我國以后綠色城市建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)[4]。我國于2015年由國務(wù)院頒布了《關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見》,旨在全國范圍內(nèi)加快推廣海綿城市的建設(shè)[5]。因此,對(duì)無砂透水混凝土展開研究具有十分重要的意義。
試驗(yàn)采用湖波牌水泥P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,粗骨料采用經(jīng)過篩分的破碎性石灰?guī)r,粒徑在5~20 mm,其各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)滿足《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 135—2009)[6]中的要求;其增強(qiáng)劑用量在試驗(yàn)之前進(jìn)行預(yù)試驗(yàn),找出增強(qiáng)劑合適的摻量,摻量范圍為水泥摻量的3%~6%;拌和用水選用自來水。
本試驗(yàn)采用集料表面水泥包裹法、人工振搗與機(jī)械振搗結(jié)合進(jìn)行樣品制備,具體制備流程見圖1所示。
圖1 工藝流程圖
參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE 30—2005)[7]中要求,確定試件的21 d立方體抗壓強(qiáng)度fcu和抗折強(qiáng)度ff。透水系數(shù)測試方法利用定制的測試裝置,采用定水頭法,按照文獻(xiàn)[6]過程進(jìn)行測試。
本文參考文獻(xiàn)[6]通過體積法來計(jì)算出透水混凝土的配合比。由多次預(yù)試驗(yàn),水膠比初步選用0.25、0.30、0.35,目標(biāo)孔隙率選用17%、20%、23%,粒徑則選取5~10、10~15、15~20 mm。詳細(xì)參數(shù)見表1。
表1 正交試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)
注:粒徑5表示5~10 mm、粒徑10表示10~15 mm、粒徑15表示15~20 mm,下同。
三種因素與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系見圖2。
(a)水膠比與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系
(b)骨料粒徑與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系
(c)設(shè)計(jì)孔隙率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系
從圖2(a)可以看出,水膠比為0.3時(shí)抗壓強(qiáng)度明顯高于水膠比為0.25、0.35的抗壓強(qiáng)度;從圖2(b)可以看出,粒徑為5 mm的強(qiáng)度高于其他粒徑,但綜合考慮透水性,仍需繼續(xù)試驗(yàn)找到高透水率和高強(qiáng)度的骨料和配合比;從圖2(c)可以看出,增大設(shè)計(jì)孔隙率、骨料粒徑的增大會(huì)其抗壓強(qiáng)度不斷降低。由于初選水膠比范圍較大,在0.3的基礎(chǔ)上在進(jìn)行調(diào)整。5 mm粒徑的石子透水率一般,為進(jìn)一步提高透水率,選取骨料為10 mm,進(jìn)行四因素三水平的正交試驗(yàn)。
配合比設(shè)計(jì)見表2,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。
表2 正交試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)
表3 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
從表2的試驗(yàn)結(jié)果分析可知,試驗(yàn)整體的抗壓強(qiáng)度低于5 mm粒徑的抗壓強(qiáng)度,因?yàn)榱降脑龃髮?dǎo)致混凝土內(nèi)部的比表面積減少,減小了骨料與膠凝材料的粘結(jié),從而骨料之間也無法更好的有力粘結(jié)。由第一次正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,粒徑對(duì)強(qiáng)度影響較大,故仍需要使用粒徑5 mm與粒徑10 mm的石子進(jìn)行對(duì)比選取合適的粒徑。
從表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可知,水膠比分別為0.32、0.30、0.28中不摻硅灰和摻硅灰,其透水系數(shù)從9.1 mm低到0.5~3.3 mm降低了63.7%~94.5%;透水系數(shù)從3.9 mm降低到2.5 mm,降低了35.9%;透水系數(shù)從5.3 mm降低到1.6~1.9 mm,降低了64.2%~69.8%。所以硅灰雖可以提高強(qiáng)度,但是對(duì)透水系數(shù)影響較大,故在第三次試驗(yàn)將不摻入硅灰。其中水膠比在0.28的條件下,7 d抗壓強(qiáng)度平均值為13.03 MPa大于水膠比為0.3、0.32的抗壓強(qiáng)度10.21、12.40 MPa,故選水膠比0.28±0.02繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn),并加入一定摻量的增強(qiáng)劑。
配合比設(shè)計(jì)見表4,三因素的影響見圖3,水膠比對(duì)21 d抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)變化率影響見表5。
表4 正交試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)
(a) 21 d抗壓強(qiáng)度與水膠比、粒徑、礦粉關(guān)系
(b)透水系數(shù)與水膠比、粒徑、礦粉關(guān)系
表5水膠比對(duì)21d抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)變化率的影響
水灰比21d抗壓強(qiáng)度/MPa最大值最小值極差抗壓強(qiáng)度變化率/%透水系數(shù)/(mm·s-1)最大值最小值極差透水系數(shù)變化率/%0.2620.217.52.713.370.30.220.0826.700.2826.715.411.342.3210.110.8989.000.3029.623.16.521.960.60.170.4371.67
正交試驗(yàn)極差越大,所對(duì)應(yīng)的因素對(duì)目標(biāo)影響越大,根據(jù)圖3和表5中三個(gè)因素的極差及其相關(guān)變化率可得:影響21 d抗壓強(qiáng)度首要設(shè)計(jì)因素是水膠比,其次為粒徑,受礦粉含量影響不大;透水系數(shù)主要影響設(shè)計(jì)因素是礦粉,水膠比和粒徑影響相當(dāng)。
從第三次試驗(yàn)結(jié)果得知:在預(yù)定范圍內(nèi)的水膠比,隨著水膠比的增大,強(qiáng)度不斷提高,透水率也在不斷提高,主要由于隨著含水量相對(duì)的增多,加強(qiáng)流動(dòng)性,使更多的骨料被水泥和外摻料更容易包裹住,加強(qiáng)其強(qiáng)度;骨料粒徑的增大反而使無砂透水混凝土的強(qiáng)度降低,骨料是透水混凝土基本骨架,其粒徑大小對(duì)混凝土內(nèi)部的密實(shí)度起決定性作用,骨料粒徑小其內(nèi)部的比表面積就大,可以結(jié)合更多的膠凝材料,增加其強(qiáng)度,但是骨料粒徑小會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部的孔隙率減小,對(duì)透水性能有所降低;礦粉的細(xì)度大于水泥,可以填充部分水泥與未與骨料完全包裹,然后進(jìn)行二次水化吸收氫氧化鈣并產(chǎn)生C-S-H凝膠來進(jìn)一步提高強(qiáng)度。
本文通過三次試驗(yàn)的方法逐步確定了水膠比、骨料粒徑、礦粉、設(shè)計(jì)孔隙率、增強(qiáng)劑、硅灰等因素的較佳比例,并得出以下結(jié)論:水膠比控制在0.28~0.30時(shí),抗壓強(qiáng)度和透水性能達(dá)到最優(yōu);骨料粒徑選用5~10 mm,以提高混凝土強(qiáng)度;當(dāng)?shù)V粉摻量在10%左右時(shí),可以較好地改善無砂透水混凝土的綜合性能;設(shè)計(jì)孔隙率與抗壓強(qiáng)度呈反比,與透水性能呈正比,設(shè)計(jì)孔隙率取17%;增強(qiáng)劑摻量取4.5%,因?yàn)樵鰪?qiáng)劑摻量過多對(duì)透水性能有所降低;硅灰的摻入雖然能較好地提高強(qiáng)度,但對(duì)其透水性能的降低較大,故不摻入硅灰。