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        基于骨料球形度的透水混凝土配合比設(shè)計(jì)方法

        2022-03-29 10:05:34張同生謝曉庚楊東來(lái)
        建筑材料學(xué)報(bào) 2022年3期
        關(guān)鍵詞:接觸區(qū)目標(biāo)值實(shí)測(cè)值

        汪 超, 張同生,2,*, 謝曉庚, 李 彬, 楊東來(lái)

        (1.華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州 510640;2.華南理工大學(xué) 廣東省建筑材料低碳技術(shù)工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510640;3.保利長(zhǎng)大工程有限公司,廣東 廣州 511430)

        透水混凝土具有良好的透氣、透水性能[1-2],是“海綿城市”建設(shè)的關(guān)鍵材料.透水混凝土配合比設(shè)計(jì)方法可分為“絕對(duì)體積”法[3-4]和“比表面積”法[5-6],這2 種方法均旨在設(shè)計(jì)透水混凝土的孔隙,難以直接設(shè)計(jì)透水混凝土的力學(xué)性能.基于“組成-結(jié)構(gòu)-性能”分析理念,Xie等[7]提出采用接觸點(diǎn)數(shù)目(N)、接觸區(qū)寬度(W)和骨料間漿體厚度(dT)來(lái)表征透水混凝土的骨架結(jié)構(gòu),建立了骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)與透水混凝土抗壓強(qiáng)度(FC)和透水系數(shù)(k15)的關(guān)系[8],最終提出了基于骨架結(jié)構(gòu)的透水混凝土配合比設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)了透水混凝土力學(xué)與透水性能的可控設(shè)計(jì).但該研究采用單一粒徑、球形度較好的骨料,可視為等徑剛性球體,其骨架結(jié)構(gòu)與理論值相似[8].實(shí)際工程中骨料粒形較差、粒徑范圍較寬,導(dǎo)致透水混凝土骨架結(jié)構(gòu)偏離理論值,進(jìn)而影響透水混凝土配合比設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性.因此,必須根據(jù)骨料粒形對(duì)骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正,從而確保設(shè)計(jì)的透水混凝土達(dá)到目標(biāo)性能.

        本文表征了實(shí)際工程中常用骨料的球形度,系統(tǒng)研究了其對(duì)透水混凝土骨架結(jié)構(gòu)的影響,并對(duì)透水混凝土配合比設(shè)計(jì)方法進(jìn)行修正和驗(yàn)證,提高其適用性和準(zhǔn)確性,為其工程應(yīng)用奠定理論與技術(shù)支撐.

        1 試驗(yàn)

        1.1 原材料

        海螺P·O 42.5 水泥,其化學(xué)組成1)文中涉及的組成、水灰比等除特別說(shuō)明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.見(jiàn)表1.骨料為廣東長(zhǎng)大某施工單位提供的粒徑(da)分別為5~10、10~20 mm 的2 種花崗巖碎石,分別記為S、L,其級(jí)配見(jiàn)表2,相關(guān)物理性能見(jiàn)表3.外加劑為市售高性能聚羧酸減水劑(SP),固含量為20.0%.

        表1 水泥的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of cement w/%

        表2 骨料的級(jí)配Table 2 Gradations of coarse aggregates

        表3 骨料的物理性能Table 3 Physical properties of aggregates

        1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        基于骨架結(jié)構(gòu)的透水混凝土配合比設(shè)計(jì)方法[7],配合比設(shè)計(jì)具體步驟為:首先,根據(jù)透水混凝土的目標(biāo)強(qiáng)度FC和透水系數(shù)k15,由式(1)、(2)可計(jì)算得到基體7 d 抗壓強(qiáng)度f(wàn)c、接觸區(qū)漿體總面積(STPA);其次,由式(3)計(jì)算得到接觸點(diǎn)數(shù)目N,并根據(jù)STPA與接觸點(diǎn)數(shù)目(N)、接觸區(qū)寬度(W)和骨料間漿體厚度(dT)的關(guān)系[7],聯(lián)立式(4)、(5)可得漿體包裹層厚度(dTPT),進(jìn)而計(jì)算接觸區(qū)寬度W和骨料間漿體厚度dT.透水混凝土的目標(biāo)性能與骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表4,根據(jù)所用骨料的類型,將透水混凝土分為S、L 系列透水混凝土,同時(shí)根據(jù)目標(biāo)性能的不同將其命名為S1、S2、S3、L1、L2、L3.

        表4 透水混凝土的目標(biāo)性能與骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 4 Target properties and skeleton structure parameters of pervious concretes

        確定骨料包裹層厚度后,再由式(6)確定漿體/骨料體積比(φP/φA). 當(dāng)水灰比(mW/mC)為0.210時(shí),fc=97.3 MPa,滿足設(shè)計(jì)要求(>94.1 MPa);調(diào)控減水劑摻量,確保最大包裹層厚度dMPCT>dTPT[9],避免成型過(guò)程中淌漿堵孔現(xiàn)象.

        式中:φ′d、ψ′d、α均為系數(shù);P0為骨料堆積孔隙率;為骨料的平均粒徑.

        1.3 透水混凝土試件的制備

        按水灰比和漿體骨料比,可計(jì)算透水混凝土的配合比,結(jié)果見(jiàn)表5.采用分步投料法[10],按表5中設(shè)計(jì)的6種配合比制備6組透水混凝土,采用插搗的方法成型透水混凝土試件,拆模后置于飽和石灰水中養(yǎng)護(hù).

        表5 設(shè)計(jì)透水混凝土的配合比Table 5 Mix proportions of pervious concretes designed

        1.4 試驗(yàn)方法

        1.4.1 骨料球形度的測(cè)試

        根據(jù)骨料三維尺寸確定其最小體積的外切長(zhǎng)方體,定義該長(zhǎng)方體最大尺寸為長(zhǎng)度L,最小尺寸為厚度S,中間尺寸為寬度M;通過(guò)投影面即可反映出骨料三圍尺寸,見(jiàn)圖1.球形度(SP)是衡量顆粒長(zhǎng)、中、短3 個(gè)軸尺寸相近或等效的程度[11],其計(jì)算式為:

        圖1 骨料三維尺寸Fig.1 Three-dimensional sizes of aggregate

        對(duì)骨料S 和L,成型透水混凝土前每組取樣256顆,先將骨料的最大二維投影面進(jìn)行拍照;然后將骨料翻轉(zhuǎn)90°進(jìn)行拍照,再采用Image Pro-Plus(IPP)軟件調(diào)整閥值分離出圖像中的骨料,提取骨料顆粒尺寸量化參數(shù),最后由式(7)計(jì)算其球形度,結(jié)果取平均值.

        1.4.2 透水混凝土性能測(cè)試

        根據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》,測(cè)試水泥凈漿的抗壓強(qiáng)度(透水混凝土基體的強(qiáng)度).根據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,測(cè)試150 mm×150 mm×150 mm 透水混凝土試件的強(qiáng)度.用恒定水位差的方式[9]測(cè)試透水混凝土的透水系數(shù).具體測(cè)試過(guò)程參照文獻(xiàn)[8].根據(jù)ASTM C1754/C1754M-12《Standard test method for density and void content of hardened pervious concrete》測(cè)試并計(jì)算透水混凝土有效孔隙率PE:

        式中:m1為試件在水中的質(zhì)量;m2為試件絕對(duì)干燥后的質(zhì)量;ρw為水的密度;V0為試件的外觀體積.

        1.4.3 透水混凝土骨架結(jié)構(gòu)的表征

        將透水混凝土切成厚(20±2)mm 的薄片,并將其上表面磨平拋光,使用高分辨率攝像機(jī)拍照,接著通過(guò)IPP 統(tǒng)計(jì)二維視域內(nèi)(100 mm×100 mm)接觸點(diǎn)數(shù)目、接觸區(qū)寬度以及骨料間漿體厚度[7].基于圖像處理的透水混凝土骨架結(jié)構(gòu)表征過(guò)程見(jiàn)圖2.用每組不少于5 個(gè)切片統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的平均值來(lái)表征透水混凝土的骨架結(jié)構(gòu),以保證統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和代表性.

        圖2 基于圖像處理的透水混凝土骨架結(jié)構(gòu)表征過(guò)程Fig.2 Skeleton structure characterization of pervious concretes based on image processing

        2 透水混凝土的性能與骨架結(jié)構(gòu)

        2.1 透水混凝土的抗壓強(qiáng)度與透水性能

        透水混凝土抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的目標(biāo)值與實(shí)測(cè)值見(jiàn)圖3.由圖3 可見(jiàn):S、L 系列透水混凝土7 d 抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值均低于目標(biāo)值,而透水系數(shù)實(shí)際測(cè)量值均高于目標(biāo)值;實(shí)測(cè)值和目標(biāo)值存在較大偏差,L系列透水混凝土的強(qiáng)度偏差高達(dá)42.0%~48.0%,透水系數(shù)偏差為10.0%~24.0%.由此可見(jiàn),傳統(tǒng)的配合比設(shè)計(jì)方法難以適用于實(shí)際工程中粒形較差的骨料,無(wú)法按照目標(biāo)性能靶向設(shè)計(jì)透水混凝土配合比.

        圖3 透水混凝土抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的目標(biāo)值與實(shí)測(cè)值Fig.3 Target and measured compressive strength and permeability coefficient of pervious concretes

        2.2 透水混凝土的骨架結(jié)構(gòu)

        透水混凝土骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)測(cè)值與目標(biāo)值見(jiàn)圖4.由圖4可見(jiàn):S、L系列透水混凝土實(shí)測(cè)接觸點(diǎn)數(shù)目N波動(dòng)不大,且均略高于其目標(biāo)值,其原因?yàn)樾×焦橇舷鄬?duì)含量較大導(dǎo)致其接觸點(diǎn)數(shù)目偏大;隨漿體包裹層厚度dTPT的增加,透水混凝土的實(shí)測(cè)接觸區(qū)寬度W逐漸增大,但均小于目標(biāo)值;與S 系列透水混凝土相比,L 系列透水混凝土的接觸區(qū)寬度較大,這歸因于大粒徑骨料曲率較小、具有較大的接觸面[5];隨著dTPT的增大,透水混凝土的骨料間漿體厚度dT逐漸增大,但其實(shí)測(cè)值均小于目標(biāo)值,S、L 系列透水混凝土dT的實(shí)測(cè)值分別約為其目標(biāo)值的60%、70%.

        圖4 透水混凝土骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)測(cè)值與目標(biāo)值Fig.4 Target and measured skeleton structure parameters of pervious concretes

        3 基于骨料球形度的骨架結(jié)構(gòu)修正

        3.1 骨料粒徑對(duì)骨架結(jié)構(gòu)的影響

        透水混凝土中接觸點(diǎn)數(shù)目主要取決于骨料粒徑,影響著透水混凝土內(nèi)部的應(yīng)力分布[12],也對(duì)其透水性能產(chǎn)生影響.單級(jí)配骨料堆積狀態(tài)與等徑球堆積(理論狀態(tài))相似,用其制備的透水混凝土接觸點(diǎn)數(shù)目波動(dòng)范圍很?。ㄒ?jiàn)圖5(a)).相比之下,實(shí)際工程中骨料粒徑范圍略寬(如本文的5~10、10~20 mm 寬級(jí)配骨料),且存在較多針片狀顆粒(見(jiàn)圖5(b)),導(dǎo)致骨料堆積狀態(tài)嚴(yán)重偏離等徑球堆積,使透水混凝土接觸點(diǎn)數(shù)目增多,實(shí)測(cè)值高于理想條件下透水混凝土的目標(biāo)值.

        圖5 透水混凝土二維視域內(nèi)接觸點(diǎn)數(shù)目示意圖Fig.5 Schematic diagram of number of contact zones in two-dimensional cross section of pervious concretes(size:mm)

        骨料粒徑較小時(shí),其曲面彎曲程度較大,即平均曲率較大,骨料間的接觸面較小.小粒徑骨料彎曲程度大,其漿體接觸區(qū)寬度較小,而大粒徑骨料曲面彎曲程度較小,其漿體接觸區(qū)寬度較大(見(jiàn)圖6).此外,骨料球形度也對(duì)漿體接觸區(qū)寬度具有顯著影響.所以S、L系列透水混凝土接觸區(qū)寬度實(shí)測(cè)值與目標(biāo)值存在較大偏差.

        圖6 骨料粒徑對(duì)透水混凝土接觸區(qū)寬度的影響Fig.6 Influence of aggregate size on the width of contact zones in pervious concrete

        通常來(lái)講,骨料的比表面積與其粒徑大小呈反比關(guān)系,骨料粒徑越小則比表面積越大.由于S、L 骨料粒徑范圍較寬,且小于平均粒徑的骨料占比較大,針片狀骨料含量高達(dá)5.5%,因此導(dǎo)致骨料間漿體厚度比目標(biāo)值偏小.

        3.2 骨料粒徑與球形度的關(guān)系

        根 據(jù)ASTM E11-17《Standard specification for woven wire test sieve cloth and test sieves》將S、L 骨料進(jìn)行篩分,測(cè)試并計(jì)算每個(gè)粒級(jí)骨料的球形度,并得到骨料粒徑與球形度的關(guān)系,結(jié)果見(jiàn)圖7.由圖7 可見(jiàn):S 骨料的球形度在0.60~0.73,L 骨料的球形度在0.66~0.85;骨料的球形度與粒徑基本呈線性關(guān)系,骨料粒徑越大其球形度越好.

        圖7 骨料粒徑與球形度的關(guān)系Fig.7 Relationship between aggregate size and sphericity

        3.3 修正系數(shù)

        骨料粒形較差將導(dǎo)致透水混凝土的骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)嚴(yán)重偏離其粒形理想條件下的目標(biāo)值,最終使透水混凝土強(qiáng)度和透水系數(shù)的實(shí)測(cè)值小于目標(biāo)值,無(wú)法實(shí)現(xiàn)透水混凝土配合比靶向設(shè)計(jì).因此,在實(shí)際工程中要保證透水混凝土配合比設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性,必須根據(jù)骨料粒形對(duì)骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行修正.將透水凝土骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)測(cè)值與理論值(用骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法得到)的比值定義為骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)的修正系數(shù).

        3.4 修正系數(shù)與骨料球形度的關(guān)系

        對(duì)每組透水混凝土成型前所取骨料進(jìn)行球形度統(tǒng)計(jì),并通過(guò)計(jì)算各組透水混凝土骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)的修正系數(shù),分別建立了骨料球形度與接觸點(diǎn)數(shù)目、接觸區(qū)寬度、骨料間漿體厚度修正系數(shù)r、s、t的關(guān)系,結(jié)果見(jiàn)圖8.由圖8 可見(jiàn):骨料球形度與接觸點(diǎn)數(shù)目的修正系數(shù)服從指數(shù)函數(shù)規(guī)律,骨料顆粒球形度越小,接觸點(diǎn)數(shù)目的修正系數(shù)越大;骨料球形度與接觸區(qū)寬度、骨料間漿體厚度的修正系數(shù)呈線性增大關(guān)系,骨料球形度越大,接觸區(qū)寬度與骨料間漿體厚度的修正系數(shù)越接近1.00.S 系列透水混凝土s、t分別為0.60±0.05、0.60±0.04,L 系列透水混凝土s、t分別為0.70±0.05、0.70±0.06,這說(shuō)明骨料粒形越好,制備出的透水混凝土骨架結(jié)構(gòu)越接近透水混凝土的目標(biāo)值.

        圖8 骨料球形度與透水混凝土骨架結(jié)構(gòu)修正系數(shù)的關(guān)系Fig.8 Relationship between aggregate sphericity and coefficient of skeleton structure parameters of pervious concrete

        4 修正后透水混凝土配合比設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性和適用性

        針對(duì)實(shí)際工程中所用骨料,根據(jù)1.2 計(jì)算確定了透水混凝土的骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)N、W、dT后,依據(jù)骨料球形度進(jìn)行修正,得到修正后的骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)N*、W*、,進(jìn)而通過(guò)dT*確定目標(biāo)包裹層厚度dTPT,計(jì)算漿體與骨料體積比(φP/φA).在確保漿體最大包裹層厚度dMPCT>dTPT的前提下,確定透水混凝土的配合比.

        為驗(yàn)證修正后配合比設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性和適用性,選用球形度分別為0.67、0.81的5~10、10~20 mm這2種骨料,設(shè)計(jì)7 d抗壓強(qiáng)度分別為26.0、27.0 MPa、透水系數(shù)分別為8.0、23.0 mm/s 的透水混凝土,并記為C1、C2.透水混凝土的目標(biāo)性能與修正前后骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表6.基于骨科球形度修正設(shè)計(jì)的透水混凝土配合比見(jiàn)表7.

        表6 透水混凝土的目標(biāo)性能與修正前后骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 6 Skeleton structure parameters of pervious concretes before and after modification

        表7 基于骨料球形度修正設(shè)計(jì)的透水混凝土配合比Table 7 Mix proportion of pervious concretes in consideration of aggregate sphericity

        透水混凝土抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的目標(biāo)值、預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值見(jiàn)圖9.由圖9 可見(jiàn),與未修正的配合比設(shè)計(jì)相比:修正后的透水混凝土C1、C2抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)值的偏差分別由35.6%、26.4%降低至1.9%、2.4%,且其強(qiáng)度目標(biāo)值與實(shí)測(cè)值偏差僅為為6.0%和3.8%;C1、C2 透水系數(shù)預(yù)測(cè)值的偏差分別由68.9%、53.1%降低至7.8%、2.6%,C1、C2透水系數(shù)目標(biāo)值與實(shí)測(cè)值偏差均較小,分別為5.0%、4.5%.此外,C1、C2實(shí)測(cè)有效孔隙率分別為11.35%、17.43%,而目標(biāo)孔隙率分別為10.26%、16.75%,修正后透水混凝土孔隙率實(shí)測(cè)值與目標(biāo)值偏差也較小.

        圖9 透水混凝土強(qiáng)度和透水系數(shù)的目標(biāo)值、預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值Fig.9 Target,measured and predicted properties of pervious concretes

        由此可見(jiàn),在骨料粒徑較寬、粒形較差的情況下,根據(jù)骨料球形度對(duì)骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行修正,可提高透水混凝土配合比設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性和適用性,從而有助于實(shí)現(xiàn)實(shí)際工程中透水混凝土性能的靶向設(shè)計(jì).

        5 結(jié)論

        (1)實(shí)際工程中骨料粒徑范圍寬、球形度差,采用基于骨架結(jié)構(gòu)的透水混凝土配合比設(shè)計(jì)方法,骨料粒形對(duì)透水混凝土的性能影響較大,導(dǎo)致透水混凝土實(shí)際性能與目標(biāo)設(shè)計(jì)性能存在較大偏差,強(qiáng)度偏差在40.0%以上,透水系數(shù)偏差最高達(dá)24.0%.隨著骨料球形度的增大,透水混凝土骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)偏差減小.基于此,提出了基于骨料球形度的透水混凝土骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)修正系數(shù),并建立了量化關(guān)系.

        (2)基于骨料球形度修正骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)后,透水混凝土配合比設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性和適用性得到了顯著提高(強(qiáng)度、透水系數(shù)目標(biāo)值與實(shí)測(cè)值偏差僅為3.8%和5.0%),可適用于粒形較差的寬級(jí)配骨料,為其工程應(yīng)用奠定了理論與技術(shù)支撐.

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