鄧顯石,曾 晟,黃 馨

(1.湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院 園林學(xué)院,湖南 衡陽 421005;2.南華大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 衡陽 421001)

0 引 言

改革開放四十余年來，我國城鎮(zhèn)化建設(shè)迅速推進(jìn)，2019年末城鎮(zhèn)化率已突破60%，取得了舉世矚目的成就[1]。然而，城鎮(zhèn)化建設(shè)中大規(guī)模采用混凝土、瀝青、石材等密實硬質(zhì)材料硬化地面，阻礙了城市地表與下部土壤的水分流通，在多雨季節(jié)地表部分容易在低洼處積水引起城市內(nèi)澇，在干旱季節(jié)地下土壤得不到有效的水分補(bǔ)充，可能造成地下水干枯及土壤干化的情況，產(chǎn)生“熱島效應(yīng)”[2-3]。為解決上述問題，我國學(xué)者結(jié)合國外建設(shè)經(jīng)驗，在透水路面的應(yīng)用上開展了一系列研究[4-5]。透水混凝土作為國內(nèi)目前透水路面的主要材料之一，擁有一定的承載力和良好的透水性，可有效提高城市地表與下部土壤的水分流通效率，及時補(bǔ)充地下水、預(yù)防土壤干化及緩解城市“熱島效應(yīng)”，并改善城市生態(tài)環(huán)境及點(diǎn)綴風(fēng)景，通常應(yīng)用于城市園林道路、市政人行道及廣場等路面透水面層[6-8]。隨著海綿城市建設(shè)理念的不斷推廣，透水混凝土的需求日益旺盛[9-10]。碎石作為透水混凝土的主要原材料之一供不應(yīng)求，為節(jié)約資源，礦渣、廢玻璃等原材料豐富的固體廢棄物被作為骨料制備透水混凝土[11-13]。學(xué)者們主要研究了各類固體廢棄物的種類、摻量等因素對透水混凝土力學(xué)及透水性能的影響[14-15]。相較于其他替代骨料的固體廢棄物，陶粒外表堅硬，內(nèi)部多孔，具有輕質(zhì)高強(qiáng)和較好的保溫隔熱性能等優(yōu)點(diǎn)，將其作為骨料替代部分碎石制備的透水混凝土透水性好、重量輕、抗凍性能好，能廣泛應(yīng)用于各類透水路面。陶粒根據(jù)原料、密度、外形等不同分為很多種類，廢陶粒作為其中一種，在大量的陶瓷生產(chǎn)、施工、工程改造等過程中大量形成，若將其作為固體垃圾處理很難再分解，影響生態(tài)環(huán)境,且其原材料豐富、獲取容易[16-17]?；趶U棄陶粒上述特點(diǎn)，研究其替代部分碎石作為透水混凝土骨料的應(yīng)用對工程材料的節(jié)能環(huán)保具有重要意義。

1 試 驗

1.1 原材料

本試驗采用P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥為透水混凝土膠結(jié)材料，其基本性能參數(shù)如表1。依據(jù)JC/T 2558—2020《透水混凝土》標(biāo)準(zhǔn)，試驗骨料采用粒徑范圍為5～15 mm的碎石和廢棄陶粒，其基本性能參數(shù)如表2，選用聚羧酸型減水劑，減水率26%。水選用自來水。

表1 水泥物理性能指標(biāo)Table 1 Physical property indexes of cement

表2 骨料物理性能指標(biāo)Table 2 Physical property index of aggregate

1.2 正交試驗方案

為獲取綜合性能較好的透水混凝土試件，本文選用水灰比為0.26～0.32，設(shè)置梯度為0.2，減水劑摻量為1%[18]。設(shè)計L16(43)正交試驗，研究陶粒的摻量、顆粒級配及水灰比對透水混凝土性能的影響，L16(43)的因素水平設(shè)計如表3，正交方案設(shè)計如表4。

表3 正交因素水平設(shè)計表Table 3 Horizontal design of orthogonal factors

表4 正交試驗設(shè)計與材料配比表Table 4 Orthogonal experimental design and material ratio

為材料充分融合，試驗首先將陶粒和碎石與50%的水泥均勻攪拌60 s，然后加入50%的水?dāng)嚢?0 s，最后再加入剩余的水泥與水及減水劑攪拌120 s，制作邊長為150 mm的立方體透水混凝土試件。

1.3 試驗測試

1.3.1 孔隙率測試

試驗設(shè)計透水混凝土目標(biāo)孔隙率為20%。試件養(yǎng)護(hù)完成后，將其烘干至恒重，再將試件置于常溫下冷卻后完全浸沒于水中，待水中無氣泡出現(xiàn)時，測量試件浮于水中質(zhì)量m1，最后將試件取出自然風(fēng)干至面干狀態(tài)測量其質(zhì)量m2，試件孔隙率ρ如式(1)。

(1)

式中ρw為水的密度，kg/m3；V0為試件的體積，m3。

1.3.2 抗壓強(qiáng)度測試

試件脫模后，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，依據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)測試透水混凝土試件的抗壓強(qiáng)度，其抗壓強(qiáng)度fc如式(2)。

(2)

式中F為試件極限荷載，N；A為受壓面面積，mm2。

1.3.3 透水系數(shù)測試

本試驗透水系數(shù)基于常水頭法原理測試，通過自制簡易透水系數(shù)測試設(shè)備如圖1，試驗過程中用密封材料將透水混凝土試件四個側(cè)面密封，確保水只從上下表面滲透。透水系數(shù)k如式(3)。

圖1 簡易透水系數(shù)測試裝置Fig.1 Simple permeability coefficient test device

(3)

式中：Q為在t時間內(nèi)滲透試件的水量，mm3；L為試件在透水方向尺寸，mm；A為試件透水面的面積，mm2；h為水頭差，mm；t為時間，s。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 正交試驗結(jié)果及極差分析

正交試驗結(jié)果如表5，對正交結(jié)果進(jìn)行極差分析結(jié)果如表6。

表5 正交試驗結(jié)果表Table 5 Results of orthogonal test

2.2 實測孔隙率分析

依據(jù)表6繪制試件實測孔隙率ρ極差分析如圖2。

表6 正交試驗極差分析結(jié)果表Table 6 Range analysis results of orthogonal test

圖2 孔隙率ρ極差分析圖Fig.2 Porosity ρ range analysis diagram

綜合分析可知考慮孔隙率的最優(yōu)因素水平組合為A2-B3-C4和A2-B4-C4，對摻入陶粒的透水混凝土試件實測孔隙率的影響程度為水灰比>陶粒摻量>摻入陶粒顆粒級配，隨著水灰比的增加試件實測孔隙率逐漸增大，陶粒的摻量與透水混凝土試件實測孔隙率變化呈非線性變化，陶粒摻量在20%左右時，試件可獲得較大孔隙率。隨著摻入粒徑(10～15) mm的陶粒占比的增加，試件實測孔隙率緩慢增加，由于實測孔隙率為有效孔隙率，在合理范圍內(nèi)摻入粒徑較大的骨料能獲得較大的有效孔隙率[19]。

2.3 試件28天抗壓強(qiáng)度分析

依據(jù)表6繪制試件實測抗壓強(qiáng)度fc極差分析如圖3。

圖3 抗壓強(qiáng)度fc極差分析圖Fig.3 Analysis diagram of compressive strength fc range

綜合分析可知考慮抗壓強(qiáng)度的最優(yōu)因素水平組合為A3-B1-C1，對廢陶瓷粒透水混凝土試件28天抗壓強(qiáng)度的影響程度為水灰比>陶粒摻量>摻入陶粒顆粒級配，隨著水灰比的增大試件28天抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢，且其抗壓強(qiáng)度隨孔隙率的提高逐漸下降，因為材料孔隙率越高，其密實度越小，抗壓強(qiáng)度越小。陶粒的摻量與透水混凝土試件28天抗壓強(qiáng)度呈非線性變化，陶粒摻量在30%左右時，試件可獲得較大抗壓強(qiáng)度。隨著摻入陶粒粒徑(10～15) mm占比的增加，試件28天抗壓強(qiáng)度逐漸降低，因為骨料粒徑越大，骨料比表面積越小，透水混凝土在制備時攪拌過程中，水泥漿與骨料接觸面積變小，骨料和水泥漿的接觸面膠結(jié)力變小，降低試件強(qiáng)度[20]。

2.4 試件透水系數(shù)分析

依據(jù)表6繪制試件實測透水系數(shù)k的極差分析如圖4。

圖4 透水系數(shù)k極差分析圖Fig.4 Analysis diagram of K range of permeability coefficient

綜合分析可知考慮抗壓強(qiáng)度的最優(yōu)因素水平組合為A2-B4-C4，對摻入陶粒的透水混凝土試件透水系數(shù)的影響程度為水灰比>陶粒摻量>摻入陶粒顆粒級配，試件透水系數(shù)隨著水灰比的增大逐漸增大。陶粒的摻量與透水混凝土試件透水系數(shù)呈非線性變化，陶粒摻量在20%左右時，試件可獲得較大透水性能。隨著摻入粒徑(10～15) mm的陶粒占比的增加，試件透水系數(shù)逐漸增大，試件透水系數(shù)與實測孔隙率呈正相關(guān)，并與其實測28天齡期下的抗壓強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，因為，一般材料越致密，孔隙率就越小，抗壓強(qiáng)度越大，透水性能越差[21]。

2.5 最優(yōu)組合分析

上述闡述了各因素對透水混凝土孔隙率、抗壓強(qiáng)度及透水性能的影響情況，并分別基于各單因素得到透水混凝土的最優(yōu)組合，得到了4組不同的最優(yōu)組合，為了更直觀地分析各組正交試驗綜合效果情況，選取試件28天抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)作為性能指標(biāo)，基于總功效系數(shù)法結(jié)合極差分析對試件的主要性能進(jìn)行綜合分析，得出綜合效果最好的最優(yōu)組合。試驗所測各組性能指標(biāo)歸一化計算按式(4)計算[23]。

(4)

式中xji為j組試驗指標(biāo)i的的歸一化數(shù)值，Mji為第j組指標(biāo)i的數(shù)值，Mmax為指標(biāo)i的最大測量值，n項性能指標(biāo)的總功能系數(shù)Xj計算如式(5)。

(5)

通過式(4)和式(5)得出各透水混凝土試件各組正交試驗28天抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的總功效系數(shù)分析表如表7。

表7 總功效系數(shù)分析表Table 7 Analysis of total efficacy coefficient

通過分析綜合功效系數(shù)表7可知，組號#14的總功效系數(shù)最高為0.854，此時陶粒摻量為40%，摻入陶粒粒徑質(zhì)量配比為m(5～10 mm)∶m(10～15 mm)=4∶6，水灰比為0.3。綜合上述正交試驗結(jié)果及極差分析，綜合考慮透水混凝土既要獲得較好的透水性能，又要獲得較高的抗壓強(qiáng)度，最優(yōu)組合為：陶粒摻量為40%，摻入陶粒粒徑質(zhì)量配比為m(5～10 mm)∶m(10～15 mm)=6∶4，水灰比為0.3，此時配置透水混凝土試件抗壓強(qiáng)度為25.2 MPa，透水系數(shù)為3.9 mm/s。

3 結(jié) 論

1)透水混凝土抗壓強(qiáng)度與水灰比及摻入陶粒大粒徑質(zhì)量占比量呈負(fù)相關(guān)，水灰比是透水混凝土28天抗壓強(qiáng)度的最大影響因素，其次是陶粒摻量，摻入陶粒顆粒級配影響最小。透水混凝土抗壓強(qiáng)度與孔隙率、透水系數(shù)呈負(fù)相關(guān)。

2)透水混凝土透水系數(shù)與水灰比及摻入陶粒大粒徑質(zhì)量占比量呈正相關(guān)，水灰比對透水混凝土透水系數(shù)影響程度最大，陶粒摻量次之，摻入陶粒顆粒級配最小。透水混凝土透水系數(shù)與孔隙率呈正相關(guān)。

3)摻入陶粒的透水混凝土最優(yōu)組合建議為：陶粒摻量為40%，摻入陶粒粒徑質(zhì)量配比為m(5～10 mm)∶m(10～15 mm)=6∶4，水灰比為0.3，此時所得透水混凝土具備較好的使用性能。

4)通過正交試驗說明了廢棄陶粒可以作為骨料制備性能較好的透水混凝土，不但為透水混凝土的原材料提供了新的取材途徑，還為廢棄陶瓷制品的回收利用提供了新的方法。但考慮到廢棄陶瓷種類諸多，性質(zhì)各異，在今后的應(yīng)用研究中有待進(jìn)一步拓展。