李亞東，崔自治，李月恒，宋 鑫

（寧夏大學 土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021）

LID（低影響開發(fā)）是20世紀90年代末發(fā)展起來的暴雨管理和面源污染處理技術(shù)，目前LID設(shè)施面層鋪裝多采用整體鋪裝和塊狀鋪裝。常見的整體鋪裝有透水瀝青混凝土、透水水泥混凝土鋪裝等，塊體鋪裝有透水磚、植草磚鋪裝等[1]。已有學者對生態(tài)停車場面層鋪裝材料開展了深入的研究。張彬鴻等[2]總結(jié)出透水瀝青混凝土、透水水泥混凝土的抗壓強度普遍在15～30 MPa，混凝土透水磚抗壓強度普遍在25～35 MPa，這種低強度的特性導致面層鋪裝材料易出現(xiàn)斷裂、耐久性差等現(xiàn)象。寧夏冬季寒冷[3]，透水水泥混凝土與混凝土透水磚由于其內(nèi)部特有的空隙結(jié)構(gòu)易被凍壞[4-5]，透水瀝青混凝土在低溫下易出現(xiàn)開裂、承載能力不足等現(xiàn)象[6-7]。此外，寧夏有著大面積的鹽漬土[8]，鹽類侵蝕對混凝土破壞的作用已有研究[9-10]，因此寧夏地區(qū)LID設(shè)施面層鋪裝材料在凍融、鹽堿作用下耐久性差、破壞嚴重。寧夏地區(qū)LID停車場的使用特點對面層鋪裝材料的耐久性和力學性能提出了更高要求。由于C60以上的混凝土具有較好的密實性和較高的耐久性，將高強混凝土作為植草磚的基體材料，使得成型后的植草磚能夠滿足強度和耐久性的要求。本試驗以水灰比、砂率、粗骨料最大粒徑等7種影響因素為分析對象，總結(jié)分析各因素對植草磚基體混凝土和易性及強度的影響，優(yōu)選出符合要求的植草磚基體混凝土配合比，為未來植草磚在LID生態(tài)停車場的應(yīng)用提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

（1）水泥：考慮混凝土高強的特點，水泥采用寧夏賽馬水泥有限公司生產(chǎn)的P.O 52.5級水泥，3 d抗折強度為6.4 MPa，28 d抗折強度為8.3 MPa；3 d抗壓強度為36.2 MPa，28 d抗壓強度為59.3 MPa；初凝時間為142 min，終凝時間為205 min，45μm篩余為3.6%，比表面積為390 m2/kg。

（2）粗骨料：選用銀川市某建材市場購買的碎石，壓碎指標為8.5%，5～31.5 mm連續(xù)級配，針片狀顆粒含量為3.2%，含泥量為0.4%。

（3）細骨料：選用銀川某建材市場購買的天然砂，細度模數(shù)為2.94，含泥量為4.7%。

（4）外加劑：選用聚羧酸高性能減水劑，生產(chǎn)廠家為陜西秦奮建材有限公司，其減水率為37%，含固量為40%。

（5）粉煤灰：粉煤灰等級為Ⅰ級，需水量比為80%，燒失量為2%，45μm篩余為8%。

1.2 試驗方案

本文以水灰比W/C、砂率Sp、單位用水量w、取代率pr、超量率cr、粗骨料最大粒徑D及外加劑摻量PA為因素，設(shè)計L18（37）正交試驗方案，因素及水平參考文獻[11]設(shè)置（表1）。以擴展度d、坍落度s及7，28，56 d混凝土抗壓強度為指標，研究各因素對其影響的規(guī)律，分析和易性及力學性能，確定最優(yōu)配合比。

表1 植草磚基體混凝土因素水平表

粉煤灰摻量由等量取代和超量取代兩部分組成，等量取代率為粉煤灰取代水泥的質(zhì)量與水泥應(yīng)使用量的比值，超量取代率為粉煤灰超量摻加值與水泥應(yīng)使用量的比值。

由于粗骨料最大粒徑不宜超過截面最大尺寸的1/4?？紤]到植草磚的尺寸，故將粗骨料最大粒徑控制到20 mm及以下。

1.3 試驗方法

試樣的成型、養(yǎng)護、流動性和強度測定均按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080—2016）及《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019）中的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土和易性分析

混凝土拌合物的坍落度s、擴展度d與各因素關(guān)系和極差分析見圖1～圖4。

由圖1～圖4可知，植草磚基體混凝土的坍落度與擴展度呈現(xiàn)大致相同的規(guī)律，兩者有著密切的相關(guān)性。除此之外，所有試驗的黏聚性、保水性良好，沒有發(fā)生分層離析現(xiàn)象和明顯的泌水現(xiàn)象。

圖1 植草磚基體混凝土坍落度與各因素關(guān)系圖

圖2 植草磚基體混凝土坍落度的極差

圖3 植草磚基體混凝土擴展度與各因素關(guān)系圖

圖4 植草磚基體混凝土擴展度極差

由圖1和圖3可以得出：混凝土拌合物的坍落度及擴展度隨著水灰比、單位用水量、取代率、超量率、粗骨料最大粒徑和外加劑摻量的增大而增大；隨著砂率的增大而減小。

由圖2和圖4可以得出：對于混凝土拌合物坍落度及擴展度，各因素的重要性按照遞減的順序依次為外加劑摻量→單位用水量→粗骨料最大粒徑→水灰比→取代率→砂率→超量率。

2.2 混凝土強度分析

混凝土7，28，56 d的抗壓強度與各因素關(guān)系和極差分析見圖5～圖8。

由圖5～圖7可知，各齡期抗壓強度隨水灰比的減小呈現(xiàn)增大趨勢；隨外加劑摻量的增大呈現(xiàn)增大趨勢；隨砂率、超量率和粗骨料最大粒徑的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；隨單位用水量和取代率的增大而減小。

圖5 植草磚基體混凝土7 d強度與各因素關(guān)系圖

圖6 植草磚基體混凝土28 d強度與各因素關(guān)系圖

圖7 植草磚基體混凝土56 d強度與各因素關(guān)系圖

植草磚基體混凝土各齡期抗壓強度隨著粗骨料最大粒徑的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是因為隨著粗骨料最大粒徑的不斷增大，大顆粒骨料內(nèi)部存在缺陷的概率越高，粗骨料與水泥砂漿的界面面積不斷增大，在混凝土持續(xù)受力過程中，比較大的缺陷邊緣會發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，混凝土易發(fā)生破壞。隨著粉煤灰超量率的增加，植草磚基體混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是由于粉煤灰超量取代細骨料，粉煤灰參與水化反應(yīng)，與細骨料砂子相比，粉煤灰顆粒更細，其比表面積更大，因此能充分發(fā)揮自身效應(yīng)。隨粉煤灰取代率不斷增加，當取代較多水泥時會導致混凝土抗壓強度的下降，故隨取代率的增加，植草磚基體混凝土抗壓強度呈現(xiàn)減小趨勢。

由圖8可知，對于植草磚基體混凝土7，28 d抗壓強度，各因素的重要性按照遞減的順序依次為水灰比→取代率→超量率→粗骨料最大粒徑→外加劑摻量→單位用水量→砂率。對于56 d抗壓強度，各因素的重要性按照遞減的順序依次為水灰比→取代率→粗骨料最大粒徑→超量率→外加劑摻量→單位用水量→砂率。各齡期的強度與各因素之間的關(guān)系呈現(xiàn)大致相同的趨勢。

圖8 植草磚基體混凝土強度極差

植草磚基體混凝土的抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期的增大而增大，其7 d抗壓強度達到28 d抗壓強度的75%左右，相較于28 d強度，其56 d抗壓強度平均增長率為12.39%，56 d抗壓強度增長率最小為7.87%，最大為23.18%。當粉煤灰的取代率和超量率均較小時，植草磚基體混凝土56 d抗壓強度增長率均低于平均增長率，粉煤灰取代率和超量率均為最大水平的試樣組，其增長率達到最大值（23.18%）?？梢钥闯觯褐膊荽u基體混凝土強度早期增長較快；粉煤灰摻量對植草磚基體混凝土后期強度影響較大，植草磚基體混凝土后期強度增長率隨著粉煤灰摻量增加而提高。

2.3 組合優(yōu)選

綜合考慮植草磚基體混凝土的抗壓強度及和易性要求，坍落度不應(yīng)小于200 mm，設(shè)計強度等級為C60，植草磚基體混凝土強度不小于強度等級的115%（69 MPa），對于最優(yōu)組合的確定，應(yīng)根據(jù)設(shè)計目標和經(jīng)濟性綜合考慮。最優(yōu)組合不僅能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計目標，而且最為經(jīng)濟。植草磚基體混凝土主要材料用量及試驗結(jié)果見表2。

由表2可知，當以28 d抗壓強度作為強度評價指標時，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計目標的組有第2組、第4組、第6組等共13組，在能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計目標的組中第2組和第12組水泥用量最少，在第2組和第12組中，第12組外加劑用量較少，考慮到經(jīng)濟性，第12組配合比為最優(yōu)組合。最優(yōu)組合為W/C=0.29，Sp=42%，w=140 kg，pr=20%，cr=5%，D=10 mm，PA=2.8%。最優(yōu)組合下混凝土坍落度為225 mm，擴展度為685mm，7 d抗壓強度為50.36 MPa，28 d抗壓強度為70.9 MPa。56 d抗壓強度為77.85 MPa。

考慮到高摻粉煤灰混凝土后期強度增長較大的特點，以56 d抗壓強度作為強度評價指標，設(shè)計強度等級C60，植草磚基體混凝土強度不小于強度等級的115%（69 MPa）。由表2可知：除第1組和第15組由于坍落度達不到設(shè)計目標之外，其余所有組均能達到設(shè)計目標；在滿足設(shè)計目標的組中，第3組和第10組水泥用量最少，在第3組和第10組中，第10組外加劑用量較少，考慮到經(jīng)濟性，第10組配合比為最優(yōu)組合，最優(yōu)組合為W/C=0.29，Sp=38%，w=145 kg，pr=25%，cr=10%，D=16 mm，PA=2.0%。最優(yōu)組合下混凝土坍落度為223 mm，擴展度為685 mm，7 d抗壓強度為48.47 MPa，28 d抗壓強度為68.54 MPa，56 d抗壓強度為75.74 MPa。

18組配合比中有10組的56 d抗壓強度超過80 MPa，以56 d抗壓強度作為強度評價指標，設(shè)計強度等級為C70，混凝土強度不小于強度等級的115%（80.5 MPa）。由表2可知，本次試驗中能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計目標的組共有9組，在能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計目標的組中第2組水泥用量最少，考慮到經(jīng)濟性，第2組配合比為最優(yōu)組合。最優(yōu)組合為W/C=0.29，Sp=40%，w=140 kg，pr=20%，cr=10%，D=10 mm，PA=2.4%。最優(yōu)組合下混凝土坍落度為227 mm，擴展度為655 mm，7 d抗壓強度為56.63 MPa，28 d抗壓強度為72.66 MPa，56 d抗壓強度為84.41 MPa。

表2 植草磚基體混凝土主要材料用量及試驗結(jié)果

3 結(jié)論

（1）植草磚基體混凝土的抗壓強度主要取決于水灰比，較低水灰比是實現(xiàn)植草磚基體混凝土強度目標的前提；外加劑摻量對植草磚基體混凝土的坍落度及擴展度影響最大，合理的外加劑摻量是保證植草磚基體混凝土和易性目標的前提。

（2）粉煤灰摻量對植草磚基體混凝土后期抗壓強度影響較大，隨著粉煤灰摻量的增大，植草磚基體混凝土后期強度增長率越高。對于高摻粉煤灰的混凝土可以考慮以56 d抗壓強度作為強度評價指標。

（3）隨著粗骨料最大粒徑增大，植草磚基體混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，粗骨料有一個最佳的粒徑區(qū)間。