李 峰,劉 翀,吳 濤,李政偉,石家旗,魯潔新

(1.遼源市市政設(shè)施管理中心,遼源 136200;2.遼源市公用事業(yè)服務(wù)中心,遼源 136200)

透水混凝土路面的應(yīng)用有效緩解了城市內(nèi)澇,降低了城市熱島效應(yīng),對(duì)周圍環(huán)境的保護(hù)作用十分明顯[1,2]。透水混凝土作為一種環(huán)境友好型綠色建筑材料,因其具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益使其廣受青睞。透水混凝土通常由粗骨料、水泥、水、外加劑和摻合料按一定比例制備而成,因其不含細(xì)骨料或含有很少細(xì)骨料,故結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在大量孔隙,這些孔隙結(jié)構(gòu)使其具有了透水性能,但同時(shí)也導(dǎo)致其力學(xué)性能相對(duì)較差。隨著全球氣候的變化,強(qiáng)降雨天氣以及長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)降雨天氣逐漸增加,對(duì)于透水混凝土的透水性能要求也隨之提高。

針對(duì)透水混凝土的強(qiáng)度和透水性能,眾多學(xué)者開展了多方面的研究。研究表明水灰比一般存在最佳值,即水灰比過(guò)大或過(guò)小對(duì)強(qiáng)度和透水性能都有不利影響[3-5];在透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)中,通常采用體積法計(jì)算各原材料用量,目標(biāo)孔隙率是體積法設(shè)計(jì)配合比中的主要設(shè)計(jì)指標(biāo),對(duì)各原材料用量和透水混凝土性能有著直接影響[6,7];透水混凝土的骨料通常采用單一級(jí)配或間斷級(jí)配,對(duì)于單一級(jí)配而言,隨著骨料粒徑的增大,抗壓強(qiáng)度通常是逐漸下降,而透水性能則逐漸提高[8,9],因此選取合適的骨料級(jí)配十分重要;有研究表明,在混凝土中摻加適量纖維材料,能夠有效提高混凝土的力學(xué)性能和抗裂韌性[10-12]。如何設(shè)計(jì)透水混凝土的配合比,使其具有更好的性能十分重要。鑒于此,選擇正交試驗(yàn)方法,研究水灰比、目標(biāo)孔隙率、骨料級(jí)配和玄武巖纖維對(duì)其抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的影響,并通過(guò)綜合分析得到優(yōu)化配合比,以期為透水混凝土的配合比設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥采用PO42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥;天然骨料為沈陽(yáng)地區(qū)石灰?guī)r碎石,其物理性能指標(biāo)如表1所示;纖維采用6 mm、12 mm、18 mm和24 mm四種長(zhǎng)度的玄武巖纖維(BF),其物理性能指標(biāo)如表2所示;減水劑為聚羧酸高性能減水劑;外加劑為某公司生產(chǎn)的SR生態(tài)砼增強(qiáng)劑,外觀為灰色粉末狀,所含有的成分特性使其能夠提高透水混凝土的和易性和黏稠度,同時(shí)在一定程度上能夠提高透水混凝土的力學(xué)性能和抗凍性。

表1 碎石物理性能指標(biāo)

表2 玄武巖纖維物理性能指標(biāo)

1.2 正交試驗(yàn)方案

參照《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》[13]中配合比設(shè)計(jì)方法,并結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,進(jìn)行透水混凝土配合比計(jì)算。試驗(yàn)以水灰比、目標(biāo)孔隙率、骨料級(jí)配、玄武巖纖維長(zhǎng)度和摻量為試驗(yàn)因素,每個(gè)因素均設(shè)置四個(gè)水平,采用五因素四水平的正交試驗(yàn)方案進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),試驗(yàn)因素與水平見表3。其中骨料級(jí)配為4.75～9.5 mm粒徑碎石與9.5～16 mm粒徑碎石混合組成,二者以不同比例混合,分別為1∶4、1∶5、1∶6和1∶7(前者為4.75～9.5 mm粒徑碎石,后者為9.5～16 mm粒徑碎石)。

表3 試驗(yàn)因素與水平

1.3 試件制備及性能測(cè)試

按照表4透水混凝土配合比準(zhǔn)備原材料,采用水泥裹石法制備試件,成型方法為插搗成型,具體操作步驟按照J(rèn)C/T 2558—2020《透水混凝土》[14]標(biāo)準(zhǔn)中試件制作規(guī)定執(zhí)行,試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm、100 mm×100 mm×400 mm和φ100 mm×100 mm三種規(guī)格。試件制備完成后放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d。

抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測(cè)試方法參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]中規(guī)定試驗(yàn);透水系數(shù)試驗(yàn)步驟參照J(rèn)C/T 2558—2020《透水混凝土》[14]中附錄A進(jìn)行測(cè)試。依據(jù)體積法計(jì)算出各原材料用量,其中減水劑摻量為1%(水泥質(zhì)量占比),增強(qiáng)劑摻量為2.5%(水泥質(zhì)量占比),透水混凝土各原材料用量和試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 透水混凝土各原材料用量與試驗(yàn)結(jié)果

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能分析

抗壓強(qiáng)度通常用作衡量透水混凝土力學(xué)性能的基本指標(biāo),抗壓強(qiáng)度的大小對(duì)工程質(zhì)量和使用壽命有著關(guān)鍵影響。由表5可知,透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響因素主次順序?yàn)?目標(biāo)孔隙率、水灰比、骨料級(jí)配、玄武巖纖維摻量、玄武巖纖維長(zhǎng)度。

表5 抗壓強(qiáng)度極差分析 /MPa

由圖1可以看出,隨著水灰比的增大,抗壓強(qiáng)度先增大后減小,水灰比為0.31時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。當(dāng)水灰比過(guò)小時(shí),水泥顆粒不能充分水化,水泥漿體流動(dòng)性較差不能均勻充分地包裹粗骨料,導(dǎo)致粗骨料之間的粘結(jié)力降低,同時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生更多孔隙;在水灰比為0.31時(shí),水泥漿體完全水化,拌合物流動(dòng)性較好且能夠充分包裹粗骨料,增強(qiáng)了骨料之間的粘結(jié),進(jìn)而提高了抗壓強(qiáng)度;當(dāng)水灰比過(guò)大時(shí),水泥漿體流動(dòng)性過(guò)大,致使部分漿體無(wú)法包裹粗骨料,在制備試件過(guò)程中漿體向下流動(dòng),在試件底部形成一定堵塞,這種不均勻分布的漿體包裹現(xiàn)象,使得骨料之間的粘結(jié)力各不相同,從而導(dǎo)致透水混凝土的抗壓強(qiáng)度下降。

隨著目標(biāo)孔隙率的增大,抗壓強(qiáng)度逐漸減小,由極差值大小可知目標(biāo)孔隙率對(duì)抗壓強(qiáng)度影響最大,當(dāng)目標(biāo)孔隙率由10%增加到25%,抗壓強(qiáng)度降低了44.7%。在同一水灰比條件下,隨著目標(biāo)孔隙率的增大,水泥用量逐漸減少,水泥漿體無(wú)法完全包裹粗骨料,同時(shí)透水混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生更多孔隙,骨料之間的接觸面積也相應(yīng)減少,因此導(dǎo)致骨料之間的粘結(jié)力下降,進(jìn)而使抗壓強(qiáng)度降低。

隨著骨料級(jí)配中9.5～16 mm粒徑骨料的增多,抗壓強(qiáng)度先增大后減小,當(dāng)骨料級(jí)配為1∶6時(shí)抗壓強(qiáng)度最大。當(dāng)骨料級(jí)配為1∶4、1∶5時(shí),4.75～9.5 mm粒徑骨料較多,可能存在局部小粒徑骨料聚集現(xiàn)象,即單一級(jí)配骨料相互支撐,導(dǎo)致局部強(qiáng)度低于混合級(jí)配部位,從而引起整體強(qiáng)度下降;當(dāng)骨料級(jí)配為1∶6時(shí),兩種粒徑骨料比例合適,小粒徑骨料分布均勻,與大粒徑骨料構(gòu)成的骨架結(jié)構(gòu)更緊密,增強(qiáng)了透水混凝土的骨架強(qiáng)度,因此表現(xiàn)出最大強(qiáng)度;當(dāng)骨料級(jí)配為1∶7時(shí),4.75～9.5 mm粒徑骨料過(guò)少,骨架結(jié)構(gòu)存在部分9.5～16 mm粒徑骨料相互支撐現(xiàn)象,與骨料級(jí)配為1∶5時(shí)強(qiáng)度下降同理,單一級(jí)配構(gòu)成部分強(qiáng)度相對(duì)較低,進(jìn)而導(dǎo)致透水混凝土整體強(qiáng)度下降。

抗壓強(qiáng)度隨著玄武巖纖維長(zhǎng)度的增加而增加。這是因?yàn)槔w維能夠填充結(jié)構(gòu)的孔隙,進(jìn)而增加結(jié)構(gòu)的密實(shí)性,試件在發(fā)生破壞時(shí)纖維能夠承擔(dān)一定的拉應(yīng)力,起到抑制破壞的作用;當(dāng)纖維長(zhǎng)度較短時(shí),纖維無(wú)法與骨料形成有效的搭接,而隨著纖維長(zhǎng)度的增加,在水泥漿體的包裹下纖維與骨料之間相互搭接,形成傳力纖維空間網(wǎng)格,這些相互搭接的纖維增強(qiáng)了基體的粘結(jié)力,進(jìn)而提高了強(qiáng)度。當(dāng)纖維長(zhǎng)度由18 mm增加到24 mm時(shí),抗壓強(qiáng)度僅提高了1.3%,這說(shuō)明當(dāng)纖維長(zhǎng)度達(dá)到一定程度時(shí),再增加其長(zhǎng)度對(duì)強(qiáng)度的提升已十分有限,試件的骨料粒徑范圍在4.75～16 mm之間,當(dāng)玄武巖纖維長(zhǎng)度為18 mm時(shí)已經(jīng)可以在最大長(zhǎng)度范圍內(nèi)的骨料之間形成搭接,故再增加纖維長(zhǎng)度已無(wú)法明顯提升強(qiáng)度。

隨著玄武巖纖維摻量的增加,抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì),當(dāng)摻量為0.1%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。當(dāng)纖維摻量過(guò)低時(shí),形成的有效搭接相對(duì)較少,隨著纖維摻量的增加,過(guò)量的纖維無(wú)法均勻分布在結(jié)構(gòu)之中,因此出現(xiàn)纖維積聚成團(tuán)現(xiàn)象,在纖維聚集處水泥漿體也會(huì)隨之增多,這就導(dǎo)致水泥漿體分布不均,無(wú)法更好的包裹骨料,使得透水混凝土基體的粘結(jié)力降低,從而降低了強(qiáng)度。只有摻入適量的纖維才能有效增強(qiáng)基體的粘結(jié)力,延緩試件破壞時(shí)的應(yīng)力集中,進(jìn)而提高抗壓強(qiáng)度。

2.2 透水性能分析

透水系數(shù)是衡量透水混凝土透水性能的基本指標(biāo),其大小直接反映透水混凝土透水性能的大小。在有關(guān)透水混凝土工程設(shè)計(jì)中,為適應(yīng)不同場(chǎng)合的需求,確定滿足要求的透水系數(shù)是工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。

表6 透水系數(shù)極差分析 /(mm·s-1)

由表6中R值大小可知,透水混凝土透水系數(shù)的影響因素主次順序?yàn)?目標(biāo)孔隙率、水灰比、骨料級(jí)配、玄武巖纖維摻量、玄武巖纖維長(zhǎng)度。透水混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部貫通的孔隙具有透水功能,水可經(jīng)由這些相互連通的孔隙向下流動(dòng)。由圖2可以看出,隨著水灰比的增大,透水系數(shù)逐漸減小。透水混凝土的孔隙由水泥漿體包裹骨料相互擠壓形成的,隨著水灰比的增大,水泥漿體含量逐漸增多,水泥漿體的增多會(huì)填充原本的孔隙結(jié)構(gòu),導(dǎo)致孔隙面積減少,進(jìn)而降低了透水性能。當(dāng)水灰比過(guò)大時(shí),富余的水泥漿體在成型過(guò)程中下沉堆積,造成試件底部孔隙堵塞,由此導(dǎo)致透水系數(shù)下降。

隨著目標(biāo)孔隙率的增大,透水系數(shù)逐漸增大,且目標(biāo)孔隙率水平的變化對(duì)有效孔隙率影響十分顯著。結(jié)合其變化趨勢(shì)易知,目標(biāo)孔隙率與透水系數(shù)二者之間存在良好的線性相關(guān)關(guān)系。在透水混凝土配合比設(shè)計(jì)中,隨著目標(biāo)孔隙率的增大,由體積法計(jì)算得到的水泥用量逐漸減少,水泥漿體減少導(dǎo)致無(wú)法充分包裹骨料,由水泥漿體、骨料和纖維組成的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了更多的孔隙,提高了試件的透水性能。

隨著骨料級(jí)配中9.5～16 mm粒徑骨料的增多,透水系數(shù)逐漸增大。大粒徑骨料占比的增加,致使骨料之間的接觸點(diǎn)減少,進(jìn)而增大了骨料之間的孔隙,但因?yàn)樵囼?yàn)所選取的骨料級(jí)配比例整體變化不大,故而透水系數(shù)的增加幅度并不明顯,在骨料級(jí)配由1∶4變?yōu)?∶7時(shí),透水系數(shù)提高了13.5%。

玄武巖纖維長(zhǎng)度的增加對(duì)透水系數(shù)有積極影響,而纖維摻量的增加對(duì)透水系數(shù)則是不利影響。纖維的摻入會(huì)填充部分孔隙,導(dǎo)致透水系數(shù)下降,隨著纖維摻量的增加,堵塞孔隙的程度會(huì)更加嚴(yán)重;當(dāng)纖維長(zhǎng)度增加時(shí),較長(zhǎng)的纖維與骨料在水泥漿體的包裹下相互搭接,形成了更多的連通孔隙,同時(shí)纖維的存在可能使原本封閉的孔隙互相連通,因此表現(xiàn)出較長(zhǎng)纖維增加了透水系數(shù),但纖維長(zhǎng)度的增加對(duì)孔隙率的提高較小,這是由于當(dāng)纖維長(zhǎng)度為12 mm時(shí),已基本能夠與骨料之間形成有效搭接,故在纖維長(zhǎng)度增加時(shí),有效搭接的數(shù)量提升有限,因此纖維長(zhǎng)度的增加對(duì)透水系數(shù)的影響較小。

2.3 綜合分析

試驗(yàn)以抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)作為評(píng)價(jià)透水混凝土性能的主要指標(biāo),進(jìn)行玄武巖纖維透水混凝土正交試驗(yàn)的綜合分析。透水混凝土在實(shí)際工程應(yīng)用中,應(yīng)滿足一定的強(qiáng)度要求,同時(shí)保證其具有足夠的透水性能。因此綜合分析中考慮抗壓強(qiáng)度滿足一般路用設(shè)計(jì)要求以20 MPa為基準(zhǔn),透水系數(shù)則取1 mm/s為基準(zhǔn)。綜合分析曲線如圖3所示。

結(jié)合當(dāng)前極端降雨天氣頻發(fā),以及透水混凝土路用最低要求抗壓強(qiáng)度大于20 MPa的前提下,選取透水系數(shù)最大值的因素水平。由圖3可以看出,隨著水灰比的增大抗壓強(qiáng)度先增大后減小,而透水系數(shù)則逐漸減小,當(dāng)水灰比為0.27時(shí),滿足抗壓強(qiáng)度要求,且透水系數(shù)最大;抗壓強(qiáng)度隨著目標(biāo)孔隙率的增大逐漸增大,而透水系數(shù)則是逐漸減小,二者呈現(xiàn)出明顯的相反趨勢(shì),考慮抗壓強(qiáng)度滿足基準(zhǔn)時(shí)可使透水系數(shù)達(dá)到相對(duì)最大,此時(shí)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)孔隙率在20%～22%,可取整為21%;隨著骨料級(jí)配的增加抗壓強(qiáng)度先增大后減小,透水系數(shù)則逐漸增大,使透水系數(shù)達(dá)到最大時(shí)骨料級(jí)配為1∶7;隨著玄武巖纖維長(zhǎng)度的增加,抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)均逐漸增大,因此取玄武巖纖維長(zhǎng)度為24 mm;抗壓強(qiáng)度是隨著玄武巖纖維摻量的增加先增大后減小的,而透水系數(shù)則是逐漸減小,在纖維摻量為0.05%時(shí)透水系數(shù)達(dá)到最大。根據(jù)綜合分析得到的各因素水平,計(jì)算透水混凝土的配合比,結(jié)果如表7所示。

表7 透水混凝土配合比

根據(jù)優(yōu)化后的透水混凝土配合比制備試件,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后測(cè)試得到其抗壓強(qiáng)度為21.06 MPa,透水系數(shù)為7.12 mm/s。相比原正交試驗(yàn)組中,抗壓強(qiáng)度在20～25 MPa范圍時(shí),透水系數(shù)最大為6.16 mm/s,此時(shí)抗壓強(qiáng)度為22.07 MPa,由此可見優(yōu)化后的透水混凝土,其透水系數(shù)明顯提高,抗壓強(qiáng)度仍滿足要求。

3 結(jié) 論

a.目標(biāo)孔隙率和水灰比是影響抗壓強(qiáng)度的主要因素,骨料級(jí)配和玄武巖纖維的改變對(duì)強(qiáng)度的影響作用有限。水灰比、骨料級(jí)配和玄武巖纖維摻量均存在最佳值,正交試驗(yàn)中抗壓強(qiáng)度最大為40.36 MPa,但此時(shí)透水系數(shù)僅為0.49 mm/s。

b.目標(biāo)孔隙率和水灰比是影響透水系數(shù)最主要的因素,當(dāng)目標(biāo)孔隙率由10%增加至25%時(shí),透水系數(shù)提高了481%,可見目標(biāo)孔隙率對(duì)透水系數(shù)影響十分顯著。骨料級(jí)配的增大可以提高透水系數(shù),而玄武巖纖維的摻入則會(huì)造成透水系數(shù)下降,在摻入纖維的前提下,增加纖維的長(zhǎng)度可以提高透水系數(shù)。

c.通過(guò)正交試驗(yàn)的綜合分析,在滿足抗壓強(qiáng)度大于20 MPa的前提下,選取透水系數(shù)最大的因素水平,得到了水灰比為0.27,目標(biāo)孔隙率為21%,骨料級(jí)配為1∶7,玄武巖纖維長(zhǎng)度為24 mm、摻量為0.05%的優(yōu)化配合比。根據(jù)優(yōu)化后配合比制備得到的透水混凝土,能更好地適用當(dāng)前的應(yīng)用需求。