裹漿厚度和水灰比對凈漿透水混凝土性能影響的試驗研究

許林濤

(臨沂市水利水電工程建設(shè)監(jiān)理中心，山東 臨沂 276300)

1 概 述

隨著我國經(jīng)濟社會的迅速發(fā)展，城市規(guī)模迅速擴張。在當(dāng)前的城市建設(shè)中，大多數(shù)地表被普通混凝土、石材等不透水材料覆蓋[1]。在這種情況下，不僅會造成地表徑流的迅速增加，引發(fā)城市內(nèi)澇，同時也阻斷了地下水的降雨入滲補給，給區(qū)域水循環(huán)造成十分不利的影響[2]。顯然，要解決上述問題，利用透水混凝土進行城市地面鋪裝是直接和有效的工程措施。透水混凝土又被稱為無沙混凝土、多孔混凝土或大孔混凝土，是由粗骨料和膠凝材料以及大量沒有被填充的孔隙構(gòu)成，具有一定的強度和良好的透水性[3]。透水混凝土的使用最早可以追溯至1852年的英國，上世紀(jì)60代開始美國、日本等西方發(fā)達國家對其進行了深入研究，并在城市地面鋪裝和水利工程建設(shè)領(lǐng)域得到十分廣泛的應(yīng)用。我國對透水混凝土的研究起步較晚，直到上世紀(jì)90年代才全面展開。由于透水混凝土的理論和制備工藝方面缺乏深入研究，特別是強度和透水性方面的矛盾至今未能得到徹底解決，因此限制了其應(yīng)用和推廣[4]。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗材料

試驗用水泥為P·O42.5普通硅酸鹽水泥，經(jīng)過對試樣的檢測，其各項物理力學(xué)性能指標(biāo)符合相關(guān)規(guī)范的要求，可以用于本次試驗研究。試驗研究使用的粗骨料是人工碎石，粒徑為5～10 mm，粗骨料為石灰?guī)r巖質(zhì)，堿性，質(zhì)地堅硬，在加熱至最高拌和溫度過程中沒有出現(xiàn)開裂和分解現(xiàn)象，同時與水泥漿之間具有良好的黏附力，堅固性好，滿足相關(guān)技術(shù)要求[5]。試驗用硅粉型號為920U的半加密硅粉，試樣的檢測結(jié)果顯示其密度、含水率、親水系數(shù)均滿足相關(guān)規(guī)范要求，可以用于本次試驗研究[6]。試驗用礦粉為高爐礦渣礦粉；試驗用膠粉為防水膠粉；試驗用減水劑為聚羧酸高效減水劑。

2.2 試驗方案

為了提高透水混凝土的強度，在降低水灰比的同時，還需要加入一定量的減水劑對漿液的稠度進行調(diào)節(jié)。本次研究中進一步摻入一定量的礦粉、硅粉和膠粉，以提升水化反應(yīng)度和黏結(jié)性能?；谘芯康哪康?，試驗中將裹漿厚度和漿液的水灰比作為試驗參數(shù)，正交試驗方案見表1。

表1 正交試驗設(shè)計表

2.3 試驗過程

按照上節(jié)設(shè)計的正交試驗方案，每種方案制作3個試件，共25組，75個試件。試件制作的模具為內(nèi)徑100 mm、高100 mm的圓柱形鋼模。試驗過程中將模具清理干凈，放在烘箱內(nèi)加熱后，在其內(nèi)側(cè)涂刷一層脫模劑，然后將按照試驗設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)利用水泥裹石法制備的透水混凝土倒入模具，并插搗密實。試件按層高50 mm分上下兩層單面擊實，再自然冷卻至常溫后脫模[7]。脫模后的試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至相應(yīng)的齡期，然后進行后續(xù)實驗。

2.4 試驗方法

研究中透水混凝土的抗壓強度在試塊28d齡期測定，測定標(biāo)準(zhǔn)按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)進行，試驗測定中對試塊受壓破壞時的最大荷載進行記錄，并將每組3個試件的均值作為本組試驗的最終結(jié)果。試件的透水系數(shù)利用上海東方試驗儀器廠生產(chǎn)的透水系數(shù)測定儀器測定，測定過程中每個試件測試兩次，將其均值作為該試件的結(jié)果，將所有3個試件結(jié)果的均值作為本組試驗的最終結(jié)果。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 抗壓強度試驗結(jié)果與分析

對抗壓強度試驗結(jié)果進行整理，結(jié)果見圖1。由試驗結(jié)果可知，在裹漿厚度保持不變的情況下，試件的抗壓強度值隨著試件水灰比的降低呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特征，但是總體而言其變化幅度并不大，且當(dāng)混凝土的水灰比為0.28時，試件的抗壓強度最大。另一方面，如果試件的水灰比不變，試件的抗壓強度值會隨著裹漿厚度的增加而明顯增大，說明裹漿厚度會對試件的抗壓強度值產(chǎn)生顯著影響。總體來看，試件的抗壓強度值在水灰比為0.28、裹漿厚度為0.40 mm的條件下取到，為43.67 MPa。究其原因，在水灰比一定的情況下，裹漿厚度越大，混凝土中的水泥漿數(shù)量越多，而透水混凝土試件中的孔隙比例減小，從而使試件的整體密實度明顯增高，因此造成抗壓強度值的明顯增大。另一方面，在裹漿厚度不變的情況下，水灰比的增加會顯著提升漿液的工作性能，提高粗骨料的連接度，因此也可以提高試件的抗壓強度。

圖1 不同裹漿厚度和水灰比條件下的試件抗壓強度值

3.2 透水系數(shù)試驗結(jié)果與分析

對透水系數(shù)測定數(shù)據(jù)進行整理，結(jié)果見圖2。由試驗結(jié)果可知，在裹漿厚度保持不變的情況下，試件的透水系數(shù)會隨著試件水灰比的降低呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特征，但是總體而言其變化幅度并不大，且當(dāng)混凝土的水灰比為0.28時，試件的抗壓強度最大。另一方面，如果試件的水灰比不變，試件的透水系數(shù)會隨著裹漿厚度的增加而明顯減小，說明裹漿厚度會對試件的透水系數(shù)產(chǎn)生顯著影響?？傮w來看，試件的透水系數(shù)的最小值在水灰比為0.28、裹漿厚度為0.40 mm的條件下取到，為0.99 mm/s。試件的透水系數(shù)的最大值在水灰比為0.24、裹漿厚度為0.20 mm的條件下取到，為1.50 mm/s。究其原因，在水灰比一定的情況下，裹漿厚度越大，混凝土中的水泥漿數(shù)量越多，而透水混凝土試件中的孔隙比例減小，從而使試件的整體密實度明顯增高，因此造成透水系數(shù)明顯減小。另一方面，在裹漿厚度不變的情況下，水灰比的增加會顯著提升漿液的工作性能，提高粗骨料的連接度，因此也可以降低試件的透水系數(shù)。

圖2 不同裹漿厚度和水灰比條件下的試件透水系數(shù)

3.3 抗壓強度和透水系數(shù)之間的相關(guān)性分析

從上文的分析可知，制備的透水混凝土透水系數(shù)會隨著抗壓強度的增大而降低，因此本節(jié)對上述兩個參數(shù)之間的相關(guān)性進行進一步的分析。結(jié)果顯示，透水混凝土的透水系數(shù)與抗壓強度之間的相關(guān)性系數(shù)為-0.878 6，說明兩者之間存在明顯的負相關(guān)關(guān)系，說明透水混凝土強度的增長和透水系數(shù)的降低之間存在比較顯著的相關(guān)性。根據(jù)相關(guān)性分析的結(jié)果，對兩者之間的關(guān)系進行多模型擬合，結(jié)果見圖3。

圖3 抗壓強度和滲透系數(shù)之間的擬合結(jié)果

擬合得到的回歸方程為：

(1)

式中：Z1為透水系數(shù)，mm/s；Z2抗壓強度，MPa。

鑒于透水混凝土的抗壓強度和透水性之間的負相關(guān)關(guān)系，在配合比的具體設(shè)計過程中，不可忽視上述兩個參數(shù)之間的緊密聯(lián)系，也就是利用透水性和抗壓強度相互表征。因此，可以將其中的一個參數(shù)視為主要目標(biāo)參數(shù)進行透水混凝土配合比優(yōu)化研究，降低研究的復(fù)雜性，提高優(yōu)化試驗的效率。

4 結(jié) 論

隨著生態(tài)理念工程建設(shè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，透水混凝土必將在城鎮(zhèn)建筑和水利工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。采用正交試驗的方法，對裹漿厚度和水灰比對凈漿透水混凝土性能的影響進行試驗研究，獲得的主要結(jié)論如下：

1) 在裹漿厚度不變的情況下，試件的抗壓強度值隨著試件水灰比的降低呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特征，但是總體而言其變化幅度并不大；在水灰比不變的情況下，試件的抗壓強度值會隨著裹漿厚度的增加而明顯增大，說明裹漿厚度會對試件的抗壓強度值產(chǎn)生顯著影響。

2) 在裹漿厚度不變的情況下，試件的透水系數(shù)會隨著試件水灰比的降低呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特征，但是總體而言其變化幅度并不大；在水灰比不變的情況下，試件的透水系數(shù)會隨著裹漿厚度的增加而明顯減小，說明裹漿厚度會對試件的透水系數(shù)產(chǎn)生顯著影響。

3) 相關(guān)性分析結(jié)果顯示，透水混凝土透水系數(shù)和抗壓強度之間存在明顯的負相關(guān)關(guān)系，可以將其中的一個參數(shù)視為主要目標(biāo)參數(shù)進行透水混凝土配合比優(yōu)化研究，選擇合適的水灰比和裹漿厚度。