多孔混凝土連通孔隙率與抗壓強(qiáng)度影響因素的試驗(yàn)研究

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多孔混凝土連通孔隙率與抗壓強(qiáng)度影響因素的試驗(yàn)研究 楊加1 周錫玲2,3 歐正蜂1 （1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院，湖南長沙，410128，2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南長沙，410128 , 3.中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，湖南長沙，410004） 摘 要：通過對(duì)粗集料級(jí)配、灰集比及水灰比各因素取4水平設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，以連通孔隙率和28d抗壓強(qiáng)度為性能指標(biāo)，進(jìn)行多孔混凝土性能影響因素的探索研究，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行因素的方差(F)和直觀分析，分析出三個(gè)因素對(duì)多孔混凝土性能的影響程度和變化規(guī)律，為綠化混凝土的研制奠定基礎(chǔ)。研究表明，灰集比對(duì)多孔混凝土性能的影響最大且顯著，集料級(jí)配與水灰比影響均不顯著；粉煤灰可降低多孔混凝土的連通孔隙率，增大其抗壓強(qiáng)度。 關(guān)鍵詞：多孔混凝土；連通孔隙率；抗壓強(qiáng)度；正交試驗(yàn)

1 前言 現(xiàn)今，混凝土已成為土木工程建設(shè)中使用量最大的材料，它對(duì)人類物質(zhì)文明和進(jìn)步做出了巨大的貢獻(xiàn)。然而，它也給人類帶來了許多負(fù)面效應(yīng)，比如：能量和天然資源的大量消耗、熱島效應(yīng)、環(huán)境污染、生態(tài)平衡的破壞等等。 多孔混凝土主要是由粗集料、水泥和水拌制而成的混凝土，粗集料顆粒表面包裹著一層薄水泥漿體，集料顆粒相互接觸、相互粘結(jié)，它具有較大的連續(xù)孔隙結(jié)構(gòu)的特征，其透氣、透水性良好,可以降低能耗,減少熱島效應(yīng)，符合當(dāng)今社會(huì)倡導(dǎo)的“低碳生活”主題。多孔混凝土在公路運(yùn)用上還能提高路面抗滑性、降低路面噪聲、快速融雪等 [1-2]。日本、美國、歐洲等國家和地區(qū)在多孔混凝土運(yùn)用上已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，在1979年，美國佛羅里達(dá)州首次使用無砂多孔混凝土建成了具有透水性的停車場(chǎng)，并獲得了專利 [3]；2001年4月，日本“先端建設(shè)技術(shù)中心”制訂了《多孔混凝土河川護(hù)岸工法》[4]。但國外多孔混凝土應(yīng)用主要集中于較輕的荷載作用處，其承載能力還存在局限性，需要進(jìn)一步研究，使其充分發(fā)揮透水、降噪等優(yōu)良功能。 我國在多孔混凝土研究方面起步比較晚，對(duì)其的應(yīng)用與推廣仍處于初級(jí)階段[5-7]?，F(xiàn)今，雖然部分城市已在公園、廣場(chǎng)、人行道等輕荷載作用處，以及河岸護(hù)坡、隧道洞口等處運(yùn)用多孔混凝土，但是這些工程的成功與否有待經(jīng)受長期觀察和檢驗(yàn)。多孔混凝土的配制必須通過改變集料級(jí)配、灰集比及水灰比的配合比方法，并保證其具有一定的連通孔隙率和抗壓強(qiáng)度值。連通孔隙率與強(qiáng)度之間是此消彼長的關(guān)系，需要綜合考慮各方面的因素，才能研究出符合要求的連通孔隙率和抗壓強(qiáng)度的多孔混凝土最優(yōu)組合。 2 多孔混凝土原材料的選擇 本試驗(yàn)原材料的選擇：粗集料的類型、粒徑及級(jí)配、水泥品種和強(qiáng)度等級(jí)、外摻料以及拌合水。 2.1粗集料級(jí)配 碎石顆粒表面粗糙、多棱角，空隙率和表面積比卵石大，而且碎石與水泥石粘結(jié)力更大，在水灰比相同的條件下，較卵石混凝土強(qiáng)度高[8]。本試驗(yàn)所用粗集料為長沙市東山灣碎石場(chǎng)的石灰?guī)r碎石，碎石為四種單一粒級(jí)，其有關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表1。 表1 碎石技術(shù)指標(biāo) 項(xiàng)目 表觀密度 （g·cm-3） 松方密度 （g·cm-3） 含泥量 （%） 針片狀顆粒含量 （%） 壓碎率 （%） 標(biāo)準(zhǔn) ＞2.5 ＞1.35 ≦1 ≦15 ≦20 實(shí)測(cè) 2.60 1.63 0.30 9.20 7.38 2.2水泥 本試驗(yàn)選用湖南長沙坪塘水泥廠生產(chǎn)的復(fù)合硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為32.5 。 2.3外摻料 粉煤灰：湖南湘潭電廠生產(chǎn)。 2.4拌合水 長沙市普通自來水。 3 試件制作與性能測(cè)定 3.1試件制作 為了使水泥漿體均勻包裹在粗集料表面，多孔混凝土在拌合時(shí)應(yīng)十分注意加料順序。本試驗(yàn)使用混凝土攪拌機(jī)攪拌，施工方法如下：(1)粗集料加入1/2水泥用量，攪拌30s；(2)加剩余的水泥，攪拌30s；(3)每次加1/4水，攪拌35s，直至依次加完所有有效水；(4)出料；(5)混凝土拌合物分三層裝入150mm×150mm×150mm試模內(nèi)，并按規(guī)范[9]插搗密實(shí)；(6)將試件用不透水的薄膜覆蓋表面并放到室內(nèi)自然成型養(yǎng)護(hù)，經(jīng)過24小時(shí)后拆模、編號(hào)，記錄編號(hào)數(shù)據(jù)，再置于不流動(dòng)的Ca(OH)2飽和溶液養(yǎng)護(hù)池中養(yǎng)護(hù)至28d。 3.2連通孔隙率測(cè)定 評(píng)價(jià)多孔混凝土透水性能的重要指標(biāo)：連通孔隙率（P），連通孔隙率的計(jì)算方法如下[10]： 其中V:用游標(biāo)卡尺測(cè)量并計(jì)算試件的外觀體積V，cm³； W1:將試件浸泡在水中使其飽和后（浸泡24h以上），稱取試件在水中的質(zhì)量W1，g； W2:將試件在20±2℃、相對(duì)濕度60%的條件下，自然放置24h以上，稱取試件在空氣中的質(zhì)量W2，g。 3.3抗壓強(qiáng)度測(cè)定 本試驗(yàn)在試件28d后，在吸水飽和狀態(tài)下進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測(cè)，測(cè)試方法與數(shù)據(jù)處理按照GB/T50081-2002普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn) [9]。 4.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 本試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，分析級(jí)配、灰集比和水灰比對(duì)多孔混凝土連通孔隙率和28d抗壓強(qiáng)度的影響程度及其相互關(guān)系。 4.1配合比設(shè)計(jì) 本試驗(yàn)結(jié)合多孔混凝土相關(guān)理論的實(shí)際情況，確定配合比設(shè)計(jì)水平因素為：級(jí)配、灰集比和水灰比。 4.1.1確定集料級(jí)配（A）。集料級(jí)配不僅影響多孔混凝土的強(qiáng)度特性，還影響其連通孔隙率。本試驗(yàn)選用四種單一粒級(jí)粗集料粒徑分別是10-16mm、16-20mm、20-25mm和10-20mm四個(gè)水平； 4.1.2確定灰集比（B）?；壹鹊拇笮∮绊懠项w粒表面包裹的水泥漿薄厚程度以及孔隙率的多少，也影響多孔混凝土的強(qiáng)度。本試驗(yàn)選用灰集比（按質(zhì)量比）為：1/3、1/3.5、1/4和1/4.5四個(gè)水平； 4.1.3確定水灰比(C)。硅酸鹽水泥的理論需水量約占水泥質(zhì)量的25%[8]，但是在實(shí)際使用時(shí)，這樣的用水量拌制的水泥漿稠度太大，難以攪拌，也不便于澆注成型，不利于水化和施工。據(jù)相關(guān)研究成果，多孔混凝土的水灰比0.3- 0.35之間[3]，本試驗(yàn)選用水灰比（按質(zhì)量比）為：0.29、0.32、0.35和0.38四個(gè)水平。 4.2正交試驗(yàn)表組合設(shè)計(jì) 本試驗(yàn)選用L16(45)水平正交表進(jìn)行多孔混凝土的正交試驗(yàn)，共16組試驗(yàn)組合試驗(yàn)方案，正交設(shè)計(jì)的表頭見表 2。

表2 多孔混凝土配合比試驗(yàn)正交設(shè)計(jì)因素水平表 水平 影響因素 級(jí)配/mm 灰集比 水灰比% 1 10—16 1/3 0.29 2 16—20 1/3.5 0.32 3 20—25 1/4 0.35 4 10—20 1/4.5 0.38

4.3試驗(yàn)材料的用量 本試驗(yàn)所用碎石技術(shù)指標(biāo)的檢測(cè)見表1，配合比需碎石量以17kg為基準(zhǔn)，多孔混凝土組成材料的用量見表3。

表3 正交設(shè)計(jì)與配合比安排表 編號(hào) A B C 空集 空集 組成材料的用量/kg 集料 水泥 水 1 1 1 1 1 1 17 5.667 1.643 2 1 2 2 2 2 17 4.857 1.554 3 1 3 3 3 3 17 4.250 1.488 4 1 4 4 4 4 17 3.778 1.436 5 2 1 2 3 4 17 5.667 1.813 6 2 2 1 4 3 17 4.857 1.409 7 2 3 4 1 2 17 4.250 1.615 8 2 4 3 2 1 17 3.778 1.322 9 3 1 3 4 2 17 5.667 1.983

續(xù)表3

編號(hào) A B C 空集 空集 組成材料的用量/kg 集料 水泥 水 10 3 2 4 3 1 17 4.857 1.846 11 3 3 1 2 4 17 4.250 1.233 12 3 4 2 1 3 17 3.778 1.209 13 4 1 4 2 3 17 5.667 2.153 14 4 2 3 1 4 17 4.857 1.700 15 4 3 2 4 1 17 4.250 1.360 16 4 4 1 3 2 17 3.778 1.096 5.試驗(yàn)結(jié)果與分析 正交試驗(yàn)結(jié)果見表4，連通孔隙率和28d抗壓強(qiáng)度的方差分析見表5。 表4 正交試驗(yàn)結(jié)果表 試驗(yàn)編號(hào) 連通孔隙率% 28d壓強(qiáng)MPa 1 16.30 29.0 2 16.95 23.5 3 19.53 14.9 4 20.24 11.2 5 17.70 19.5 6 21.68 16.3 7 18.46 11.8 8 24.82 11.8 9 16.63 29.2 10 20.21 15.1 11 24.73 13 12 22.16 13.7 13 16.14 26.8 14 17.78 24.8 15 20.97 19 16 23.94 13.4 表5 試驗(yàn)結(jié)果的方差分析表 性能指標(biāo) 因素 Sj ƒj F值 Fa 顯著 連通隙率 A 17.58 3 2.44 4.76 B 80.96 3 11.26 4.76 * C 18.60 3 2.59 4.76 空集 9.11 3 1.27 4.76 空集 5.28 3 0.73 4.76 誤差 14.38 6 28d抗壓強(qiáng)度 A 85.27 3 3.37 4.76 B 441.45 3 17.44 4.76 * C 33.41 3 1.32 4.76 空集 38.29 3 1.51 4.76 空集 12.33 3 0.49 4.76 誤差 50.62 6 注： Sj: 離差平方和,ƒj:自由度, Fa=F0.05(3,6). 5.1三因素對(duì)多孔混凝土連通孔隙率的影響 由表5可知，級(jí)配、灰集比和水灰比三個(gè)因素對(duì)多孔混凝土連通孔隙率的影響次序?yàn)椋夯壹龋舅冶龋炯?jí)配，且只有灰集比影響顯著。多孔混凝土連通孔隙率的形成是由粗集料和水泥漿共同作用的結(jié)果，從影響多孔混凝土連通孔隙率的因素次序和顯著程度而言，水泥漿體起到的作用更大。本試驗(yàn)采用同品牌同標(biāo)號(hào)的水泥，所以水泥漿體對(duì)多孔混凝土的作用取決于灰集比和水灰比。灰集比決定了水泥漿體中水泥量的多少，水灰比決定了水泥漿體的流動(dòng)性，而且灰集比和水灰比都可以控制水泥漿體在粗集料表面包裹的均勻性和空隙的填充程度。試驗(yàn)表明，灰集比對(duì)多孔混凝土連通孔隙率的影響大于水灰比，說明多孔混凝土中灰集比對(duì)粗集料外表面水泥漿體包裹程度和空隙的填充作用影響大于水灰比。 5.2三因素對(duì)多孔混凝土的抗壓強(qiáng)度的影響 從表5中，可知級(jí)配、灰集比和水灰比三個(gè)因素對(duì)多孔混凝土28d抗壓強(qiáng)度影響的程度為：灰集比＞級(jí)配＞水灰比，且只有灰集比影響顯著。一般粗集料的抗壓強(qiáng)度比混凝土中基體和界面過渡區(qū)的強(qiáng)度要高出數(shù)倍[11]。試驗(yàn)表明，多孔混凝土的強(qiáng)度也低于骨料強(qiáng)度的數(shù)倍，絕大多數(shù)骨料的強(qiáng)度幾乎得不到利用，級(jí)配對(duì)多孔混凝土的強(qiáng)度影響是通過不同的級(jí)配所形成的孔隙特征和孔隙率不一樣產(chǎn)生。研究表明，水泥漿作為多孔混凝土的膠結(jié)材料，它的膠結(jié)作用對(duì)多孔混凝土的抗壓強(qiáng)度起到了關(guān)鍵的作用。 5.3三因素與多孔混凝土連通孔隙率和抗壓強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系 由圖1和圖2可知，級(jí)配對(duì)多孔混凝土連通孔隙率的影響，是隨著粒徑的增大而增大，然而隨著粒徑的增大其28d抗壓強(qiáng)度越小。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著級(jí)配粒徑的增大使得粗集料顆粒之間形成的連通孔隙增多，致使多孔混凝土的連通孔隙率也增大，但是隨著連通孔隙率的增大，其能承受的抗壓能力也會(huì)隨之降低。 灰集比增大，水泥的含量則降低，包裹在粗集料顆粒外表面的水泥漿體減少，粗集料顆粒之間形成的空隙被水泥漿體填充的量也隨之少，從而可以增加連通孔隙率。但是，粗集料顆粒外表面包裹的水泥漿體的量減少，甚至有些顆粒表面不能被水泥漿體包裹，從而降低了多孔混凝土基體和界面過度區(qū)的抗壓能力。 試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著水灰比的增加，多孔混凝土連通孔隙率降低，而28d抗壓強(qiáng)度卻先增加后減小。在一定范圍內(nèi)，水灰比的增加，使水泥漿體更好包裹于粗集料顆粒的外表面，增加其抗壓強(qiáng)度。然而，多孔混凝土屬于無砂混凝土，水灰比過大，使新拌多孔混凝土產(chǎn)生離析，不僅降低連通孔隙率和抗壓強(qiáng)度，還使其連通孔隙和抗壓強(qiáng)度區(qū)域分布不均。
5.4粉煤灰對(duì)多孔混凝土性能指標(biāo)的影響 表7中試驗(yàn)級(jí)配為16-20mm,灰集比為1/4，水灰比為0.32，粉煤 灰摻量范圍為20%-40%。研究表明，摻入粉煤灰后，多孔混凝土連通孔隙率降低，抗壓強(qiáng)度增大。 　表7 外摻粉煤灰試驗(yàn)結(jié)果表 粉煤灰% 連通孔隙率% 28d抗壓強(qiáng)度MPa 0 29.30 9 20 17.17 21.8 25 17.93 20.6 30 16.85 18 35 20.94 15.9 40 20.59 17 6 結(jié)論6.1多孔混 凝土屬于粗集料骨架空隙結(jié)構(gòu)，灰集比對(duì)其有效孔隙率和28d抗壓強(qiáng)度的影響最大且顯著，其次是集料級(jí)配，最后是水灰比，但集料級(jí)配和水灰比對(duì)其影響均不顯著。 6.2水泥的膠結(jié)作用對(duì)多孔混凝土的抗壓強(qiáng)度起到了關(guān)鍵的作用。 6.3粉煤灰使多孔混凝土連通孔隙率降低，抗壓強(qiáng)度增大。 6.4粗集料級(jí)配良好，集灰比及水灰比合理，集料表面包裹均勻且顆粒接觸點(diǎn)水泥漿連接面大，則多孔混凝土連通孔隙率及抗壓強(qiáng)度較高。 參考文獻(xiàn) [1] 張樹國,王剛,吳天.國外多孔混凝土路面研究和發(fā)展綜述[J].山西建筑,2009,35(21):261-263. [2] 單海燕,湯維軍.多孔砼路面特性及應(yīng)用研究[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2009,(2):47-49. [3] 馮乃謙.新實(shí)混凝土用大全[M].北京:科學(xué)出版社,2001. [4] 殷琨.多孔混凝土及其在生態(tài)護(hù)坡工程中的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2010,35(11):168-170. [5] 王智,錢覺時(shí),張朝輝,石從黎.多孔混凝土配合比設(shè)計(jì)方法初探[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(3)：121-124. [6] 梁麗敏,余紅發(fā),潘浙鋒.基于真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)的多孔混凝土三維重建[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào),2010,38(4)：424-427. [7]許燕蓮,李榮煒,余其俊,韋江雄,魏麗穎,譚學(xué)軍,肖萍.多孔混凝土孔隙的表征及其與滲透性的關(guān)系研究[J].混凝土,2009,(3):16-20. [8] 張光碧,鐘澤權(quán).建筑材料[M].北京:中國電力出版社,2006. [9] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB/T50081-2002,普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003. [10] 劉小康,高建明,吉伯海.粗集料級(jí)配對(duì)多孔混凝土性能的影響研究[J].混凝土與水泥制品.2005,(5)：11-13. [11] (美)庫馬·梅塔,保羅J.M.蒙特羅.混凝土微觀結(jié)構(gòu)、性能和材料[M].覃維祖,王棟民,丁建彤,譯.北京:中國電力出版社,2008.