植生型多孔混凝土性能影響因素的試驗(yàn)研究

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植生型多孔混凝土性能影響因素的試驗(yàn)研究

楊加^{12,3   歐正蜂1     劉歡1}   周錫玲 （1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410128，中國(guó)；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410128，中國(guó) ； 3.中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410004，中國(guó)。） 摘 要：研究了灰集比、水灰比和礦物摻合料對(duì)植生型多孔混凝土性能的影響，分析了相應(yīng)的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，植生型多孔混凝土灰集比應(yīng)控制在1:6-1:7之間，且水灰比為32%-35%之間較適宜；礦物摻合料對(duì)植生型多孔混凝土pH值的影響次序：粉煤灰﹥硅灰﹥礦渣，其最適摻合比例：粉煤灰15%-20%，礦渣10%-15%，硅灰4%-5%。 關(guān)鍵詞：多孔混凝土；礦物摻合料；連通孔隙率；抗壓強(qiáng)度；pH值 Experimental Study on Influence Factors of Property of Plant-growing Porous Concrete Yang Jia¹,Zhou Xi-ling^2,3,Ou zheng-feng¹,Liu Huan¹ (1. Oriental Institute of Science and Technology of Hunan Agricultural University,Changsha, 410128,China；2.College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha, 410128,China；3. College of Civil and Architectural Engineering, Central South University, Changsha, 410004，China.) Abstract:The effects of the cement-aggregate ratio , water-cement ratio and mineral admixtures on properties of plant-growing porous concrete are studied through experiments.The results of the study show that the cement-aggregate ratio of plant-growing porous concrete should be controlled between the 1:6-1:7 ratio,and water-cement ratio of 32% - 35% is more appropriate.The effective order of the mineral admixture on pH of plant-growing porous concrete is as following : fly ash﹥silica fume﹥slag powder, and the optimum addition ratio: fly ash ratio is 15%-20% , slag powder ratio is 10%-15% and silica fume ratio is 4%-5% . Key words: Porous Concrete;mineral admixtures; connected porosity; compressive strength; pH   0前言     植生型多孔混凝土屬于生態(tài)混凝土(Eco-concrete），是利用多孔混凝土較大的連通孔隙特征，填充植物所需營(yíng)養(yǎng)，并且能使植物在其孔隙中生長(zhǎng)，而根系可以通過(guò)混凝土連通孔隙深入到土壤層中吸收養(yǎng)分,其還具有多孔混凝土良好的防滑性、吸波降噪、凈水等性能^[1,2]。1995年，日本混凝土工學(xué)協(xié)會(huì)就提出了生態(tài)混凝土的概念，目前，植生型多孔混凝土在歐洲、美國(guó)、日本等國(guó)家已經(jīng)應(yīng)用于高速公路的路肩隔板建筑、屋頂、防岸護(hù)坡、停車場(chǎng)等部位。在中國(guó)^[3]，植生型多孔混凝土的研發(fā)經(jīng)過(guò)十五科技攻關(guān)，有一定的進(jìn)展，盡管在孔隙率、水灰比、水泥漿、粗骨料級(jí)配及多孔混凝土的力學(xué)性能等方面都有研究報(bào)道，但與國(guó)外相比仍有很大的差距，至今國(guó)內(nèi)尚無(wú)具體的水灰比確定方法，其配制技術(shù)研究仍處于初級(jí)階段。     本文從影響植生型多孔混凝土性能的因素考慮，研究了灰集比、水灰比和礦物摻合料對(duì)植生型多孔混凝土主要性能的影響，為我國(guó)植生型多孔混凝土的應(yīng)用與推廣提供試驗(yàn)研究依據(jù)。 -------------------------- 作者簡(jiǎn)介：男，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院 本科在讀 研究方向：生態(tài)混凝土 基金項(xiàng)目：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院“大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”項(xiàng)目(DFCXY201164) 1 原材料的選擇     水泥:復(fù)合硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為32.5。     粗集料:單一粒級(jí)級(jí)配石灰?guī)r碎石（10mm-20mm），其有關(guān)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)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     礦物摻合料：（1）粉煤灰：湖南湘潭電廠生產(chǎn)的超細(xì)粉煤灰；（2）礦渣：湖南泰基股份有限公司生產(chǎn)；（3）硅灰：貴州遵義鐵合金廠生產(chǎn)。     拌合水：長(zhǎng)沙市普通自來(lái)水。 2 試件制作與性能測(cè)定 2.1攪拌與制作 本試驗(yàn)施工方法如下:(1)全部粗集料加入1/2膠凝材料，攪拌30s；(2)加剩余的膠凝材料，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)，按規(guī)范插搗密實(shí)、拆模,并標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d進(jìn)行試驗(yàn)。 2.2連通孔隙率［P（%）］測(cè)定 相關(guān)研究表明^[4]，多孔混凝土總孔隙率與連通孔隙率有良好的線性關(guān)系，連通孔隙率可以很好的代表多孔混凝土的孔隙率情況。植生型多孔混凝土連通孔隙率的計(jì)算方法如下：  

 

        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（直至恒重），稱取試件在空氣中的質(zhì)量W₂，g； 2.3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) ^[5]。 2.4 pH值測(cè)試 采用取出固液萃取^[6]的方法制備pH測(cè)定溶液，具體步驟如下:將一定齡期的多孔混凝土破碎，充分研磨，過(guò)篩(0.08mm方孔篩)，稱取10g試樣，加入100g蒸餾水，用橡皮塞塞緊以防碳化，每隔5min震蕩一次，2h后用酸度計(jì)測(cè)定濾液的pH值. 3正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 3.1配合比設(shè)計(jì) 本試驗(yàn)選用灰集比(按質(zhì)量比)為:1/6、1/7、1/8、1/9和1/10五個(gè)水平；水灰比(按質(zhì)量比)為:0.29、0.32、0.35 、0.38和0.41五個(gè)水平；礦物摻合料(等量取代)為：粉煤灰和礦渣各為5%、10%、15%、20%和25%五個(gè)水平，硅灰為1%、2%、3%、4%和5%五個(gè)水平； 3.2正交試驗(yàn)表組合設(shè)計(jì)     本試驗(yàn)選用L₂₅(5⁶)水平正交表進(jìn)行多孔混凝土的正交試驗(yàn)，共25組試驗(yàn)組合試驗(yàn)方案，正交設(shè)計(jì)的表頭見(jiàn)表2，試驗(yàn)組成材料的用量見(jiàn)表3。

表2 植生型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 灰集比 水灰比/% 粉煤灰/% 礦渣/% 硅灰/% 1  1:6 29 5 5 1 2  1:7 32 10 10 2 3  1:8 35 15 15 3 4  1:9 38 20 20 4 5  1:10 41 25 25 5

  表3 正交設(shè)計(jì)與配合比安排

試件編號(hào) 灰集比 水灰比 粉煤灰 礦渣 硅灰 空集 組成材料的用量/（Kg/150mm³) 水泥 水 粉煤灰 礦渣 硅灰 1 1 1 1 1 1 1 3.857 1.257 0.217 0.217 0.043 2 1 2 2 2 2 2 3.380 1.387 0.433 0.433 0.087 3 1 3 3 3 3 3 2.903 1.517 0.650 0.650 0.130 4 1 4 4 4 4 4 2.427 1.647 0.867 0.867 0.173 5 1 5 5 5 5 5 1.950 1.777 1.083 1.083 0.217 6 2 1 2 3 4 5 2.637 1.077 0.371 0.557 0.149 7 2 2 3 4 5 1 2.229 1.189 0.557 0.743 0.186 8 2 3 4 5 1 2 2.006 1.300 0.743 0.929 0.037 9 2 4 5 1 2 3 2.526 1.411 0.929 0.186 0.074 10 2 5 1 2 3 4 3.046 1.523 0.186 0.371 0.111 11 3 1 3 5 2 4 1.885 0.943 0.488 0.813 0.065 12 3 2 4 1 3 5 2.340 1.040 0.650 0.163 0.098 13 3 3 5 2 4 1 1.983 1.138 0.813 0.325 0.130 14 3 4 1 3 5 2 2.438 1.235 0.163 0.488 0.163 15 3 5 2 4 1 3 2.243 1.333 0.325 0.650 0.033 16 4 1 4 2 5 3 1.878 0.838 0.578 0.289 0.144 17 4 2 5 3 1 4 1.704 0.924 0.722 0.433 0.029 18 4 3 1 4 2 5 2.109 1.011 0.144 0.578 0.058 19 4 4 2 5 3 1 1.791 1.098 0.289 0.722 0.087 20 4 5 3 1 4 2 2.196 1.184 0.433 0.144 0.116 21 5 1 5 4 3 2 1.352 0.754 0.650 0.520 0.078 22 5 2 1 5 4 3 1.716 0.832 0.130 0.650 0.104 23 5 3 2 1 5 4 2.080 0.910 0.260 0.130 0.130 24 5 4 3 2 1 5 1.924 0.988 0.390 0.260 0.026 25 5 5 4 3 2 1 1.638 1.066 0.520 0.390 0.052

4試驗(yàn)結(jié)果與分析 4.1試驗(yàn)結(jié)果 植生型多孔混凝土連通孔隙率、抗壓強(qiáng)度和pH值等性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4. 表4 正交試驗(yàn)結(jié)果表 試件編號(hào) 連通孔隙率/% 抗壓強(qiáng)度/MPa pH值 1 26.66 10.0 12.00 2 24.39 11.5 11.73 3 23.83 10.9 11.73 4 22.22 10.1 11.63 5 24.19 8.6 11.67 6 29.89 5.2 11.70 7 26.45 8.4 11.60 8 29.20 5.8 11.63 9 26.86 5.4 11.63 10 26.44 6.6 11.80 11 30.13 4.8 11.63 12 30.89 3.5 11.57 13 27.68 7.7 11.63 14 30.57 7.0 11.67 15 28.66 4.9 11.77 16 33.30 2.7 11.47 17 28.14 5.2 11.60 18 28.74 6.6 11.60 19 27.39 6.9 11.70 20 29.89 5.2 11.77 21 32.17 2.7 11.50 22 32.94 3.5 11.63 23 32.01 6.3 11.63 24 30.44 5.5 11.77 25    29.17   5.5 11.70   表5 方差分析

性能指標(biāo) 方差來(lái)源 平方和 自由度 F值 F臨界值 顯著 連通孔隙率 灰集比 143.97 4 15.34 3.84 ** 水灰比 27.34 4 2.92 3.84 * 粉煤灰 5.68 4 0.61 3.84   礦渣 7.07 4 0.75 3.84   硅灰 6.00 4 0.64 3.84   誤差 18.77 8 - -   28d抗壓強(qiáng)度 灰集比 96.67 4 11.11 3.84 ** 水灰比 16.29 4 1.87 3.84   粉煤灰 8.73 4 1.00 3.84   礦渣 3.20 4 0.37 3.84   硅灰 1.32 4 0.15 3.84   誤差 17.41 8 - -   pH值 灰集比 0.047 4 1.88 3.84   水灰比 0.040 4 1.60 3.84   粉煤灰 0.080 4 3.20 3.84 * 礦渣 0.028 4 1.12 3.84   硅灰 0.056 4 2.24 3.84 * 誤差 0.050 8 - -  

                      圖1 抗壓強(qiáng)度與因素的關(guān)系曲線                    圖2 連通孔隙率與因素的關(guān)系曲線                    圖3 pH值與因素的關(guān)系曲線                  圖4 pH值與連通孔隙率的關(guān)系曲線 4.2灰集比對(duì)植生型多孔混凝土性能的影響 由表5方差分析可知，灰集比對(duì)多孔混凝土連通孔隙率與抗壓強(qiáng)度影響較顯著，而對(duì)pH值無(wú)顯著影響。從圖1、圖2與圖3可知，隨著灰集比減小，孔隙率趨于增大，抗壓強(qiáng)度卻趨于減小，而pH值則先減小后增大。 多孔混凝土的性能是由膠凝材料與粗集料的共同作用，灰集比影響膠凝材料在多孔混凝土的含量，合理的灰集比使粗集料表面包裹均勻且顆粒接觸點(diǎn)膠凝材料連接面大，則多孔混凝土的性能較高。試驗(yàn)表明，植生型多孔混凝土灰集比為1:6-1:7之間，滿足植生型多孔混凝土的要求（孔隙率≥25%，抗壓強(qiáng)度≥10MPa）。 4.3 水灰比對(duì)植生型多孔混凝土性能的影響 表6 不同水灰比及配合比的多孔混凝土的性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

編號(hào) 灰集比 粉煤灰/% 礦渣/% 硅灰/% 水灰比/% 連通孔隙率/% 抗壓強(qiáng)度/MPa pH值 1 1:6 10 10 2 29 27.79% 10.0 12.0 2 1:6 10 10 2 32 26.24% 12.5 12.0 3 1:6 10 10 2 35 23.64% 14.0 12.0 4 1:6 10 10 2 38 23.60% 11.9 12.3

    水灰比是混凝土需水量的表現(xiàn)，決定著新拌混凝土的和易性，水灰比的控制對(duì)多孔混凝土的性能具有重要意義。由表5方差分析可知，水灰比對(duì)多孔混凝土連通孔隙率影響顯著，而對(duì)抗壓強(qiáng)度與pH值無(wú)顯著影響。從圖1、圖2、圖3與表6可知，隨著水灰比增大，連通孔隙率趨于減小，抗壓強(qiáng)度則先增大后減小，而pH值則先減小后增大。一般來(lái)說(shuō)，多孔混凝土的配合比和材料不同，其存在的最佳水灰比不同。研究表明，植生型多孔混凝土水灰比為32%-35%之間較適宜。 4.4 礦物摻合料對(duì)植生型多孔混凝土性能的影響     礦物摻合料的形態(tài)效應(yīng)和微集料填充效益，使混凝土的孔隙率降低，孔徑細(xì)化，改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和水化產(chǎn)物的組成，使混凝土的密實(shí)度增加，并且其火山灰效應(yīng)減少水化產(chǎn)物中結(jié)晶粗大水化產(chǎn)物Ca(OH)₂的數(shù)量，降低混凝土的內(nèi)部pH值。從表5方差分析可知，礦物摻合料對(duì)多孔混凝土連通孔隙率與抗壓強(qiáng)度影響不顯著，而對(duì)pH值的影響較顯著，且對(duì)pH值影響的顯著程度：粉煤灰﹥硅灰﹥礦渣。試驗(yàn)表明，相同摻量時(shí)，粉煤灰對(duì)pH值的影響較礦渣大。 從圖1、圖2與圖3可知，隨著礦物摻合料的增加，多孔混凝土連通孔隙率趨于先減小再增大，抗壓強(qiáng)度則相反，而pH值趨于減小。但由圖4可知，多孔混凝土pH值的變化趨勢(shì)隨連通孔隙率的增大而減小，但多孔混凝土的pH值與連通孔隙率并非存在一個(gè)良好的線性比例關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，合理的摻入礦物摻合料不僅可以調(diào)整多孔混凝土混合料的工作性能，而且有利于多孔混凝土連通孔隙率和抗壓強(qiáng)度的提高和降低多孔混凝土內(nèi)部的pH值。潘志峰^[6]等研究表明，高爐礦渣摻量大于30%時(shí)有利于多孔混凝土抗凍性能，然而，粉煤灰摻量大于30%時(shí)不利于多孔混凝土抗凍性能，應(yīng)該控制在15%左右。研究表明，植生型多孔混凝土礦物摻合料最適摻合比例：粉煤灰15%-20%，礦渣10%-15%，硅灰4%-5%。 5 結(jié)論 （1）植生型多孔混凝土的性能是由膠凝材料與粗集料的共同作用，為滿足植生型多孔混凝土的要求（孔隙率≥25%，抗壓強(qiáng)度≥10MPa），植生型多孔混凝土灰集比應(yīng)控制在1:6-1:7之間； （2）一般來(lái)說(shuō)，多孔混凝土的配合比和材料不同，其存在的最佳水灰比不同。研究表明，植生型多孔混凝土水灰比為32%-35%之間較適宜； （3）研究表明，礦物摻合料對(duì)植生型多孔混凝土pH值的影響次序：粉煤灰﹥硅灰﹥礦渣； （4）研究表明，植生型多孔混凝土礦物摻合料最適摻合比例：粉煤灰15%-20%，礦渣10%-15%，硅灰4%-5%。   參考文獻(xiàn) [1] Chen Yu,Zhang Qisen.Manufacturing Technology of Porous Cement for Highway Construction[R].Geo Hunan International Conference,2009,22-33. [2] Sung-Bum Park,Mang Tia.An experimental study on the water-purification properties of porous concrete[J].Cement and Concrete Research,2004,34(2):177-184. [3] 黃劍鵬,胡勇有.植生型多孔混凝土的制備與性能研究[J].混凝土.2011,(2):101-104. [4] 楊加,周錫玲,張勝,楊軍.環(huán)保型植生多孔混凝土試驗(yàn)研究[J].混凝土與水泥制品，2011,(10):18-22. [5] 中華人民共和國(guó)國(guó)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(guó)建筑工業(yè)出版社,2003. [6] 孟志良,吳仲兵,錢覺(jué)時(shí).大摻量粉煤灰混凝土的孔隙液相堿度[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào),1999,21(1):24-27. [7] 潘志峰,高建明,許國(guó)東,吉伯海.植生型多孔混凝土抗凍性試驗(yàn)研究[J].混凝土與水泥制品.2007,(1):11-13.   [作者簡(jiǎn)介]:男，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院 本科在讀 [研究方向]：生態(tài)混凝土研究 [單位地址]：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院（410128） [聯(lián)系電話]：15116298502;874649194@qq.com [郵寄地址]：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院