多孔混凝土連通孔隙率與抗壓強度影響因素的試驗研究

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多孔混凝土連通孔隙率與抗壓強度影響因素的試驗研究 楊加1 周錫玲2,3 歐正蜂1 （1.湖南農(nóng)業(yè)大學東方科技學院，湖南長沙，410128，2.湖南農(nóng)業(yè)大學工學院，湖南長沙，410128 , 3.中南大學土木建筑學院，湖南長沙，410004） 摘 要：通過對粗集料級配、灰集比及水灰比各因素取4水平設計正交試驗，以連通孔隙率和28d抗壓強度為性能指標，進行多孔混凝土性能影響因素的探索研究，對試驗結(jié)果進行因素的方差(F)和直觀分析，分析出三個因素對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。研究表明，灰集比對多孔混凝土性能的影響最大且顯著，集料級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，增大其抗壓強度。 關(guān)鍵詞：多孔混凝土；連通孔隙率；抗壓強度；正交試驗

1 前言 現(xiàn)今，混凝土已成為土木工程建設中使用量最大的材料，它對人類物質(zhì)文明和進步做出了巨大的貢獻。然而，它也給人類帶來了許多負面效應，比如：能量和天然資源的大量消耗、熱島效應、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，符合當今社會倡導的“低碳生活”主題。多孔混凝土在公路運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)在多孔混凝土運用上已經(jīng)有了廣泛的應用，在1979年，美國佛羅里達州首次使用無砂多孔混凝土建成了具有透水性的停車場，并獲得了專利 [3]；2001年4月，日本“先端建設技術(shù)中心”制訂了《多孔混凝土河川護岸工法》[4]。但國外多孔混凝土應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，對其的應用與推廣仍處于初級階段[5-7]?，F(xiàn)今，雖然部分城市已在公園、廣場、人行道等輕荷載作用處，以及河岸護坡、隧道洞口等處運用多孔混凝土，但是這些工程的成功與否有待經(jīng)受長期觀察和檢驗。多孔混凝土的配制必須通過改變集料級配、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度值。連通孔隙率與強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 本試驗原材料的選擇：粗集料的類型、粒徑及級配、水泥品種和強度等級、外摻料以及拌合水。 2.1粗集料級配 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，較卵石混凝土強度高[8]。本試驗所用粗集料為長沙市東山灣碎石場的石灰?guī)r碎石，碎石為四種單一粒級，其有關(guān)技術(shù)指標見表1。 表1 碎石技術(shù)指標 項目 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 （%） 標準 ＞2.5 ＞1.35 ≦1 ≦15 ≦20 實測 2.60 1.63 0.30 9.20 7.38 2.2水泥 本試驗選用湖南長沙坪塘水泥廠生產(chǎn)的復合硅酸鹽水泥，強度等級為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應十分注意加料順序。本試驗使用混凝土攪拌機攪拌，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；(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，經(jīng)過24小時后拆模、編號，記錄編號數(shù)據(jù)，再置于不流動的Ca(OH)2飽和溶液養(yǎng)護池中養(yǎng)護至28d。 3.2連通孔隙率測定 評價多孔混凝土透水性能的重要指標：連通孔隙率（P），連通孔隙率的計算方法如下[10]： 其中V:用游標卡尺測量并計算試件的外觀體積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抗壓強度測定 本試驗在試件28d后，在吸水飽和狀態(tài)下進行抗壓強度檢測，測試方法與數(shù)據(jù)處理按照GB/T50081-2002普通混凝土力學性能試驗方法標準 [9]。 4.正交試驗設計 本試驗采用正交試驗設計原理，分析級配、灰集比和水灰比對多孔混凝土連通孔隙率和28d抗壓強度的影響程度及其相互關(guān)系。 4.1配合比設計 本試驗結(jié)合多孔混凝土相關(guān)理論的實際情況，確定配合比設計水平因素為：級配、灰集比和水灰比。 4.1.1確定集料級配（A）。集料級配不僅影響多孔混凝土的強度特性，還影響其連通孔隙率。本試驗選用四種單一粒級粗集料粒徑分別是10-16mm、16-20mm、20-25mm和10-20mm四個水平； 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度。本試驗選用灰集比（按質(zhì)量比）為：1/3、1/3.5、1/4和1/4.5四個水平； 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]，但是在實際使用時，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]，本試驗選用水灰比（按質(zhì)量比）為：0.29、0.32、0.35和0.38四個水平。 4.2正交試驗表組合設計 本試驗選用L16(45)水平正交表進行多孔混凝土的正交試驗，共16組試驗組合試驗方案，正交設計的表頭見表 2。

表2 多孔混凝土配合比試驗正交設計因素水平表 水平 影響因素 級配/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試驗材料的用量 本試驗所用碎石技術(shù)指標的檢測見表1，配合比需碎石量以17kg為基準，多孔混凝土組成材料的用量見表3。

表3 正交設計與配合比安排表 編號 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 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.試驗結(jié)果與分析 正交試驗結(jié)果見表4，連通孔隙率和28d抗壓強度的方差分析見表5。 表4 正交試驗結(jié)果表 試驗編號 連通孔隙率% 28d壓強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 試驗結(jié)果的方差分析表 性能指標 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). 5.1三因素對多孔混凝土連通孔隙率的影響 由表5可知，級配、灰集比和水灰比三個因素對多孔混凝土連通孔隙率的影響次序為：灰集比＞水灰比＞級配，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。本試驗采用同品牌同標號的水泥，所以水泥漿體對多孔混凝土的作用取決于灰集比和水灰比?；壹葲Q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。試驗表明，灰集比對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。 5.2三因素對多孔混凝土的抗壓強度的影響 從表5中，可知級配、灰集比和水灰比三個因素對多孔混凝土28d抗壓強度影響的程度為：灰集比＞級配＞水灰比，且只有灰集比影響顯著。一般粗集料的抗壓強度比混凝土中基體和界面過渡區(qū)的強度要高出數(shù)倍[11]。試驗表明，多孔混凝土的強度也低于骨料強度的數(shù)倍，絕大多數(shù)骨料的強度幾乎得不到利用，級配對多孔混凝土的強度影響是通過不同的級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)作用對多孔混凝土的抗壓強度起到了關(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度的相關(guān)關(guān)系 由圖1和圖2可知，級配對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抗壓強度越小。試驗結(jié)果表明，隨著級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度，還使其連通孔隙和抗壓強度區(qū)域分布不均。
5.4粉煤灰對多孔混凝土性能指標的影響 表7中試驗級配為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，抗壓強度增大。 　表7 外摻粉煤灰試驗結(jié)果表 粉煤灰% 連通孔隙率% 28d抗壓強度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)，灰集比對其有效孔隙率和28d抗壓強度的影響最大且顯著，其次是集料級配，最后是水灰比，但集料級配和水灰比對其影響均不顯著。 6.2水泥的膠結(jié)作用對多孔混凝土的抗壓強度起到了關(guān)鍵的作用。 6.3粉煤灰使多孔混凝土連通孔隙率降低，抗壓強度增大。 6.4粗集料級配良好，集灰比及水灰比合理，集料表面包裹均勻且顆粒接觸點水泥漿連接面大，則多孔混凝土連通孔隙率及抗壓強度較高。 參考文獻 [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用研究[J].交通標準化,2009,(2):47-49. [3] 馮乃謙.新實混凝土用大全[M].北京:科學出版社,2001. [4] 殷琨.多孔混凝土及其在生態(tài)護坡工程中的應用[J].環(huán)境科學與管理,2010,35(11):168-170. [5] 王智,錢覺時,張朝輝,石從黎.多孔混凝土配合比設計方法初探[J].重慶建筑大學學報,2008,30(3)：121-124. [6] 梁麗敏,余紅發(fā),潘浙鋒.基于真實細觀結(jié)構(gòu)的多孔混凝土三維重建[J].河海大學學報,2010,38(4)：424-427. [7]許燕蓮,李榮煒,余其俊,韋江雄,魏麗穎,譚學軍,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準.GB/T50081-2002,普通混凝土力學性能試驗方法標準[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003. [10] 劉小康,高建明,吉伯海.粗集料級配對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.