成型过程中若干因素对透水混凝土性能的影响研究.pdf

年 月下第 卷 第 期施工技术（中英文）：成型过程中若干因素对透水混凝土性能的影响研究汪雄杰，陈代果，杨福俭，刘筱玲，杜义祥，姚 勇（西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳；信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司，四川 成都；四川振通检测股份有限公司，四川 绵阳）摘要 试验通过改变透水混凝土成型过程中的若干因素，分析多因素对透水混凝土性能的影响，基于正交试验设计透水混凝土的基本物理性能进行试验，运用极差和方差方法研究不同水平下人工插捣次数、装模次数、搅拌时间、击实次数对透水混凝土的孔隙率、抗压强度和透水系数等性能的影响；分析透水混凝土的孔隙率与抗压强度、透水系数间的规律，建立孔隙率与抗压强度、透水系数的数学关系。结果表明：搅拌时间为影响透水混凝土孔隙率、抗压强度和透水系数等性能最主要的因素，综合考虑孔隙率、抗压强度和透水系数得到透水混凝土的最佳成型方式；配合比一定时，成型方式可改变透水混凝土的孔隙率来影响其抗压强度等性能。关键词 透水混凝土；孔隙率；抗压强度；成型；正交试验中图分类号 文献标识码 文章编号（），（，；，；，）：，：；国家自然科学基金（）；住房和城乡建设部科技计划项目（，）；四 川 省 科 技 厅 应 用 基 础 项 目（）作者简介 汪雄杰，硕士研究生，：通信作者 陈代果，博士，讲师，：收稿日期 引言 透水混凝土是由胶凝材料包裹粗骨料形成的骨架孔隙结构，内部呈连续多孔状，具有透气、透水、降噪和减缓城市热岛效应的特点。因此，在 施工技术（中英文）第 卷城市市政绿化、轻型道路、污水净化及生态护坡等轻荷载路面上被广泛使用，是“海绵城市”建设中的优异混凝土材料。等通过试验发现纳米材料经过雨水处理可提高透水混凝土的去除效率、抗压强度和吸附能力，但降会低透水混凝土的渗透速率。侯利军等通过三因素正交试验发现水灰比、水泥用量和聚合物掺量 种因素中，水灰比对透水混凝土的抗压强度、抗折强度和透水性能影响最大，且存在最佳水灰比。王玲玲等制备了 透水混凝土，试验发现 掺量对透水混凝土的保水率、抗压强度、抗折强度及抗硫酸盐腐蚀能力等影响显著。杨福俭通过正交试验建立了透水混凝土的孔隙率动容损伤量、孔隙率抗压强度等的数学关系。陈代果等设计正交试验，选取不同因素得出透水混凝土抗冻性能最佳配合比。向君正等采用压汞法和扫描电镜法，通过观察透水混凝土和水泥石的微观孔隙结构变化，发现随着冻融次数的增加，透水混凝土骨料水泥界面出现裂缝并不断扩展，但水泥石微观结果无明显变化，说明透水混凝土的抗冻性能与骨料水泥界面的劣化有重要关系。等采用添加细骨料和纤维改变配合比的方式设计试验，指出细骨料可有效增大骨料间的接触面积，增强透水混凝土的强度和耐久性；聚丙烯纤维可增强骨料连接性能，降低质量损失率。综上所述，正交试验在改变配合比提高透水混凝土的性能中被广泛运用。但当配合比一定时，成型方式也会对透水混凝土性能产生重要影响，因此，本试验从改变成型过程中的若干因素出发，研究透水混凝土的孔隙率和抗压强度等性能。试验设计 原材料 水泥采用 普通硅酸盐水泥；粗骨料为 单一级配；硅灰为高活性微硅灰；纤维为 长 纤维；粘结剂为高效粘结剂。配合比（）为：碎石 水泥 硅灰 纤维 水 粘结剂 。配合比和正交试验设计 本试验采用正交试验方法研究搅拌时间（）、击实次数（）、装模次数（）、人工插捣次数（）对透水混凝土孔隙率和抗压强度的影响。试件规格为边长 的立方体。通过改变透水混凝土成型过程中的若干因素，分析比较其孔隙率、相对动弹性模量随冻融循环次数的变化规律。选用（）设计正交试验，如表，所示。表 正交试验因素水平 序号搅拌时间 击实次数 次装模次数 次人工插捣次数 次表 正交试验 序号搅拌时间 击实次数 次装模次数 次人工插捣次数 次 孔隙率测试 透水混凝土孔隙率测试装置如图 所示。将边长 的立方体透水混凝土试件放入标准养护室养护 后取出放入烘干机烘干，烘干水分后称取质量；再将其放入水中浸泡 取出后称取试件质量；最后计算得到试件孔隙率：（）（）图 孔隙率试验装置示意 抗压强度测试 透水混凝土抗压强度测试装置如图 所示。本试验按照 普通混凝土力学性能试验方法标准相关要求执行，试样为边长 的立方体试件，加载速率为 ，抗压强度计算为：（）式中：为破坏时荷载（）；为试样横截面积（）；为立方体试件抗压强度（）。汪雄杰等：成型过程中若干因素对透水混凝土性能的影响研究 表 各组试件平均孔隙率系数 序号孔隙率 图 压力试验机 结果和讨论 孔隙率 按表 进行透水混凝土试件试验，得到透水混凝土孔隙率，如表，所示。表 孔隙率极差和方差分析 因素搅拌时间 击实次数 装模次数 人工插捣次数 矫正值 注：为各因素水平对应试验数值之和；为各因素水平之和的平均值；为极差；为误差；为总离差平方和；为各因素离差平方和；矫正值 为试验结果的平方和；为方差表 立方体抗压强度测定结果 序号抗压强度 由表 可知，试验孔隙率为 ，而试验设计孔隙率为，除第，组基本满足，第 组均小于设计孔隙率。第 组孔隙率与第 组相比降低了，原因是成型过程中的若干因素影响了透水混凝土内部的密实程度，插捣次数过多会加速水泥浆体的下沉，堵塞部分连通孔隙；硅灰会生成 凝胶体，该物质依靠填充微小孔隙实现增大强度的作用；搅拌时长也会影响水泥水化反应的充分性，搅拌时间越长水化反应越充分，附着在粗骨料表面的水泥浆体越多，骨料间孔隙被填充部分也越多，从而降低孔隙率。由表 可知，成型过程中的若干因素对透水混凝土孔隙率的影响按重要程度排序为：搅拌时间、装模次数、击实次数、人工插捣；根据孔隙率结果，得到最佳成型组合为：加水后搅拌，击实 次，次性装模，插捣 次。通过极差分析，搅拌时间是透水混凝土成型方式中最重要的影响因素，而方差分析结果显示 ，最接近 ，表明搅拌时间对孔隙率影响较显著。所以控制透水混凝土孔隙率应严格控制其搅拌时间，最佳搅拌时间为加水后。抗压强度 透水混凝土多用于城市低荷载路面，主要受压。立方体抗压强度测定结果如表 所示。由表 可知，试验 组抗压强度为 ；组抗压强度为 ，除第 组小于，其余组别均大于设计强度。其中第 组抗压强度最大，与第 组相比，增大了。从表 可看出，组搅拌时间短，而搅拌时间太短会导致骨料和胶凝材料等拌合物的流动性较差、含气量较高、浆体黏度升高。透水混凝土中出现大量未充分混合的胶凝材料和骨料，增大强度的变异系数，进而降低抗压强度。普通透水混凝土在抗压强度试验中，破坏时通常以骨料个体为单位进行脱落，试样完整性较差。但试验配合比透水混凝土在抗压强度试验中，破坏以局部脱落为主，且破坏时整体性较好（见图），与普通透水混凝土抗压破坏不同。立方体抗压强度极差和方差分析如表 所示。由表 可知，成型过程中的若干因素对透水混凝土的影响按重要程度排序为：搅拌时间、人工插捣次数、装模次数、击实次数。其中搅拌时间同样对抗压强度影响最大，这与孔隙率的分析结果一致。但搅拌时间对应的最佳水平为，与孔隙率最佳水平 的结果相反，满足孔隙率与抗压强度成反相关的关系。结果显示 ，其值最大，远超过 ，也说明了搅拌时间对抗压强度的影响非 施工技术（中英文）第 卷 表 立方体抗压强度极差和方差分析 因素搅拌时间 击实次数 装模次数 人工插捣次数 矫正值 注：图 透水混凝土抗压破坏 常显著。此外 ，说明人工插捣对抗压强度影响较显著，随着插捣次数的增加，抗压强度增强。而人工插捣等方式减少了试件成型过程中所含的空气，再次验证了成型过程中的若干因素是通过改变孔隙率来影响性能的，孔隙率与透水混凝土的各项性能有直接关系。最终，试验得到抗压强度最佳成型组合为：加水后搅拌，顶部击实 次，分 次装模，人工插捣 次。孔隙率与抗压强度的关系 试验表明，孔隙率与透水混凝土的基本物理力学性能有直接关系。孔隙率越大骨料间的接触面积越小，骨料间形成的骨架孔隙受力结构就越疏松，抗压强度越小。研究表明，多孔材料的孔隙率与抗压强度间可用函数关系描述，这种函数关系称为孔隙强度模型。为更好地接近实际，以孔隙率为变量，通过线性拟合的方式探究孔隙率与抗压强度的函数关系，如式（）、图 所示。，（）由图 可知，抗压强度与孔隙率成线性关系，随孔隙率的增大而减小。拟合结果 。同时依照现有，种孔隙强度理论模型进行对比分析，种模型分别以幂函数、指数型函数、线性函数的形式反映了孔隙率与抗压强度的关系，如表，图 所示。图 孔隙率抗压强度关系 表 孔隙率抗压强度模型 研究者孔隙率抗压强度模型 （）（）注：为抗压强度；为孔隙率；，为常数图 孔隙率抗压强度关系对比 由图 可知，以上 种孔隙强度模型拟合效果较好，均为 左右，随着孔隙率的增大，抗压强度实际趋势均基本满足拟合方程。具体参数取值如下：，（）汪雄杰等：成型过程中若干因素对透水混凝土性能的影响研究 ，（）（），（）式中：为。由式（）及上述 种孔隙强度模型可看出，透水混凝土的抗压强度均可通过函数与孔隙率建立关系，且随着孔隙率的变化二者大致成负相关关系（见图，），在实际工程中，可通过式（）以透水混凝土的孔隙率来推算其抗压强度。结语 ）透水混凝土孔隙率影响因素敏感性从大到小为：搅拌时间、装模次数、击实次数、人工插捣，其最佳因素组合为：搅拌，击实 次，次性装模，插捣 次；透水混凝土抗压强度影响因素敏感性从大到小为：搅拌时间、人工插捣次数、装模次数、击实次数，其最佳因素组合为：搅拌，顶部击实 次，分 次装模，人工插捣 次。）由极差和方差分析可知，在各种成型因素中，搅拌时间是影响透水混凝土孔隙率、抗压强度等最重要的因素，因此建议实际工程中严格控制搅拌时间。同时也证明了配合比一定时，可通过控制透水混凝土的搅拌时间等因素控制其孔隙率，进而影响其抗压强度等性能。）根据孔隙率与抗压强度的负相关关系，建立函数模型，其拟合相关性较好。同时对比了 种经验公式，均在 左右。参考文献：范伟透水混凝土研究进展材料导报，（）：，（）：彭保发，石忆邵，王贺封，等城市热岛效应的影响机理及其作用规律 以上海市为例地理学报，（）：，：，（）：，：付放华，朱祥，刘小兵，等生态型透水混凝土的试验研究混凝土，（）：，（）：吴冬，刘霞，吴小强，等成型方式和砂率对透水混凝土性能的影响混凝土，（）：，（）：宋中南，石云兴露骨料透水路面在奥运工程中的应用施工技术，（）：，（）：张朝辉，王沁芳，杨娟透水混凝土强度和透水性影响因素研究混凝土，（）：，（）：郑木莲，陈拴发，王秉纲基于正交试验的多孔混凝土配合比设计方法同济大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：，杨婷惠骨料对透水混凝土强度和透水性影响试验研究绵阳：西南科技大学，：，张炯，明瑞平，代朝霞，等透水混凝土渗透性能及堵塞研究综述混凝土，（）：，（）：，：，（）：侯利军，沈逢春，刘后虎，等路用高性能聚合物透水混凝土试验研究硅酸盐通报，（）：，（）：王玲玲，谢宇航，司晨玉，等 透水混凝土制备与性能研究混凝土，（）：，（）：杨福俭外掺 纤维和硅灰透水混凝土抗冻性能影响因素研究绵阳：西南科技大学，：，陈代果，马宏昊，姚勇，等基于正交分析法的透水混凝土抗冻性能试验研究施工技术，（）：，（）：，（下转第 页）刘 玲：混凝土裂缝自愈合技术机理及表征评价体系研究 ，：，（，），（）：，（）：，：，（）：，：，（），：，（）：，：，：，：，（）：，（）：，（，），（）：，：，：，：，：，：，（）：，：，：（，），（）：，（，），（）：（上接第 页）向君正，宋慧，冷梦辉，等透水混凝土冻融剥蚀成因分析硅酸盐通报，（）：，（）：，王艳，张爱珍，任春生正交试验设计与优化的理论基础与应用进展分析试验室，（）：，（）：，（）：，（）：