基于孔隙率的多孔輕集料植被混凝土配合比研究

管斌君

(浙江萬里學院設(shè)計藝術(shù)與建筑學院,寧波 315100)

基于孔隙率的多孔輕集料植被混凝土配合比研究

管斌君

(浙江萬里學院設(shè)計藝術(shù)與建筑學院,寧波 315100)

根據(jù)陶粒形態(tài)、成分較均一,呈球體或橢球體的特點,推導出多孔輕集料植被混凝土理論計算公式,并提出一種新的多孔輕集料植被混凝土配合比設(shè)計方法,即以孔隙率為主要設(shè)計參數(shù),通過公式計算出包裹輕集料的水泥漿厚度和質(zhì)量,調(diào)整水泥漿的水灰比,配置具有一定強度且不流淌的多孔輕集料植被混凝土。

植被混凝土; 孔隙率; 輕集料; 配合比設(shè)計

多孔植被混凝土是一種具有連續(xù)孔隙結(jié)構(gòu)、能讓植被在其中生長的混凝土。該混凝土具有改善生態(tài)條件、保護環(huán)境等優(yōu)點,是國內(nèi)外研究的熱點之一[1,2]。多孔植被混凝土主要由粗集料、水泥、水拌和而成。常見的粗集料有碎石、卵石、輕集料(陶粒)、再生混凝土等。其中多孔輕集料混凝土及植被的總荷載往往在200 kg/m2以下,可用于一些低荷載設(shè)計的既有建筑,比如屋頂綠化等。

從文獻來看,目前多孔植被混凝土還沒有形成統(tǒng)一合理的配合比設(shè)計方法。該文根據(jù)陶粒形態(tài)、成分較均一,呈球體或橢球體,且與水泥漿拌合后,輕集料混凝土顆粒(即多孔輕集料混凝土顆粒)仍呈球體或橢球體的特點,推導多孔輕集料植被混凝土理論計算公式,提出一種新的多孔輕集料植被混凝土配合比設(shè)計方法,并進行試驗驗證。

1 試 驗

1.1 原材料

1)水泥 采用42.5普通硅酸鹽水泥,其物理力學性能見表1。

2)輕集料 寧波本地建材有限公司生產(chǎn)的高強陶粒,表觀密度為0.698×103kg/m3,堆積密度為0.381×103kg/m3。

3)混凝土外加劑 HR脂肪族減水劑,減水率為16%左右。

1.2 方法

1.2.1 強度測試方法

由于多孔輕集料植被混凝土是孔隙結(jié)構(gòu),表面凹凸不平,在進行強度測試時,試樣表面與試驗機壓頭接觸點有限,導致結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布不均勻,產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象,應(yīng)力集中會使試樣在很低的荷載作用下發(fā)生破壞,容易對試驗結(jié)果的準確性產(chǎn)生影響。因此拆模后,需對試樣受壓面用砂漿進行抹面處理,以改善試樣表面狀況,降低抗壓試驗過程中試樣表面與試驗機壓盤之間的摩擦系數(shù),使試樣內(nèi)的應(yīng)力趨向于均勻分布,相應(yīng)提高試樣所能承受的荷載,試驗結(jié)果接近于混凝土強度的真實值[3]。

受壓時,試樣的成型面與受壓面垂直,受壓面150×150 mm2,保持外加力0.1～0.2 MPa的速度,每組測試六個試樣。

1.2.2 孔隙率測試方法

普通混凝土有總孔隙的測定方法,沒有連通孔隙率的概念。該文參考相關(guān)文獻,采用總孔隙率和連通孔隙率指標[4]。

試驗時首先成型好表面平整、外形規(guī)則的試樣,待試樣具有一定強度后,把試樣用吊索固定好,然后放入準備好的水中,水漫過試樣上表面后浸泡24 h,稱取在水中的質(zhì)量;然后烘干試樣至恒重,稱取其在空氣中的質(zhì)量,再將試樣在標準養(yǎng)護的條件下放置24 h,稱取其在空氣中的質(zhì)量。

多孔輕集料植被混凝土的總孔隙率p1和連通孔隙率p2,分別按下式計算

式中,V為試樣的外觀體積;w1為試樣水中浸泡24 h后在水中的質(zhì)量,w2為試樣烘干至恒重的質(zhì)量;w3為試樣在標準養(yǎng)護的條件下放置24 h后在空氣中的質(zhì)量。

2 多孔輕集料植被混凝土理論公式推導和分析

2.1 陶?？紫堵释茖?/p>

與碎石顆粒表面粗糙,形狀大小不一不同的是,多孔輕集料植被混凝土采用的陶粒形態(tài)、成分較均一,呈球體或橢球體,與水泥漿拌合后,陶?；炷令w粒(即多孔輕集料植被混凝土單個顆粒)仍呈球體或橢球體,這為多孔輕集料植被混凝土的模型簡化提供了方便。

由此,我們引入平均當量直徑的概念,以平均當量直徑來代表陶粒和陶?；炷恋钠骄睆??？紤]到體積是直徑3次方,該文隨機取10個陶粒和陶?；炷令w粒,用游標卡尺測量球體或橢球體的尺寸,若是橢球體需先換算成球體當量直徑,然后從大到小排列,取其第四位顆粒當量直徑為平均當量直徑D。

假設(shè)陶粒呈層狀均勻排列,每單位中陶粒顆粒總數(shù)為n,陶粒呈堆積時的體積為

整個空間體積為

因而,自然堆積下的陶粒理論孔隙率為

實測陶粒的孔隙率為45.4%,與理論計算值47.6%比較接近,說明陶粒的形狀、空間排列與理論較相符。

2.2 多孔輕集料植被混凝土孔隙率推導

當陶粒顆粒與水泥漿攪拌后,水泥漿大體均勻分布在陶粒顆粒球體表面,厚度為k,則輕集料混凝土顆粒平均當量直徑為D+k。假設(shè)輕集料混凝土呈層狀均勻排列,每單位中陶粒顆?？倲?shù)為m個,輕集料混凝土的空間體積為

考慮到兩個輕集料混凝土接觸后,形成球缺,如圖1所示。單個球缺體積為

由于k小于D,相比V陶?；炷?V球缺可近似不計。

在計算單個輕集料混凝土空間時,當兩個輕集料混凝土接觸后,輕集料混凝土的平均當量直徑由陶粒的平均當量直徑D增加到D+k,并非D+2k,如圖2所示孔輕集料植被混凝土的體積空間為

所以,多孔輕植被集料混凝土的孔隙率為

在實際攪拌成型時,由于輕集料混凝土之間的接觸不是純粹的4點相切接觸,而是空間隨機,且與成型方式、成型壓力等有關(guān),總的空間體積比理論空間V空間要小,對此提出修正的空間體積

修正系數(shù)α與成型方式有關(guān),取0.85-0.95。當采用不施加壓力、僅靠輕集料混凝土自重成型時(以下簡稱“自重無壓力”),α可考慮取1.0;采用0.1～0.2 Pa壓力壓制成型方式時,α可考慮取0.90。

故修正后的多孔輕集料混凝土計算孔隙率為

2.3 多孔輕集料植被混凝土的水泥漿質(zhì)量推導

假設(shè)陶粒密度為ρ陶粒,水泥漿密度為ρ水泥漿,如圖3所示。

公式(14)沒有考慮當兩輕集料混凝土顆粒接觸形成球缺時,有一部分水泥漿多余出來,但考慮到攪拌的時候需要損耗一部分水泥漿,基本上相抵。

2.4 多孔輕集料植被混凝土孔隙率理論計算及分析

以陶粒平均當量直徑D分別取10 mm、16 mm、20 mm、26 mm,水泥漿厚度k取1 mm、1.5 mm、2 mm,并假設(shè)ρ水泥漿=2.000×103kg/m3(實際ρ水泥漿隨水灰比的不同稍有變動),來計算輕集料混凝土的孔隙率,如表2所示。

由表2可見,當水泥漿的厚度一定時,隨著陶粒平均當量直徑的增大,孔隙率相應(yīng)增大。對于平均當量直徑是10 mm陶粒,即使水泥漿厚度僅為1 mm,其孔隙率理論計算數(shù)值仍很小。關(guān)于多孔輕集料植被混凝土孔隙率最小要求,國內(nèi)尚無明確規(guī)定,但一般多孔植被混凝土的最小孔隙率在25%以上,以保證植被有一個良好的生長空間。所以對于多孔輕集料植被混凝土來說,應(yīng)選擇相對較大顆粒粒徑的陶粒,才能保證一定的水泥漿厚度和孔隙率。

當水泥漿厚度較大時,若按公式(11)計算,當量直徑小的多孔輕集料植被混凝土孔隙率理論計算數(shù)值有可能出現(xiàn)負數(shù),這主要是因為水泥漿已出現(xiàn)流淌現(xiàn)象,輕集料混凝土呈不規(guī)則形狀,而非球體或橢球體,導致上述的計算公式失效。試驗證明,當孔隙率在18%以下時,多孔輕集料混凝土就開始出現(xiàn)明顯的流淌。

3 多孔輕集料植被混凝土配合比設(shè)計試驗及分析

3.1 多孔輕集料植被混凝土配合比設(shè)計

由公式(11)、(14)可知,對于多孔輕集料植被混凝土,若確定其孔隙率ρ,可計算出水泥漿的厚度k,確定水泥漿的質(zhì)量m水泥漿,然后通過調(diào)整水泥漿的水灰比,配置具有一定強度且不出現(xiàn)流淌的多孔輕集料植被混凝土。這為多孔輕集料植被混凝土配合比設(shè)計提供了新的思路。具體如下:

1)選擇陶粒,計算其平均當量直徑D、表觀密度ρ陶粒和m陶粒。

2)確定多孔輕集料目標孔隙率p,比如28.0%。

3)根據(jù)公式(11)計算出水泥漿的厚度k。

4)事先求出不同水灰比下水泥漿密度ρ水泥漿,根據(jù)公式(14)計算水泥漿的質(zhì)量m水泥漿。

5)調(diào)整水灰比,試驗是否出現(xiàn)流淌現(xiàn)象,測試其強度、孔隙率,從中選擇合適的水灰比,并計算出水泥用量m水泥和拌合水用量m水。

6)驗證多孔輕集料混凝土配合比(水∶水泥∶陶粒=m水∶m水泥∶m陶粒)。

3.2 多孔輕集料植被混凝土配合比設(shè)計試驗

選擇平均當量直徑為18.3 mm、22.4 mm和27.6 mm的3種陶粒,目標總孔隙率為28.0%(α=0.9),配合比設(shè)計見表3,試驗結(jié)果見表4,其中B1、C1組采用自重無壓力和壓制成型兩種成型方式,其他組采用壓制成型方式。

3.3 試驗分析

由表(3)、表(4)可知:

1)總孔隙率由連通孔隙率和內(nèi)部孔隙組成。對植被來說,因為內(nèi)部孔隙無法利用,連通孔隙率比總孔隙率更為確切。而對于公式(11)的理論孔隙率來說,應(yīng)采用總孔隙率指標與之比較。

采用壓制成型方式時,上述各組實測總孔隙率與理論孔隙率計算結(jié)果(修正系數(shù)α=0.9)接近,差異在±1.5%之內(nèi),說明該文推導的多孔輕集料植被混凝土孔隙率理論計算方法比較符合實際。

當采用自重無壓力成型方式時,實測孔隙率比理論孔隙率計算結(jié)果要低一些,這主要是因為即使不施加壓力、僅靠輕集料混凝土自重成型,輕集料混凝土之間也不可能呈層狀排列,故修正系數(shù)α應(yīng)小于1。

2)一般來說,在相同輕集料粒徑和級配下,水泥漿厚度越大,強度相對越高,但隨之孔隙率減少。另一方面,當水泥漿厚度一定時,強度隨輕集料粒徑的增加而減少。

采用基于孔隙率的多孔輕集料植被混凝土配合比設(shè)計時,水泥漿的厚度隨陶粒的平均當量直徑的增加而增加,從而影響混凝土的強度、流動性等指標。如B組的平均當量直徑為22.4 mm,水泥漿厚度為1.78 mm,分別介于A組和C組,而B組的強度明顯高于A組和C組的強度,說明多孔輕集料植被混凝土的強度主要受輕集料顆粒粒徑、水泥漿厚度等因素影響,需綜合考慮。

由此可見,采用基于孔隙率的多孔輕集料植被混凝土配合比設(shè)計,可比較方便地選擇合適顆粒粒徑的陶粒材料和配合比。

3)采用HR脂肪族高效減水劑后,水泥漿的流動性增加,同時也改善了多孔輕集料植被混凝土的強度。比如B3組28 d的抗壓強度是B2組的115%,C3組28 d的抗壓強度是C2組的113%。值得注意的是,當水泥漿厚度較大時,應(yīng)注意混凝土是否出現(xiàn)流淌現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

a.根據(jù)陶粒形態(tài)、成分較均一,呈球體或橢球體的特點,推導出多孔輕集料植被混凝土孔隙率理論計算公式,試驗表明該理論計算公式與實際較相符。

b.提出一種新的多孔輕集料植被混凝土配合比設(shè)計方法,即以孔隙率為主要設(shè)計參數(shù),通過公式計算出包裹輕集料的水泥漿厚度和質(zhì)量,調(diào)整水泥漿的水灰比,配置具有一定強度且不流淌的多孔輕集料植被混凝土。

c.多孔輕集料植被混凝土的強度主要受輕集料顆粒粒徑、水泥漿厚度等因素影響,需綜合考慮。采用基于孔隙率的多孔輕集料植被混凝土配合比設(shè)計,可比較方便地選擇合適顆粒粒徑的陶粒材料和配合比。

[1] 馮輝榮,羅仁安,樊建超.綠化混凝土的研究進展[J].混凝土,2005(12):25-28.

[2] 樊建超,羅仁安,馮輝榮.植物相容型生態(tài)混凝土的制備試驗與研究[J].福建林業(yè)科技,2005,32(3):11-14.

[3] 沈 炫.構(gòu)造型多孔植被混凝土的試驗研究[D].湖北工業(yè)大學,2009.

[4] 張朝輝.多孔植被混凝土研究[D].成都:重慶大學,2006.

Research on Mix Ratio of Porous Lightweight Aggregate Vegetation-growing Concrete Based on Porosity

GUAN Bin-jun
(Faculty of Design and Architecture,Zhejiang Wanli University,Ningbo 315100,China)

The theory calculation formula of porous light weight aggregate vegetation-growing concrete was deduced on the basis of light weight aggregate being morphology and uniform composition with sphere or ellipsoid.A new kind of mix ratio design method of porous light weight aggregate vegetation-growing concrete was put forward,that was, putting porosity of concrete as main design parameter and calculating the thickness and quality of cement slurry enwrapped light weight aggregate,then adjusting the water cement ratio of cement slurry and testing,choosing the right porous light weight aggregate vegetation-growing concrete.

vegetation-growing concrete; porosity; lightweight aggregate; mix ratio design

2014-03-27.

寧波市自然基金項目(2011A610081).

管斌君(1976-),實驗師.E-mail:13625841556@qq.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.03.007