基于正交試驗法的透水混凝土性能影響研究

巫廣義，徐鋒，王曙光，李威威

（南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211800）

0 引言

近年來，在城鎮(zhèn)化的大背景下，海綿城市的建設(shè)模式對緩解洪澇積水、河流水系生態(tài)惡化、水污染加重等問題的作用尤為突出[1]。而透水混凝土正是符合“海綿城市”理念的一種重要的綠色建筑材料，一方面，能夠增加城市可透水、透氣面積，吸聲降噪，有利于緩解城市“熱島現(xiàn)象”；另一方面，可以有效地解決水質(zhì)污染，水生物棲息地喪失等多種水生態(tài)問題[2]。

透水混凝土是由特定級配的骨料、水泥、水、外加劑和摻合料等按特定比例經(jīng)特殊工藝制成的具有連續(xù)孔隙的多孔混凝土[3]。因多孔混凝土是由粗骨料的周圍包裹水泥混凝土最終而形成的堆聚結(jié)構(gòu)[4]，但其良好的透水性和高強度難以兼得。故在相同粒徑粗骨料的前提下，改變摻合料的種類，從微觀上改善骨料之間的粘結(jié)強度和接觸面積，最終提升透水混凝土的性能[5]。納米二氧化硅作為提高混凝土性能使用最廣泛的納米材料，具有作為超細添加劑在膠凝體系中改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料的特性。納米二氧化硅不僅表現(xiàn)為填充骨料，改善結(jié)構(gòu)，而且作為混凝土反應(yīng)的催化劑，提高了水化產(chǎn)物的形成，所以作為膠結(jié)材料添加到混凝土中能夠顯著提升力學(xué)性能和改善微觀結(jié)構(gòu)[6]。本研究基于正交試驗法，通過測試不同配合比下透水混凝土的抗壓強度、有效孔隙率及透水系數(shù)，得出影響透水混凝土性能的主次因素，同時對透水混凝土的性能進行回歸計算。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥：南京海螺水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5水泥，物理力學(xué)性能見表1。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

（2）骨料：南京本地產(chǎn)不同粒徑的石灰?guī)r碎石，性能指標見表2。

表2 碎石的性能指標

（3）納米二氧化硅：上海麥克林生化科技有限公司生產(chǎn)，性能指標見表3；粉煤灰：南京江海粉煤灰公司生產(chǎn)的Ⅰ級低鈣灰，性能指標見表4。

表3 納米二氧化硅的性能指標

表4 粉煤灰的性能指標

（4）減水劑：濟南鑫正化工生產(chǎn)的FDN-C萘系高效減水劑，減水率約為28%；水：自來水。

1.2 試驗配合比

采用L16（45）的正交試驗，研究目標孔隙率、水膠比、骨料粒徑、納米二氧化硅摻量（按占膠凝材料質(zhì)量計）及粉煤灰摻量（按占膠凝材料質(zhì)量計）5個因素對透水混凝土力學(xué)和物理性能的影響。正交試驗因素水平見表5，正交試驗設(shè)計及透水混凝土具體配合比見表6。

表5 正交試驗因素水平

表6 正交試驗設(shè)計及透水混凝土具體配合比

1.3 試件制備及成型工藝

1.3.1 制備過程

透水混凝土制備采用分批投料的方法，先將水泥、粉煤灰添加到強制式攪拌機內(nèi)攪拌30 s，使其混合充分。與此同時將與自來水充分混合的納米二氧化硅加入到攪拌機與骨料拌合1 min，最后再加入減水劑拌合2 min。納米二氧化硅不與其它摻合料一同干拌的原因是容易出現(xiàn)結(jié)塊、團聚的現(xiàn)象，不能充分發(fā)揮其性能。故需要將納米二氧化硅充分溶于水再進行拌合。

1.3.2 成型工藝

對于一般混凝土采用長時間振動與插搗密實的方法完成成型，而透水混凝土并不能采用這種成型工藝[7]。故本試驗在王敏等[8]研究的擊實法基礎(chǔ)上外加振動臺輕微振動的成型工藝，在不損失透水率的情況下同時也提高了透水混凝土自身的力學(xué)性能。成型完成后用塑料薄膜封住試件表面，防止水分蒸發(fā)，減少混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)。成型24 h后拆模，然后立刻放入溫度21℃、相對濕度95%的標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護。

1.4 測試方法

抗壓強度：參照GB 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》，對養(yǎng)護28 d的150 mm×150 mm×150 mm透水混凝土試塊進行抗壓強度測試，測試儀器為深圳三思公司的YAW-3000L型壓力機。

孔隙率：參照GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》中的排水法進行測試。

透水系數(shù)測試：本試驗自制透水混凝土透水系數(shù)測試儀示意和實物如圖1所示。

圖1 透水系數(shù)測試裝置示意和實物

將量筒套在透水混凝土試塊上面，量筒與透水混凝土試塊之間用蠟封住，以免水流出影響透水系數(shù)的測試。試驗開始時向量筒內(nèi)注水，當量筒內(nèi)的水超過刻度160 mm時停止加水，當液面降至160 mm時開始計時，液面到達140 mm時，記時間為T1，當液面降為0mm時，記為T2。透水系數(shù)按式（1）計算：

式中：K——透水系數(shù)，mm/s；

h2——初始高度，mm；

h1——最終高度，mm；

A1——量筒的截面面積，mm2；

A2——試塊的截面面積，mm2；

T2——時間差，s。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 正交試驗結(jié)果及極差分析

正交試驗結(jié)果見表7，極差分析見表8。

表8 正交試驗極差分析

從表8可以看出：

（1）對于28 d抗壓強度：①目標孔隙率為影響透水混凝土抗壓強度的主要因素，隨著目標孔隙率的增大，抗壓強度呈線性降低趨勢。原因是目標孔隙率增大時，其內(nèi)部孔隙也隨之增大，骨料與骨料之間的接觸面積減少，間接地導(dǎo)致了透水混凝土的不密實，致使抗壓強度降低。②隨著水膠比的增大，抗壓強度先提高后降低。當透水混凝土的水膠比較小時，膠凝材料不能充分水化，導(dǎo)致水化產(chǎn)物不能很好地包裹在骨料的周圍，降低了透水混凝土的抗壓強度。③隨著骨料粒徑的不斷增大，抗壓強度呈現(xiàn)降低趨勢。因骨料的粒徑越大，其密實度越差，增加了透水混凝土的連通孔隙率，導(dǎo)致抗壓強度降低。④隨著納米二氧化硅和粉煤灰摻量的增加，抗壓強度均呈現(xiàn)出先提高后降低的趨勢，抗壓強度最高分別提高了12.13%和5.1%。是因為納米二氧化硅和粉煤灰的摻入對于粗骨料粘結(jié)面起了微填充效應(yīng)，在宏觀上能夠提升其力學(xué)性能。綜上，對于透水混凝土抗壓強度影響的主次因素為：目標孔隙率＞骨料粒徑＞水膠比＞納米二氧化硅摻量＞粉煤灰摻量。結(jié)合極差分析結(jié)果來看，各因素的最佳條件組合為：目標孔隙率為10%，水膠比為0.29，骨料粒徑為3～5 mm，納米二氧化硅摻量為5%，粉煤灰摻量為30%，并且對于有較高抗壓強度要求的地區(qū)可采用以上組合，以可獲得較好的抗壓強度效果。

（2）對于透水系數(shù)：①目標孔隙率為影響透水混凝土透水系數(shù)的主要因素，隨著目標孔隙率的增大，透水系數(shù)呈線性增大的趨勢。這是因為，隨著透水混凝土設(shè)計孔隙率的增大，必然造成透水混凝土內(nèi)部連通孔隙的增加，透水系數(shù)必然也呈增大趨勢。②當水膠比逐漸增大時，透水混凝土的透水系數(shù)呈現(xiàn)出減小趨勢。主要因為，當水膠比較小時，膠凝材料用量相對增加，導(dǎo)致不能充分水化，新拌混凝土流動性變差，在透水混凝土成型過程中孔隙增多，透水系數(shù)也較大。反之，當水膠比增大時，透水系數(shù)則隨之減小。③隨著骨料粒徑的增大，透水系數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢。主要是因為透水系數(shù)是由試塊的連通孔隙率決定的，而連通孔隙率又是由骨料粒徑?jīng)Q定的，故骨料粒徑的增大會導(dǎo)致透水系數(shù)也同時增大。④隨著納米二氧化硅和粉煤灰的摻入，透水系數(shù)變化并不大。這是由于，納米二氧化硅和粉煤灰的比表面積都大于水泥，透水系數(shù)與粗骨料之間的大孔隙相關(guān)，納米二氧化硅和粉煤灰粒徑較小，對于孔隙率的影響不大，故透水混凝土透水系數(shù)基本處于穩(wěn)定范圍。綜上，對于透水混凝土透水系數(shù)影響的主次因素為：目標孔隙率＞骨料粒徑＞水膠比＞粉煤灰摻量＞納米二氧化硅摻量。結(jié)合極差分析結(jié)果來看，各因素的最佳條件組合為：目標孔隙率為25%，水膠比為0.26，骨料粒徑為15～20 mm，納米二氧化硅摻量為7%，粉煤灰摻量為40%，對于在降水量較大的地區(qū)，采用以上的組合可獲得較好的透水效果。

（3）對于實測孔隙率：由于透水混凝土的透水系數(shù)與孔隙率有較好的相關(guān)性，故各因素對孔隙率的影響趨勢與對透水系數(shù)的影響基本一致，各因素的影響順序同樣為：目標孔隙率＞骨料粒徑＞水膠比＞粉煤灰摻量＞納米二氧化硅摻量。結(jié)合極差分析結(jié)果來看，各因素的最佳組合為：目標孔隙率為25%，水膠比為0.26，骨料粒徑為15～20 mm，納米二氧化硅摻量為3%，粉煤灰摻量為40%。將透水混凝土實測孔隙率與設(shè)計孔隙率進行對比分析可以得出，設(shè)計孔隙率與實測孔隙率基本一致。

2.2 數(shù)據(jù)擬合與回歸分析

將透水混凝土的抗壓強度、實測孔隙率和透水系數(shù)分別進行多項式擬合，結(jié)果見圖2，擬合關(guān)系式分別見式（2）～式（4）。

圖2 透水混凝土抗壓強度、實測孔隙率和透水系數(shù)的擬合曲線

透水系數(shù)與抗壓強度的擬合關(guān)系式：

孔隙率與抗壓強度的擬合關(guān)系式：

孔隙率與透水系數(shù)的擬合關(guān)系式：

從圖2以及式（2）～式（4）可以看出，本研究透水混凝土的抗壓強度、透水系數(shù)以及孔隙率間都具有較好的相關(guān)性。

3 結(jié)論

（1）通過正交試驗分析了4個因素對透水混凝土性能的影響，得到了最有利因素水平。對于有較高抗壓強度要求的地區(qū)，透水混凝土可以選用配比為：目標孔隙率10%、水膠比0.29，骨料粒徑3～5 mm，納米二氧化硅摻量5%，粉煤灰摻量30%。對于降水量較大的地區(qū)，透水混凝土可以選用配比為：目標孔隙率25%、水膠比0.26、骨料粒徑15～20 mm、納米二氧化硅摻量7%、粉煤灰摻量40%。

（2）目標孔隙率、水膠比和骨料粒徑這3個因素對透水混凝土性能的影響較大，納米二氧化硅和粉煤灰作為膠凝材料可以在不影響透水混凝土透水性能的基礎(chǔ)上提升其抗壓強度。

（3）透水混凝土抗壓強度、實測孔隙率和透水系數(shù)三者之間具有較好的相關(guān)性。