基于正交試驗(yàn)的透水混凝土配合比設(shè)計(jì)

趙彥，陳忠玉，張浩杰，何銳波，姜超，李群龍，陳偉

（云南建投曲靖建材有限公司，云南 曲靖 655000）

0 前言

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，云南省曲靖市在建設(shè)過程中大量硬化路面、地面以及不透水地面不斷增多，導(dǎo)致曲靖市區(qū)內(nèi)澇嚴(yán)重，逢雨必淹，不斷上演“看?！本坝^[1]。對(duì)此，昆明市制定了《曲靖市中心城市海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃》，明確了曲靖市從近期 2016 年至2020 年，遠(yuǎn)期 2021 至 2030 年的規(guī)劃期限，規(guī)劃《曲靖市麒沾馬一體化總體規(guī)劃》中心城區(qū)范圍，建設(shè)用地183m2，研究范圍為中心城區(qū)及壩區(qū) 1450m2。

針對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)和城市內(nèi)澇災(zāi)害的問題，尋求環(huán)境友好型材料的過程中，由于透水混凝土良好的透氣、透水性以及降溫功能將廣泛的應(yīng)用于生態(tài)城市建設(shè)[3]。孟宏睿等[4]分析了水灰比和灰骨比對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度和透水性的影響和關(guān)系，在不摻外加劑的情況下配制出了強(qiáng)度為 24.5MPa、透水系數(shù)為 2.8mm/s 的透水混凝土。透水混凝土配合比設(shè)計(jì)方面，鄭木蓮等[5]通過水泥用量、水灰比及集料級(jí)配三個(gè)因素的正交試驗(yàn)結(jié)果，提出透水混凝土配合比設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式法。Joshaghani A等[6]開展了透水混凝土密度、孔隙率及抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，隨著骨料粒徑的增大，透水混凝土的孔隙率隨之增大，抗壓強(qiáng)度隨之下降，即孔隙率增大導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度下降。透水混凝土的研究和制備也不斷成為行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。

雖然目前對(duì)透水性混凝土已經(jīng)進(jìn)行了較多的研究工作，但不同地區(qū)透水混凝土的應(yīng)用技術(shù)發(fā)展不平衡，且各地原材料差異性較大，在推進(jìn)地區(qū)透水混凝土發(fā)展應(yīng)用過程中，有必要進(jìn)行地區(qū)原材料制備透水混凝土的試驗(yàn)研究。因此，本文根據(jù)云南曲靖地區(qū)原材料的特性，基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)了不同試驗(yàn)配合比，分析了水膠比、骨漿比及機(jī)制砂摻量對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度和孔隙率的影響規(guī)律，以期為云南曲靖地區(qū)透水混凝土的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原材料

（1）水泥：試驗(yàn)中選用 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，云南曲靖雄業(yè)水泥有限公司生產(chǎn)，其物理性能見表1，化學(xué)組成見表2。

（2）骨料：粗骨料為粒徑 5～10mm、10～20mm粒徑的碎石，細(xì)骨料為 0～5mm 機(jī)制砂，云南曲靖青龍尖腦子石業(yè)有限公司生產(chǎn)，技術(shù)指標(biāo)見表3 和表4。

（3）減水劑：PCA-800 型高性能聚羧酸減水劑，云南建投高分子有限公司生產(chǎn)，固含量為 12.1%，減水率為 25.3%。

（4）粘結(jié)劑：北京德昌偉業(yè)建筑工程技術(shù)有限公司生產(chǎn)的 DC-C3 型透水膠結(jié)劑。

表1 P·O42.5 水泥物理性能

表2 P·O42.5 水泥的化學(xué)成分 wt.%

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

參照 CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)范》，體積法設(shè)計(jì)計(jì)算配合比。本文通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究骨漿比、水膠比及機(jī)制砂摻量對(duì)透水混凝土力學(xué)性能和實(shí)際孔隙率的影響，試驗(yàn)中每個(gè)因素設(shè)置三個(gè)水平，三因素三水平，L9(33) 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表如表5、6所示，具體試驗(yàn)配合比見表7。

表3 粗骨料技術(shù)指標(biāo)

表4 細(xì)骨料技術(shù)指標(biāo)

表5 三因素三水平正交試驗(yàn)表

表6 正交表L9(33)

1.3 試件制備與養(yǎng)護(hù)

按照表7 中的配合比，采用“裹砂石法”成型透水混凝土試件，試件尺寸為 150mm×150mm×150mm，成型 2d 后拆模，然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度 (20±2)℃，濕度≥95%）進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，“裹砂石法”攪拌制度如圖1 所示。

圖1 透水混凝土成型攪拌制度

表7 透水混凝土試驗(yàn)配合比 kg/m3

1.4 試驗(yàn)方法

透水混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試參考 GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的要求進(jìn)行。透水混凝土孔隙率試驗(yàn)采用排水稱重法進(jìn)行測(cè)試，先將試件在水中浸泡 24h 后，測(cè)試此時(shí)試件在水中的質(zhì)量M1，取出試件烘干至恒重測(cè)試其質(zhì)量 M2，透水混凝土孔隙率按式 (1) 計(jì)算：

式中：P ——試件孔隙率，%；

V ——試件的體積，cm3；

M1——試件浸泡飽水時(shí)的質(zhì)量，g；

M2——試件干燥時(shí)時(shí)的質(zhì)量，g；

ρt——水在 t℃ 下的密度，g/cm3。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

按照表7 中的配合比成型透水混凝土，分別測(cè)試了試件的抗壓強(qiáng)度和實(shí)測(cè)孔隙率，結(jié)果如表8 所示。

表8 抗壓強(qiáng)度與實(shí)測(cè)孔隙率測(cè)試結(jié)果

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 直觀分析

采用極差法對(duì)表7 中試件的 28d 抗壓強(qiáng)度和實(shí)測(cè)孔隙率的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，極差分析結(jié)果如表9 所示。

表9 正交試驗(yàn)極差分析表

通過表9 可以看出，各因素對(duì) 28d 抗壓強(qiáng)度影響的主次順序?yàn)椋汗菨{比＞機(jī)制砂摻量＞水膠比，各因素的最優(yōu)組合為：骨漿比為 3.15、機(jī)制砂摻量 15%、水膠比為 0.26；各因素對(duì)實(shí)測(cè)孔隙率影響的主次順序?yàn)椋汗菨{比＞水膠比＞機(jī)制砂摻量，各因素的最優(yōu)組合為：骨漿比為 3.30、水膠比為 0.26、機(jī)制砂摻量 5%。不難發(fā)現(xiàn)，骨漿比對(duì) 28d 抗壓強(qiáng)度和實(shí)測(cè)孔隙率具有重要影響，而機(jī)制砂摻量、水膠比對(duì)抗壓強(qiáng)度和實(shí)測(cè)孔隙率具有不同的影響規(guī)律，機(jī)制砂摻量對(duì) 28d 抗壓強(qiáng)度影響大于其對(duì)實(shí)測(cè)孔隙率的影響，而水膠比相反。

2.2.2 方差分析

采用方差分析法對(duì)表8 中試件的 28d 抗壓強(qiáng)度和實(shí)測(cè)孔隙率數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，方差分析結(jié)果分別如表10、表11 所示。

表10 28d 抗壓強(qiáng)度方差分析

表11 實(shí)測(cè)孔隙率方差分析

由表10 中 28d 抗壓強(qiáng)度的方差分析結(jié)果可知，骨漿比的各水平對(duì)試件 28d 抗壓強(qiáng)度的影響最為明顯，其此次為機(jī)制砂摻量和水膠比，機(jī)制砂摻量較水膠比的影響要大。通過表11 中實(shí)測(cè)孔隙率的方差分析結(jié)果可知，骨漿比對(duì)試件實(shí)測(cè)孔隙率的影響最大，而水膠比和機(jī)制砂摻量對(duì)試件實(shí)測(cè)孔隙率沒有顯著影響，但水膠比的影響要大于機(jī)制砂摻量。

結(jié)合表9、表10 及表11 可以發(fā)現(xiàn)，極差分析的結(jié)果與方差分析結(jié)果一致，綜合來看，運(yùn)用云南曲靖地區(qū)原材料進(jìn)行透水混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)的影響順序?yàn)椋汗菨{比＞機(jī)制砂摻量＞水膠比。

3 結(jié)論

（1）對(duì)云南曲靖地區(qū)原材料配制的透水混凝土進(jìn)行了正交試驗(yàn)，并對(duì) 28d 抗壓強(qiáng)度和實(shí)測(cè)孔隙率分別進(jìn)行了極差分析和方差分析，結(jié)果表明，極差分析和方差分析結(jié)果一致。

（2）由極差分析和方差分析可知，骨漿比對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度和實(shí)測(cè)孔隙率的影響最大。

（3）綜合考慮透水混凝土的性能要求，確定透水混凝土的最優(yōu)配合比為：骨漿比 3.15、水膠比 0.26、機(jī)制砂摻量 10%。