基于正交試驗(yàn)的凈漿透水混凝土最佳配合比研究

姜男

（岫巖滿族自治縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧岫巖114300）

1 概況

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市規(guī)模的不斷擴(kuò)張，城市路面和場地逐漸被水泥和瀝青等阻水材料鋪設(shè)[1]。這種鋪設(shè)方式雖然帶來了諸多便利，但是也存在諸多不足之處，主要是阻斷了降雨和地下水之間的關(guān)系，不僅會(huì)誘發(fā)更多的城市內(nèi)澇，還會(huì)影響到區(qū)域內(nèi)的水循環(huán)和生態(tài)環(huán)境[2]。透水混凝土的出現(xiàn)成為解決上述問題的有效措施，逐漸受到人們廣泛的關(guān)注，并在相關(guān)工程建設(shè)中大力推廣[3]。透水混凝土最早出現(xiàn)于建筑技術(shù)比較發(fā)達(dá)的西方國家，并在當(dāng)?shù)氐牡孛驿佈b以及河道工程建設(shè)中得到了十分廣泛的應(yīng)用。從國內(nèi)的情況來看，受到各方面因素的影響，透水混凝土的研究和應(yīng)用起步較晚，諸多工程技術(shù)問題也沒有得到有效的解決，特別是透水性和強(qiáng)度之間的矛盾，已經(jīng)成為限制透水混凝土推廣應(yīng)用的重要因素[4]?；诖耍挛耐ㄟ^基于凈漿的透水混凝土配合比優(yōu)化試驗(yàn)研究，為高強(qiáng)度透水混凝土的制備和應(yīng)用提供支持和借鑒。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料

水泥是混凝土的重要組成部分和主要膠凝材料，對混凝土的性能存在顯著影響。此次試驗(yàn)采用的是本溪市紅星水泥廠出品的P·O42.5 普通硅酸鹽水泥。試驗(yàn)研究使用的粗骨料是石灰?guī)r人工碎石，鑒于骨料粒徑是透水混凝土強(qiáng)度和透水性的重要影響因素，粗骨料的粒徑越大混凝土的透水性就越好，但是強(qiáng)度也會(huì)隨之降低[5]。此次研究選用人工碎石粒徑為5～10 mm，經(jīng)檢驗(yàn)測定，試驗(yàn)用粗骨料質(zhì)地堅(jiān)硬，具有良好的高溫穩(wěn)定性，滿足相關(guān)技術(shù)要求。

研究中，在水泥漿中摻入一定比例的硅粉，其目的是提高混凝土的強(qiáng)度，同時(shí)降低透水混凝土的制備成本[6]。此次試驗(yàn)采用的是920U 半加密硅粉；試驗(yàn)用礦粉為本鋼集團(tuán)有限公司出品的高爐礦渣礦粉；試驗(yàn)用膠粉為唐山宏光建材科技有限公司出品的防水膠粉；試驗(yàn)用減水劑為聚羧酸高效減水劑。

2.2 試驗(yàn)方案

為了提高混凝土的水化反應(yīng)度和粘結(jié)性能，在混凝土中摻入一定量的礦粉、硅粉和膠粉[7]。因此，試驗(yàn)中設(shè)計(jì)參數(shù)為水膠比、礦粉、硅粉和膠粉的摻量，減水劑的摻量暫定為0.3%，試驗(yàn)中根據(jù)實(shí)際拌合狀態(tài)進(jìn)行微調(diào)，并設(shè)計(jì)出如表1 所示的正交試驗(yàn)方案。

2.3 試驗(yàn)過程

試件制作使用的是內(nèi)徑100 mm，高100 mm的圓柱形模具。在試件制作之前，首先對模具內(nèi)部進(jìn)行清理，并擦拭干凈，然后涂抹一層脫模劑。將按照表1 中的不同試驗(yàn)方案制作的透水混凝土倒入模具，在高度達(dá)到模具一半時(shí)進(jìn)行插搗，然后再倒入混凝土并插搗密實(shí)，最后抹平試件的上表面。將制作好的試件在常溫下靜置24 h 后脫模，然后放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d。為了提高試驗(yàn)精度，每種試驗(yàn)方案制作6 個(gè)試件，以其試驗(yàn)結(jié)果的均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

2.4 試驗(yàn)方法

將養(yǎng)護(hù)完畢的試件取出擦凈水分，進(jìn)行滲透系數(shù)試驗(yàn)，試驗(yàn)利用上海東方試驗(yàn)儀器廠生產(chǎn)的透水系數(shù)測定儀器測定；抗壓強(qiáng)度采用液壓萬能壓力機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)測定，測定的依據(jù)主要是GB 50010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 配合比試驗(yàn)綜合分析

顯然，透水混凝土的透水系數(shù)和抗壓強(qiáng)度是評價(jià)其性能最重要的兩個(gè)指標(biāo)。因此，研究中通過上述指標(biāo)進(jìn)行配合比的優(yōu)選和確定，使凈漿透水混凝土在保持較高強(qiáng)度的前提下，具有一定的透水率。根據(jù)試驗(yàn)過程中獲得的數(shù)據(jù)，整理出如圖1、圖2和圖3 所示的不同水膠比、礦粉摻量和硅粉摻量條件下的試件抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)變化曲線。

由圖1 可知，隨著水膠比的增大，試件的抗壓強(qiáng)度呈不斷減小的趨勢，而試件的透水系數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的變化特征。因此，從抗壓強(qiáng)度的角度來看，最佳水膠比為0.25，從透水系數(shù)來看，最佳水膠比應(yīng)為0.30。兩者相比，水膠比為0.25 時(shí)試件的抗壓強(qiáng)度值明顯偏大，且透水性能夠滿足一般工程設(shè)計(jì)的要求，因此最佳水膠比應(yīng)該為0.25。

圖1 水膠比影響曲線

圖2 礦粉摻量影響曲線

圖3 硅粉摻量影響曲線

由圖2 可知，隨著礦粉摻量的增大，試件的抗壓強(qiáng)度呈不斷增大的變化特征，而試件的透水系數(shù)呈現(xiàn)出不斷減小的變化特征。從增加變化的速率上看，隨著礦粉摻量的增大，透水系數(shù)略有降低，但是強(qiáng)度的提升幅度較大。因此，兩者綜合考慮，最佳礦粉摻量應(yīng)該為30%。

由圖3 可知，隨著硅粉摻量的增大，試件的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化特征，而試件的透水系數(shù)呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特征?？傮w來看，5%水平硅粉摻量滲透系數(shù)雖然相對較低，但完全可以滿足透水工程要求，同時(shí)抗壓強(qiáng)度明顯較高。因此，兩者綜合考慮，最佳硅粉摻量應(yīng)該為5%。

綜上，凈漿透水混凝土的最佳組合為水膠比0.25、礦粉摻量30%、硅粉摻量5%。其對應(yīng)的透水混凝土最優(yōu)配合比為：水泥272.5 kg/m3，石子1 557.0 kg/m3，礦粉125.8 kg/m3，硅粉21.0 kg/m3，水104.8 kg/m3，減水劑0.84 kg/m3。

3.2 抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)之間的關(guān)系擬合

擬合與回歸分析是試驗(yàn)研究中十分常用的兩種方法，特別是其獲得的經(jīng)驗(yàn)公式對指導(dǎo)應(yīng)用具有重要的價(jià)值。研究中利用試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)，對透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行擬合分析，結(jié)果如圖4 所示。結(jié)果顯示抗壓強(qiáng)度y 和透水系數(shù)x 之間的關(guān)系可以用二次函數(shù)表達(dá)，其表達(dá)式如下，相關(guān)系數(shù)R2=0.768 7。

圖4 抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)之間的擬合曲線

雖然擬合結(jié)果并不是特別理想，但是仍可以驗(yàn)證隨著透水系數(shù)的增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度就越小的理論推定。究其原因，混凝土透水系數(shù)增大，孔隙率就必然增大，而混凝土本身的密實(shí)度必然會(huì)降低，因此抗壓強(qiáng)度就會(huì)變小。所以，在實(shí)際工程應(yīng)用過程中，需要在兩者之間進(jìn)行兼顧和選擇。當(dāng)然，在透水混凝土的工程制備過程中，影響透水系數(shù)的因素是多方面的。例如，漿體能夠均布于骨料的表面，不僅會(huì)增加漿體材料和骨料的粘結(jié)力，同時(shí)也會(huì)減少多余漿液對孔隙的堵塞，進(jìn)而可以獲得強(qiáng)度高、透水性能好的混凝土材料。

4 結(jié)論

此次研究以正交試驗(yàn)的方法，對基于凈漿的透水混凝土最佳配合比設(shè)計(jì)展開試驗(yàn)研究，獲得的主要結(jié)論如下：

1）透水混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著水膠比的增大而減小，而透水系數(shù)隨著水膠比的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的特征；

2）透水混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著礦粉摻量的增大而增大，而試件的透水系數(shù)隨著礦粉摻量的增大而減??；

3）透水混凝土試件的抗壓強(qiáng)度隨著硅粉摻量的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化特征，而試件的透水系數(shù)則呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特征；

4）凈漿透水混凝土的最佳組合為水膠比0.25，礦粉摻量30%，硅粉摻量5%；

5）抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)之間的關(guān)系擬合結(jié)果顯示，透水混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著透水系數(shù)的增大而減小。