基于凍融破壞的透水混凝土配合比優(yōu)化試驗(yàn)研究

王彪東

（建昌縣水利科技推廣中心，遼寧葫蘆島125300）

0 引言

在傳統(tǒng)河道整治工程中，河道護(hù)坡往往通過普通混凝土砌塊或混凝土澆筑的方式處理，從而人為隔絕了河道生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)交換，不利于河道自然生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和改善[1]。面對(duì)這一問題，生態(tài)透水混凝土日益成為當(dāng)前河道整治工程中的常用材料[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(guó)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(guó)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]。在我國(guó)北方寒區(qū)的河道整治工程中，由于透水混凝土內(nèi)部孔隙較多，水分含量較高，在冬季往往會(huì)面臨更為嚴(yán)重的凍融破壞，進(jìn)而影響到工程本身的安全性和耐久性[5]。此次研究采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法，對(duì)河道整治工程用透水混凝土的配合比進(jìn)行優(yōu)化，在保證混凝土透水性等生態(tài)價(jià)值的同時(shí)，盡量提升其凍融條件下的強(qiáng)度和耐久性，為相關(guān)工程建設(shè)提供必要的支持。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 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(duì)混凝土的性能存在顯著影響[6]。此次試驗(yàn)采用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[7]。此次研究選用人工碎石粒徑為5～10 mm，經(jīng)檢驗(yàn)測(cè)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[8]。此次試驗(yàn)采用920U 的半加密硅粉；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。

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)相關(guān)研究，造成透水混凝土凍融破壞的影響因素較多，影響的機(jī)理也相對(duì)比較復(fù)雜，但其中最重要、影響最為顯著的因素有3 個(gè)，分別是水膠比、漿集比及骨料級(jí)配[9]，將這3 個(gè)因素作為主要變量，對(duì)其設(shè)計(jì)不同的因素水平，利用正交試驗(yàn)的方式進(jìn)行試驗(yàn)研究，以獲取不同因素對(duì)混凝土凍融條件下的安全性和耐久性的影響，具體的試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表1 所示。

表1 透水混凝土凍融正交試驗(yàn)表

1.3 試件制作

試件制作使用100 mm×100 mm×400 mm 的長(zhǎng)方體模具。在試件制作之前，首先對(duì)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 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。

1.4 試驗(yàn)方法

為了提高試驗(yàn)的效率，對(duì)制作的試件利用快凍法進(jìn)行凍融試驗(yàn)。具體過程：將制作并養(yǎng)護(hù)完畢的試件在清水中浸泡2 d，然后將試件去除并擦拭干凈表面的水分，靜置24 h 后測(cè)量試件的原始數(shù)據(jù)。利用凍融機(jī)對(duì)試件進(jìn)行7 組，每組10 次，共70 次凍融試驗(yàn)，為了提高試驗(yàn)精度，將每組6 個(gè)試件試驗(yàn)結(jié)果的均值作為該組試驗(yàn)的最終結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量損失

根據(jù)試件的原始質(zhì)量以及每組凍融試驗(yàn)完成之后試件的質(zhì)量，計(jì)算獲取凍融條件下試件的質(zhì)量損失，結(jié)果如表2所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制出圖1，圖2。由表2 和圖1 可知，T1 和T8 兩組試件在試驗(yàn)過程中的質(zhì)量損失最小，均不超過0.100 kg，質(zhì)量損失最大的為T9 組試件，70 次凍融循環(huán)之后的質(zhì)量損失達(dá)到了0.232 kg，剩余幾組試驗(yàn)的結(jié)果比較接近，重量損失在0.100 ～0.200 kg 之間。從圖1 曲線來看，凍融循環(huán)次數(shù)越多，混凝土的質(zhì)量損失越嚴(yán)重。由圖2 可知，質(zhì)量損失率會(huì)隨著水膠比、漿集比和骨料級(jí)配的增大而增大。但是，質(zhì)量損失率隨著水膠比和漿集比的增加先緩慢增加然后急劇增加；而隨著骨料級(jí)配的增大而急劇增大，然后緩慢下降。結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果，T1 組的質(zhì)量損失和質(zhì)量損失率最低，為最優(yōu)組合。

表2 試件質(zhì)量損失試驗(yàn)結(jié)果kg

2.2 動(dòng)彈模量損失

試驗(yàn)過程中，對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)下的試件動(dòng)彈模量進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算出動(dòng)彈模量衰減率。其中，動(dòng)彈模量的試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示，動(dòng)彈模量衰減變化曲線如圖3 和圖4 所示。由表3 可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各組試件的動(dòng)彈模量均呈現(xiàn)出不斷減小的特點(diǎn)。由此可見，凍融循環(huán)會(huì)顯著降低混凝土的動(dòng)彈模量，從而影響到混凝土本身的強(qiáng)度和耐久性。從圖3 可以看出，動(dòng)彈模量的衰減率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而穩(wěn)步增加，在70 次凍融循環(huán)之后，T7 組試件的衰減率最大，為77.51%，其次為T1，衰減率達(dá)到了74.63%，T6組試件的衰減率最小，為40.99%。由此可見，在混凝土試件經(jīng)過70 次凍融循環(huán)之后，其動(dòng)彈模量的下降幅度較大，均在40%以上。結(jié)合質(zhì)量損失率計(jì)算結(jié)果，試件的質(zhì)量損失率相對(duì)較小，均在3%以內(nèi)。動(dòng)彈模量大幅降低是混凝土凍融破壞的主要表現(xiàn)形式，應(yīng)以此為主要依據(jù)進(jìn)行混凝土配合比的優(yōu)化。從圖4 來看，隨著水膠比和漿集比的增大，混凝土試件的動(dòng)彈模量衰減率呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，且均在水平2時(shí)達(dá)到最小值；隨著骨料級(jí)配的增大，試件的動(dòng)彈模量的衰減率呈現(xiàn)出逐漸增大的態(tài)勢(shì)，但是增加的速率逐漸降低。因此，透水混凝土的最優(yōu)配合比應(yīng)為水膠比0.27、漿集比0.40、骨料級(jí)配4.00～8.00 mm。

圖1 質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線

圖2 質(zhì)量損失率隨因素水平變化曲線

表3 試件動(dòng)彈模量試驗(yàn)結(jié)果GPa

圖3 動(dòng)彈模量衰減率隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線

圖4 動(dòng)彈模量衰減率隨因素水平變化曲線

3 結(jié)論

配合比是透水混凝土抗凍融性能的重要影響因素，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化研究具有重要的理論意義和工程價(jià)值。此次研究選擇水膠比、漿集比和骨料級(jí)配3 個(gè)因素，利用室內(nèi)正交試驗(yàn)的方法研究了凍融條件下透水混凝土質(zhì)量損失率和動(dòng)彈模量的變化規(guī)律。結(jié)果顯示，質(zhì)量損失率隨著水膠比和漿集比的增加先緩慢增加然后急劇增加；而隨著骨料級(jí)配的增大而急劇增大，然后緩慢下降。根據(jù)動(dòng)彈模量大幅降低這一混凝土凍融破壞的主要表現(xiàn)形式，認(rèn)為透水混凝土的最優(yōu)配合比應(yīng)為水膠比0.27、漿集比0.40、骨料級(jí)配4.00～8.00 mm。當(dāng)然，混凝土凍融破壞影響因素復(fù)雜多變，文章結(jié)論的科學(xué)性和準(zhǔn)確性有待具體工程實(shí)踐的進(jìn)一步驗(yàn)證。