多孔隙混凝土配比試驗(yàn)及應(yīng)用的研究

張歡歡

(鄭州財(cái)經(jīng)學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450000)

1 研究目的

本研究的目的在于解決配比設(shè)計(jì)過程中所可能遇到的困難，并藉由基本物性試驗(yàn)，提供設(shè)計(jì)及施工單位一系列配比設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，以便應(yīng)用參考。

2 配比試驗(yàn)方法

本研究配比試驗(yàn)方法采用重量比例法。

2.1 試驗(yàn)材料

粗骨材，水泥，自來水。

2.2 粗骨材基本物性試驗(yàn)

與多孔隙混凝土相關(guān)的粗骨材相關(guān)物性包括形狀系數(shù)、單位重、吸水率等。

2.2.1 骨材的形狀系數(shù)

骨材的球度指數(shù)、扁平指標(biāo)、三軸形狀系數(shù)可由以下公式求得。

三軸形狀系數(shù):

扁平指標(biāo)：

球度指數(shù):

式中，a為骨材的最長軸；b為骨材的中間軸；c為骨材的最短軸。

2.2.2 單位重

混合骨材單位重：

式中，Wg為量桶內(nèi)試樣重；V為量桶體積。

2.3 垂流試驗(yàn)

以垂流量與水灰比的關(guān)系曲線，決定該骨材級(jí)配在固定漿骨比條件下的最大水灰比。

粗骨材粒徑：25～37.5 mm。

填漿比例(簡稱漿骨比)：在不填滿孔隙情形下，漿骨比由0.1至R區(qū)間內(nèi)，每增加0.1間距，取7種漿骨比。

水灰比：水灰比由0.25～0.4，先取0.25進(jìn)行拌和，分別為0.25、0.3、0.35及0.4，至少得出7種垂流量與水灰比關(guān)系值。

2.4 多孔隙混凝土物理及工程性質(zhì)試驗(yàn)

2.4.1 圓柱試體制作

多孔隙混凝土圓柱試體與一般混凝土圓柱試體制作方式類似，采用輕搗實(shí)方式進(jìn)行，避免振動(dòng)太大造成額外垂流量。

粗骨材粒徑：25～37.5 mm。

漿骨比：漿骨比0.1時(shí)骨材漿料有包覆不全情形，圓柱試體制作部分的漿骨比下限值為0.1，依序?yàn)?.2、0.3、0.4、0.5、0.6及0.7。

水灰比：據(jù)垂流量試驗(yàn)結(jié)果找出最佳水灰比。設(shè)粗骨材重量Wb、水泥漿重Wp、水重w、實(shí)際加水量Ww、水泥重C、粗骨材表面含水率a、漿骨比R、水灰比W/C、干粗骨材重量為Wa。

a=(Wb-Wa)/Wa

2.4.2 孔隙率試驗(yàn)

試體浸入水中24 h以上，在水中稱重WS，而后在空氣中靜置24 h以上，空氣中稱重WG?？紫堵蕿関，試體體積為Vt，水密度為ρW，計(jì)算如下：

2.4.3 透水試驗(yàn)

2.4.4 抗壓強(qiáng)度

2.4.5 劈裂試驗(yàn)

本試驗(yàn)的透水混凝土采用水泥混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度來進(jìn)行試驗(yàn)。

式中,P為荷重，kgf；d為透水混凝土圓柱試體的直徑，cm；L為透水混凝土圓柱試體的長度，cm。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 骨材物理特性

3.1.1 形狀系數(shù)

根據(jù)多孔隙混凝土初步澆筑結(jié)果顯示，在相同粒徑范圍的粗骨材，若骨材形狀越趨扁平時(shí)，其膠結(jié)情形越差，會(huì)直接影響多孔隙混凝土的抗壓強(qiáng)度。本試驗(yàn)以抽樣方式直接利用游標(biāo)尺測量試驗(yàn)用骨材三軸直徑，計(jì)算其三軸形狀系數(shù)、扁平指數(shù)及球度指數(shù)等，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 形狀系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

三種試驗(yàn)用粗骨材的三軸形狀系數(shù)均高于0.6，顯示試驗(yàn)用粗骨材形狀已呈近圓形，經(jīng)預(yù)備試驗(yàn)測試結(jié)果，其膠結(jié)情形頗為良好。

3.1.2 單位重

本研究分別就骨材粒徑25～37.5 mm進(jìn)行單位重試驗(yàn)，結(jié)果顯示本研究采用的試驗(yàn)用粗骨材單位重為1 500～1 590 kg/m3，一般混凝土的單位重為2 250～2 350 kg/m3，使用輕質(zhì)骨材拌和的混凝土重為1 600～1 700 kg/m3。

3.1.3 比重與吸水率試驗(yàn)

骨材比重及吸水率試驗(yàn)結(jié)果如下，依據(jù)試驗(yàn)用骨材粒徑的比重和吸水率變化得知，比重為2.4～2.55，而吸水率則為5%～6%。由于吸水率隨粒徑變化而變化，故為確保透水混凝土澆筑不受骨材吸水率影響，本研究規(guī)定：“試驗(yàn)用骨材在澆筑前應(yīng)置于水中24 h以上”，以確保骨材達(dá)到面干內(nèi)飽和的情況，避免骨材吸收漿體中的水分，進(jìn)一步影響工作進(jìn)度及水化時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)比重為2.546，小于常重骨材(比重為2.6～2.7)，故多孔隙混凝土的骨材又可稱為輕質(zhì)骨材。

3.2 最佳水灰比

最佳水灰比由垂流試驗(yàn)結(jié)果分析而得，以避免水泥漿體滲漏至底層而阻塞孔隙。本研究定義“漿體損失率”等于滲漿量除以振動(dòng)前水泥漿總重(水重+水灰重)。

粒徑為25～37.5 mm由垂流試驗(yàn)漿體損失率與水灰比關(guān)系圖，以切線法推估最佳水灰比，可知最佳水灰比與漿體損失率的關(guān)系如表2～3所示。不同漿骨比以及不同粒徑，若水灰比在0.2～0.3可發(fā)現(xiàn)底盤幾乎無滲漿情形。若水灰比超過0.35，則滲漿量將會(huì)造成底盤有滲漿情形發(fā)生；若水灰比低于0.3，則底盤無滲漿情形。

表2 振動(dòng)法的漿體損失率求最佳水灰比(25～37.5 mm)

表3 振動(dòng)法的漿體損失率求最佳水灰比(25～37.5 mm)

3.3 抗壓強(qiáng)度

由于透水混凝土是以不足量漿體澆筑而成，其抗壓強(qiáng)度比一般混凝土低，在工程應(yīng)用上受到一定的制約。本研究利用重量法配制各種水灰比及漿骨比，并澆筑圓柱試體進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以試驗(yàn)骨材粒徑(19～25、25～37.5、37.5～50 mm等)分別就不同水灰比及漿骨比條件下分析其抗壓強(qiáng)度?？箟簭?qiáng)度與水灰比和漿骨比的依存關(guān)系并不顯著，隨著水灰比及漿骨比而有不規(guī)則變化，通常水灰比為0.3～0.35、漿骨比為0.4～0.6時(shí)，其抗壓強(qiáng)度普遍較高；以粒徑分析，粒徑越大者，其抗壓強(qiáng)度越低。粒徑為25～37.5 mm漿骨比與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，漿骨比為0.1～0.7以及水灰比為0.25、0.3、0.35及0.4，由于骨材粒徑越大，其漿體包裹面積變小，因此造成澆筑不均勻而強(qiáng)度變成沒有規(guī)則性可循，漿骨比越高，則強(qiáng)度隨之升高。

3.4 劈裂強(qiáng)度

抗拉強(qiáng)度是透水混凝土重要的工程性質(zhì)之一，本研究采用劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，以掌握其抗拉強(qiáng)度變化。圖1為劈裂強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系。

圖1 水灰比與劈裂強(qiáng)度的關(guān)系(25～37.5 mm)

1)透水混凝土劈裂的破壞模式，通常為錐形及劈裂破壞。

2)當(dāng)粒徑在25～37.5 mm時(shí)，劈裂強(qiáng)度為1.72～17.96 kg/cm2。這顯示骨材粒徑越小，其劈裂強(qiáng)度越高。

3)水灰比對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響不顯著，唯隨著漿骨比增加，劈裂強(qiáng)度普遍提高，說明水灰比并非影響抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度的因素。

4)相較于抗壓強(qiáng)度，多孔隙混凝土劈裂強(qiáng)度相當(dāng)?shù)?，約為抗壓強(qiáng)度的1/10～1/12，不適合作為主要結(jié)構(gòu)構(gòu)造物使用，必須配合其他組合以達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等要求。由圖3顯示出三個(gè)試驗(yàn)現(xiàn)象：①水灰比遞增則劈裂強(qiáng)度提高；②漿骨比提高則劈裂強(qiáng)度也隨之提高；③粒徑越大則劈裂強(qiáng)度越低。

3.5 透水系數(shù)

透水能力是評(píng)價(jià)多孔隙混凝土功能的重要指標(biāo)之一。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果獲得以下幾個(gè)結(jié)論。

1)透水系數(shù)隨著水灰比增加而降低。

2)水灰比相同時(shí)，透水系數(shù)隨漿骨比提高而降低。

3)粒徑為25～37.5 mm時(shí)，透水系數(shù)為1.508～11.374 cm/s。

由此可知，當(dāng)水灰比和漿骨比已知時(shí)，粒徑與透水系數(shù)呈正比例相關(guān)。骨材粒徑愈大，其透水系數(shù)愈高，骨材粒徑愈小，其透水系數(shù)則愈低。且如圖3所示，漿骨比及水灰比兩者都與透水系數(shù)成反比關(guān)系。

3.6 孔隙率

孔隙率指單位體積內(nèi)所含孔隙體積，表征物體內(nèi)部孔隙的多少。根據(jù)試驗(yàn)得出的結(jié)論如下。

1)當(dāng)粒徑在25～37.5 mm時(shí)，孔隙率為37%～0.02%。

2)以水灰比分析，孔隙率與水灰比呈反比例趨勢(shì)，即水灰比越高時(shí)，孔隙率越低。

3)以漿骨比分析，漿骨比越高，孔隙率明顯降低，其變化趨勢(shì)較水灰比明顯，顯示漿骨比對(duì)孔隙率的影響高于水灰比。

3.7 工程性質(zhì)試驗(yàn)小結(jié)

綜合上述各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果分析，可舉列以下幾點(diǎn)重要成果。

1)最佳水灰比的推估。經(jīng)由垂流試驗(yàn)所求得的最佳水灰比可得到一個(gè)臨界值，若水灰比超過0.35，則滲漿量將會(huì)造成底盤有滲漿情形發(fā)生；若水灰比低于0.35，則底盤無滲漿情形。

2)透水系數(shù)。①水灰比越大，透水系數(shù)越??；②漿骨比越小，透水系數(shù)越大；③骨材越大，透水性越佳。

3)孔隙率：①從搗實(shí)方面探討，孔隙率與搗實(shí)能量有直接關(guān)系，當(dāng)以輕搗實(shí)方式搗實(shí)骨材時(shí)，骨材較為松散，孔隙率較高；反之，以重?fù)v實(shí)方式搗實(shí)骨材時(shí)，骨材較為緊密，孔隙率較低；②當(dāng)水灰比值增加，孔隙率值減少；骨材粒徑的大小與孔隙率并無直接關(guān)系。

4)劈裂強(qiáng)度。水灰比并非影響抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度的因素，而漿骨比是影響抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度的主要控制因素，漿骨比增高則抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度也隨之升高。由試驗(yàn)得知多孔隙混凝土的抗拉強(qiáng)度極差，故不能當(dāng)作主要結(jié)構(gòu)物需輔以其他結(jié)構(gòu)組合，才能發(fā)揮多孔隙混凝土的特性。

5)抗壓強(qiáng)度。雖然經(jīng)由試驗(yàn)得知，為了提高多孔隙混凝土的強(qiáng)度，則漿骨比為主要因素之一，但為了達(dá)到工程的要求，尚須考慮植生工程與生態(tài)工程理念，符合孔隙率與透水系數(shù)的相關(guān)要求，以達(dá)到工程與生態(tài)的完美組合目標(biāo)。

6)本研究整理多孔隙混凝土試驗(yàn)結(jié)果，綜合抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)及孔隙率與各項(xiàng)工程適用性的關(guān)系，如表4所示。

表4 多孔隙混凝土工程性質(zhì)與適用工程一覽表(25～37.5 mm)

4 結(jié) 論

1)最佳水灰比。由垂流試驗(yàn)推估最佳水灰比，粒徑25～37.5 mm的最佳水灰比為0.32～0.35，由最佳水灰比的范圍可以決定底盤不致于產(chǎn)生滲漿情形，進(jìn)而發(fā)揮多孔隙混凝土的特性。

2)抗壓強(qiáng)度。以粒徑分析，粒徑越大，其抗壓強(qiáng)度越低。通常水灰比為0.3～0.35、漿骨比為0.4～0.6時(shí)，其抗壓強(qiáng)度普遍較高。

3)劈裂強(qiáng)度。劈裂強(qiáng)度主要為測試透水混凝土的抗拉能力。由試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，粒徑越小，骨材彼此之間膠結(jié)面積較大，故粒徑越小強(qiáng)度越高。

4)透水系數(shù)。透水系數(shù)隨水灰比增加而降低；相同水灰比時(shí)，透水系數(shù)隨著漿骨比提高而降低；粒徑25～37.5 mm時(shí)，透水系數(shù)為11.0～1.0 cm/sec。

5)孔隙率。以水灰比分析，孔隙率與水灰比呈反比例趨勢(shì)，即水灰比越高時(shí)，孔隙率越低；以漿骨比分析，漿骨比越高，孔隙率明顯降低，其變化趨勢(shì)較水灰比明顯，顯示漿骨比對(duì)孔隙率的影響高于水灰比。

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