基于可視化分析的聚合物透水混凝土抗壓性能研究

胡朝峰,陳秀玲,葛根旺,潘隨偉

(1.馬鋼工程技術(shù)集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司,安徽 馬鞍山243000;2.馬鞍山學(xué)院建筑工程學(xué)院,安徽 馬鞍山243000)

0 引言

近年來,透水混凝土因“滲、吸、儲(chǔ)、凈、釋”水性能及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的改善作用在海綿城市建設(shè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1],其骨架的多孔結(jié)構(gòu)雖然具備良好的透水性能,但抗壓強(qiáng)度大多偏低,而透水混凝土的抗壓強(qiáng)度作為評(píng)估其路用性能的一項(xiàng)重要指標(biāo),研究其影響因素十分必要。透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響因素較多[2-7],目前的研究大多是在固定條件下進(jìn)行單因素分析,對(duì)于多因素分析難以建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型。做單因素分析試驗(yàn)材料消耗巨大,試驗(yàn)周期長(zhǎng),難以快速得到結(jié)果,跨季節(jié)試驗(yàn)還會(huì)存在試驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)等問題,故提高試驗(yàn)效率顯得尤為重要。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)采取由方開泰與王元共同提出[8]的均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)法[9],對(duì)于一個(gè)m因素n水平的試驗(yàn),該方法只需做n組試驗(yàn)即可,這大大降低了試驗(yàn)的工作量。但由于均勻試驗(yàn)及其結(jié)果并沒有整齊可比性,不能采用一般的極差或方差分析法,故借鑒孫益民[10]的分析思路,采用M2VA ( multifactor and multilevel visual analysis)法[10-13]進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果分析,通過繪制2.5維圖形,較為直接地反映出透水混凝土強(qiáng)度影響因素與目標(biāo)強(qiáng)度之間的非線性關(guān)系,為透水混凝土的優(yōu)化配置提供更簡(jiǎn)便的方法。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥:安徽海螺水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5級(jí)硅酸鹽水泥,其性能指標(biāo)及化學(xué)成分見表1、表2。粗骨料:兩種粒徑的普通碎石子:①ST1為4.6～9.5 mm碎石子,堆積密度為1275 kg/m3。②ST2為9.5～16 mm碎石子,堆積密度為1250 kg/m3。聚合物:廣東省深圳市豪圣新材料公司生產(chǎn)的VAE乳膠粉(乙烯-醋酸乙烯聚合物),白色粉末,型號(hào)FY-318,pH值6～8。江蘇省安居環(huán)?？萍脊旧a(chǎn)的粉末狀SAP[聚丙烯酸鹽(鈉鹽)類高吸水性樹脂],堆積密度0.65～0.85 g/mL,pH值5.5～6.5。水:自來水。

表1 水泥性能指標(biāo)

表2 水泥的化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 配合比設(shè)計(jì)

采用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)法,根據(jù)骨料的堆積密度及前人的研究經(jīng)驗(yàn)確定骨膠比、水灰比、聚合物摻量百分比等分布區(qū)間,計(jì)算出每立方米透水混凝土各材料的用料范圍。主要設(shè)計(jì)步驟如下:

1)根據(jù)緊密堆積密度ρg乘以所有實(shí)驗(yàn)試塊的總體積V,考慮修正系數(shù)θ(一般取0.95～0.98),計(jì)算出粗骨料的總用量ms,如式(1)所示。由于骨料級(jí)配粒徑分別為4.75～9.5 mm和9.5～16 mm,按設(shè)計(jì)比例混合后進(jìn)行配置研究,不同粒徑骨料堆積密度不同,故計(jì)算出的骨料的總用量mg是一個(gè)區(qū)間值。

mg=θ·ρg·V

(1)

2)根據(jù)文獻(xiàn)[1-7,14-17]確定了骨膠比ζ的分布區(qū)間為4～6,結(jié)合1)中骨料總用量區(qū)間確定水泥用量mc的分布區(qū)間。mc計(jì)算公式如式(2)所示。

(2)

3)根據(jù)文獻(xiàn)[1-7,14-17]確定了水灰比α的分布區(qū)間為0.25～0.45,結(jié)合2)中水泥用量mc分布區(qū)間確定了用水量mw的分布區(qū)間。mw計(jì)算公式如式(3)所示。

(3)

4)根據(jù)王海龍[6]對(duì)鋼渣透水混凝土摻入VAE(醋酸乙烯-乙烯)乳液的研究,確定了VAE聚合物摻量相對(duì)于水泥用量的百分比δ分布區(qū)間為0%～15%,由此確定了VAE聚合物摻入的質(zhì)量mf分布區(qū)間。計(jì)算公式如式(4)所示。

mf=δ·mc

(4)

5)根據(jù)李杰[18]的SAP改性鋼渣透水混凝土試驗(yàn)數(shù)據(jù)及項(xiàng)尚的SAP對(duì)高性能混凝土耐磨性研究[17],確定了SAP摻入量相對(duì)于水泥用量的百分比η分布區(qū)間為0%～1%,由此確定了SAP聚合物摻入的質(zhì)量m′f分布區(qū)間。計(jì)算公式如式(5)所示。

m′f=η·mc

(5)

故確定了每立方米透水混凝土各材料的用料范圍如表3所示。表中ST1與ST2分別為粒徑4.75～9.5 mm和9.5～16 mm的碎石子。

1.2.2 攪拌與成型工藝

攪拌工藝采用凈漿裹石法,攪拌方法為手動(dòng)攪拌。將烘干的碎石及全部的水泥、SAP、VAE攪拌均勻,加入2/3的水,攪拌1 min,待所有骨料表面濕潤(rùn)后加入剩余計(jì)算水量,再次攪拌后出料。分3次裝模錘擊成型,如圖1所示。

圖1 透水混凝土的分層錘擊

1.2.3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

采用邊長(zhǎng)為100 mm的立方體試件,將其放入YE-2000型液壓式壓力試驗(yàn)機(jī),如圖2所示。

圖2 YE-2000型液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定抗壓強(qiáng)度

透水混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按照我國(guó)《透水混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2016)的規(guī)定執(zhí)行,按下式計(jì)算:

(6)

式中,fcc-混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度(MPa),F-試件破壞荷載(N),A-試件承壓面積(mm2)。

1.2.4 透水性試驗(yàn)

采用落水頭法測(cè)定邊長(zhǎng)為100 mm透水混凝土立方體試件的透水系數(shù)。所用試驗(yàn)儀器為HDSS-II型瀝青路面透水系數(shù)測(cè)定儀,如圖3所示。

圖3 落水頭法測(cè)定透水系數(shù)的裝置

將立方體試件的四周用橡皮泥包裹,留上下兩面透空,向圓筒中加滿水,打開水閘,水通過試件的上表面向下表面滲漏,測(cè)量水面從550 mL下降到50 mL高度處所經(jīng)歷的時(shí)間Δt=t2-t1(s),則透水系數(shù)K1(mL/s)可用以下公式求得:

(7)

式中,K1-透水系數(shù)(mL/s),V1-第一次讀數(shù)時(shí)的水量(mL),V2-第二次讀數(shù)時(shí)的水量(mL),Δt-水面刻度從h1高度下降至h2高度處的時(shí)間間隔(s)。

2 均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

2.1 均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

根據(jù)表1計(jì)算出一次投料所需的透水混凝土各材料的用料范圍,采用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整并設(shè)計(jì)了以下5因素15水平的均勻試驗(yàn),如表4所示。一次投料的ST1及ST2骨料的總量為20.63 kg。

均勻試驗(yàn)結(jié)果中,透水系數(shù)相對(duì)較大,透水系數(shù)最小的A12組試件透水系數(shù)為65.5 mL/s,由其配合比制成的100 mm高路面結(jié)構(gòu)可以完成393 L/(m2·min)的透水量,遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)情況下的200 L/(m2·min)的透水量,故認(rèn)為實(shí)驗(yàn)組均能滿足良好的透水性能。而試驗(yàn)組別中抗壓性能卻不甚理想,故分析的關(guān)鍵在于改善其抗壓性能。

2.2 M2VA法分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4、圖5、圖6、圖7為5個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)(28 d抗壓強(qiáng)度)的2.5維圖片的可視化分析。每個(gè)圖中的實(shí)心點(diǎn)為真實(shí)試驗(yàn)點(diǎn),圖中的光滑線條為可視化法非線性繪制的等強(qiáng)度曲線,曲線中數(shù)字單位為MPa。

圖4 水泥用量與用水量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖5 水泥用量與SAP對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖6 水泥用量與VAE對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖7 水泥用量與ST1用量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

從圖4可看出,隨著用水量與水泥用量的變化,水泥漿體或稀釋或黏稠或干澀,黏度變化導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度的改變,當(dāng)水灰比范圍大致為0.38～0.43時(shí),骨料間膠結(jié)漿體的黏度較好。當(dāng)用水量為1600 mL左右,水泥用量在4.0～4.18 kg時(shí),透水混凝土抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)26.5 MPa。

從圖5可看出,當(dāng)水泥用量小于4.4 kg時(shí),加入小于0.2%的SAP或不加SAP,透水混凝土28 d抗壓強(qiáng)度較大。當(dāng)水泥用量大于4.6 kg時(shí),隨著SAP的加入,抗壓強(qiáng)度先增后略有減小。當(dāng)水泥用量為4.6～5.14 kg,SAP的最優(yōu)摻入量宜為25～40 g,占水泥用量約0.54%～0.83%。

從圖6可看出,透水混凝土抗壓強(qiáng)度與VAE聚合物摻量及聚灰比之間未見明顯的線性關(guān)系,但從圖中壓力線峰值處發(fā)現(xiàn),水泥用量為3.7～4.0 kg時(shí),加入約10%的VAE對(duì)抗壓強(qiáng)度略有提高。

從圖7可以看出,隨著ST1的增加,抗壓強(qiáng)度先增后減,當(dāng)ST1用量為15 kg左右,即ST1∶ST2=3∶1,水泥用量4.2～4.5 kg,骨膠比約為4.6～4.9時(shí),透水混凝土抗壓強(qiáng)度可達(dá)到20 MPa以上。

3 結(jié)論

采用均勻試驗(yàn)法設(shè)計(jì)了15組試驗(yàn),考察了用水量、水泥用量、骨料ST1與ST2的級(jí)配、VAE聚合物摻量、SAP聚合物摻量5個(gè)影響因素對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。M2VA[14-17]法的結(jié)果顯示:聚合物透水混凝土抗壓強(qiáng)度受5個(gè)影響因素影響的順序由強(qiáng)到弱分別為:用水量>骨料1>水泥>VAE聚合物>SAP聚合物?？刂仆杆炷羻畏接盟?2.7～105.1 L,單方骨料用量1275 kg,ST1∶ST2= 3∶1,單方水泥用量235～260 kg,VAE摻量約為水泥用量的10%,SAP不摻或少摻,可以得到滿足路用抗壓性能要求的透水混凝土材料。