景观装饰用透水混凝复合材料制备优化及性能

2023-07-12王花蕾

粘接 2023年6期

摘要：为增强装饰用混凝土的强度性能以及透水性能，试验制备了一种装饰用透水混凝复合材料，然后通过正交试验研究其最佳参数配比，并研究其实际应用性能。正交试验分析结果表明，最佳骨料粒径大小为5～15 mm、最佳水泥掺量为265 kg/m3、最佳水灰比为0.3水灰比、最佳掺入颜料种类为氧化铁红无机颜料。在最佳配比参数下，试验制备的装饰用透水混凝土的抗压强度为13.5MPa，孔隙率为26.91%，透水系数为8.56 mm/s。试验制备的景观设计用装饰混凝土材料在保证美观性的同时，强度性能良好，透水性较强，符合实际应用指标要求。

关键词：正交试验；抗压强度；抗折强度；孔隙率；透水系数

中图分类号：TQ177 文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）06-0071-04

Optimization and performance of permeable concrete composite material for landscape decoration

WANG Hualei

（Yangling Vocational and Technical College，Xianyang 712100，Shaanxi China ）

Abstract：To enhance the strength and permeability of decorative concrete，a type of permeable concrete for decoration was prepared in this experiment，and the optimal parameter ratio was studied through orthogonal experiments，and its practical application performance was also investigated.The results of orthogonal experimental analysis showed that the optimal aggregate size was 5～15 mm，the optimal cement content was 265 kg/m3，the optimal water cement ratio was 0.3，and the optimal type of pigment added was iron oxide red inorganic pigment.Under the optimal mixing parameters，the compressive strength of the decorative permeable concrete prepared in this experiment were 13.5 MPa，respectively，with a porosity of 26.91% and a permeability coefficient of 8.56 mm/s.The decorative concrete material for landscape design prepared in this experiment not only ensures aesthetics，but also has a good strength performance and strong water permeability，which meets the requirements of practical application indicators.

Key words：orthogonal experiment;compressive strength;bending strength;porosity;permeability coefficient

混凝土材料是建筑、道路等結构的重要组成部分，然而，在雨天等环境下，混凝土的大量使用减弱了城市水循环，带来水涝、热岛效应等温度，加大了生态压力［1］。在彩色混凝土中掺入各种不同的颜料，并研究其抗压强度。试验结果表明，当掺入5%氧化铁系颜料或者氧化铬时，该彩色混凝土的抗压强度最佳［2］。则在透水混凝土中加入硅灰等各种矿物材料进行改性，并研究材料性能。试验结果表明，在透水混凝土中掺入偏高岭土和可分散胶粉时，能使透水混凝土力学性能显著增强，且透水性良好［3］。除此之外，研究了聚羧酸减水剂掺量以及减水率对透水混凝土各性能的作用效果。试验结果表明，当在透水混凝土中掺入0.2%聚羧酸减水剂、减水率值为0.08时，可以增加材料的透水系数，使材料强度提高，材料的透水性能、强度性能和耐久性能良好［4］。考虑到装饰用的彩色混凝土具备一定强度和优良的透水性能，且美观度高，但还有优化空间，基于此，试验制备了一种景观设计用装饰透水混凝土，然后通过正交试验探究其最佳参数配比，并研究其实际应用性能。

1 试验部分

1.1 材料与设备

主要材料：粗骨料碎石（工业纯，灵寿县梓舒矿产，粒径5～10、10～15和5～15 mm）；细骨料标准砂（工业纯），（堆积密度1 480 kg/m3，河北凯拓建筑器材）；P·O 42.5普通硅酸盐水泥（工业纯），嘉兴市新山河建材；氧化铁红（分析纯），河北盈美化工；偶氮红（分析纯），深圳颜安颜料；聚羧酸减水剂（分析纯），山东鑫福满化工。

主要设备：WD-300型立式搅拌桶，济宁威达机械；

TCS型台秤，深圳市固斯特科技；RD1020型电子天平，深圳市荣达仪器；DYJG-9023型烘箱，杭州亿捷科技；JJ-20H型水泥胶砂搅拌机，献县顺畅试验仪器；JITAI-S10KN型电子多功能试验机，北京吉泰科仪检测设备；CJJT1335型透水系数测定仪，沧州华屹试验仪器。

1.2 试验方法

1.2.1 正交试验设计

为保证装饰混凝土的强度以及着色性，本试验中着色颜料在水泥量中的占比均为3%。同时，本试验针对粗骨料碎石的粒径、水泥掺量、水灰比以及颜料种类，设计4因素3水平正交试验，探讨景观用混凝土最佳配合比，具体试验设计如表1、表2所示［5-6］。

1.2.2 装饰混凝土的制备

（1）根据“1.2.1”中的正交试验设计方案，称量适量的粗骨料碎石、着色颜料、水泥以及水等原料备用；

（2）将少量的碎石、水泥以及着色颜料倒入搅拌机中，干搅拌处理1 min，然后在搅拌机中加入适量的水，继续搅拌1 min混合均匀；

（3）在搅拌机中加入剩下的粗骨料碎石、水泥以及着色颜料，以及适量的水，设置搅拌时间为2 min，充分混合，然后再加入水以及减水剂，继续搅拌处理2 min，获得装饰混凝土砂浆；

（4）将装饰混凝土砂浆倒入准备好的模具中，插捣成型后，用抹灰刀抹平试件表面多余的浆料，然后在振动台上振实处理1 min，排出搅拌过程中浆料内部的气泡；

（5）设置养护温度为20 ℃左右，湿度90%左右，然后将混凝土试件放置其中养护1 d，然后脱模，继续在养护室内养护28 d，最后贮存备用。

1.3 性能测试

1.3.1 抗压试验

通过多功能试验机对装饰混凝土立方体试件（100 mm×100 mm×100 mm）进行抗压测试，抗压强度具体计算公式：

fc=F/A（1）

式中：fc为抗压强度，MPa；F为破坏荷载，N；A为承压面积，mm2。

1.3.2 孔隙率测试

利用电子天平、烘箱等设备，通过体积法，对试件进行孔隙率测试，孔隙率具体计算公式如下：

P=[1-（m2-m1）/（v×σw）]×100%（2）

式中：p为试件孔隙率，%；m1为试件在水中质量，g；m2为试件在烘箱中处理24 h后质量，g；V为试件体积，cm3；pw为纯水密度，g/cm3。

1.3.3 透水系数测试

通过定水头法和透水系数测定仪对试件进行透水性试验，计算透水系数［7］：

KT=QL/AHt（3）

式中：KT为水温T℃混凝土的透水系数，mm/s；Q为t时间内透水量，m3；L为试件厚度，m；A为试件表面积，m2；H为定水头高度差，m；t为试验测定时间，s。

2 结果与分析

2.1 抗压强度分析

图1为抗压试验结果。

由图1可知，4种因素对试件抗压强度的作用效果大小依次为：骨料粒径、水泥掺量、颜料种类、水灰比；其中，各因素下试件的综合平均抗压强度极差分别为2.2、1.3、1.1、0.4 MPa。可以观察到，骨料粒径大小对抗压强度作用效果最大，当装饰混凝土试件中的骨料粒径为5～10 mm时，试件综合平均抗压强度最大，为13.1 MPa；当装饰混凝土试件中的骨料粒径为10～15 mm时，试件综合平均抗压强度最小，为10.9 MPa，发生这种现象的主要原因：骨料与材料各基体间主要为点接触，当在混凝土中掺入粒径小的骨料，骨料比表面积较大，与基体材料间粘结作用效果加强，混凝土结构更加稳定，材料的紧密性提高，因此，混凝土强度提升。同时，由图1还可知，增加水泥掺量，可以提升抗压强度，这是因为水泥掺量的增加，使得混凝土中各骨料之间的浆料厚度增加，材料密实性提高，因此，抗压强度升高［8-9］。另外，水灰比与颜料种类对抗压强度作用效果较小，但各水平综合平均抗压强度都在10.5 MPa以上，能达到预期强度要求。当骨料粒径为5～10 mm、水泥掺量为285 kg/m3、水灰比为0.3、不添加着色颜料时，装饰混凝土试件的抗压强度良好。

2.2 孔隙率分析

图2为孔隙率测试结果。

由图2可知，各因素对装饰用透水混凝土孔隙率的作用效果大小依次为：水泥掺量、骨料粒径、水灰比、颜料种类，其中，各因素下试件的综合平均抗压强度极差大小依次为7.97%、4.68%、3.129%、0.93%。这表明，对试件孔隙率大小影响最大的因素为水泥掺量，对试件孔隙率大小影响最小的因素为掺入的颜料种类。在水泥掺量方面，当装饰混凝土试件中的水泥掺量为245 kg/m3时，综合平均孔隙率最大，为26.83%；而当水泥掺量为285 kg/m3时，综合平均孔隙率最小，为18.86%。这种变化的主要原因：是较大的水泥掺量，可以使混凝土骨料基体周围的水泥砂浆粘稠性增加，水泥砂浆的流动性降低，水泥浆层厚度增加，从而增加混凝土材料的紧密性，因此，材料孔隙率减少［12］。在掺入的骨料粒径方面，当骨料粒径为5～15 mm时，本试验制备的装饰混凝土试件孔隙率最低，为20.95%，这主要是，在混凝土掺入大小不一的骨料时，较小的骨料在会在一定程度上加大水泥砂浆的流动性，因此，在具备较高流动性情况下，水泥砂浆填补了骨料间的孔隙、材料内部裂缝等，同时，较小的骨料也在一定程度上填补材料基体间的孔隙，混凝土基体内部紧密性增加，所以，孔隙率下降［13］。除此之外，水灰比以及掺入的颜料种类对试件孔隙率作用效果较小。综上所述，当骨料粒径为10～15 mm、水泥掺量为245 kg/m3、水灰比为0.2、添加氧化铁红时，材料孔隙率较多。

2.3 透水率分析

图3为透水系数测试结果。

由图3可知，对试件透水系数的作用效果最大的因素为骨料粒径，其余依次为水泥掺量、颜料种类和水灰比，其中，各因素下试件的综合平均透水系数的极差大小依次为2.81、1.61、0.34、0.26 mm/s，这表明，骨料粒径对试件透水系数作用效果最大，而水灰比的大小对试件透水系数作用效果最小。在骨料粒径方面，当掺入10～15 mm粒径的骨料时，试件的综合平均透水系数最高，为8.62 mm/s-1，而掺入5～10 mm粒径大小的骨料时，试件综合平均透水系数最低，为5.81 mm/s。这表明，在混凝土中掺入较大粒径的骨料，可以增强材料透水性。这主要是，较大的骨料粒径会使混凝土基体内部的孔隙等增多，因此，透水系数增大，材料透水性提高［14］。在水泥掺量方面，当水泥掺量为245 kg/m3时，综合平均透水系数最大，为7.93 mm/s，这主要是因为，当混凝土中的水泥掺量较少时，材料骨料间的砂浆层比较薄，结构比较疏松，因此，孔隙较多，从而，试件的透水系数较大［15］。除此之外，水灰比和掺入的颜料种类对试件透水系数作用效果基本相差不大。综上所述，当骨料粒径为10～15 mm、水泥掺量为245 kg/m3、水灰比为0.2、添加氧化铁红时，装饰用透水混凝土的透水系數较高，透水性较好。

2.4 实际应用性能

根据正交试验结果，本试验确定最佳配比参数，分别是，5～15 mm骨料粒径、265 kg/m3水泥掺量、0.3水灰比、颜料种类为无机颜料氧化铁红，然后以最佳配比参数制备了装饰用透水混凝土，并对其实际应用性能进行测试，具体结果如表3所示。

由表3可知，在最佳参数配比下，本试验制备的景观装饰用透水混凝土的综合性能较好，其抗压强度为13.5 MPa，材料孔隙率以及透水系数分别为26.91%和8.56 mm/s，各性能均超过实际应用技术指标要求。在景观装饰用的透水混凝土中，在添加着色颜料保证美观性同时，也要使材料具备良好的强度性能，以及较优的透水性。综上，在最佳配比條件下，试验制备的景观设计用装饰混凝土强度性能良好，透水性较好，且各基本指标满足实际应用要求。

3 结语

（1）骨料粒径大小对装饰用透水混凝土的抗压强度、抗折强度以及透水系数影响最大。最佳骨料粒径为5～15 mm；

（2）在孔隙率方面，水泥掺量的作用效果最大。随着水泥掺量减少，孔隙率增加;

（3）水灰比对孔隙率影响较大，最佳水灰比为0.3;

（4）添加的颜料种类在装饰用透水混凝土强度方面作用效果较大，最适宜的添加颜料为无机颜料中的氧化铁红;

（5）试验取得最佳配比参数，5～15 mm骨料粒径、265 kg/m3水泥掺量、0.3水灰比、颜料种类为无机颜料氧化铁红，该装饰用透水混凝土的抗压强度为13.5 MPa，材料孔隙率以及透水系数分别为26.91%和8.56 mm/s，各性能均超过实际应用技术指标要求。

【参考文献】

［1］

辛志鹏，朱亚光，徐培蓁，等.粉煤灰及聚丙烯纤维对再生透水混凝土性能的影响［J］.混凝土，2023（1）：73-77.

［2］唐强，褚雅楠，任雪梅，等.不同颜料对彩色混凝土性能的影响研究［J］.混凝土世界，2022（12）：41-44.

［3］陈浩，都增延，丁华柱，等.外掺料对透水混凝土性能的影响研究［J］.重庆建筑，2023，22（3）：42-45.

［4］宋元远，张海峰，李侠.聚羧酸减水剂对透水混凝土性能影响试验研究［J］.公路交通技术，2023，39（1）：48-53.