基于正交试验的净浆透水混凝土最佳配合比研究

2021-03-20姜男

东北水利水电 2021年3期

姜男

（岫岩满族自治县水利事务服务中心，辽宁岫岩114300）

1 概况

随着我国经济的发展和城市规模的不断扩张，城市路面和场地逐渐被水泥和沥青等阻水材料铺设[1]。这种铺设方式虽然带来了诸多便利，但是也存在诸多不足之处，主要是阻断了降雨和地下水之间的关系，不仅会诱发更多的城市内涝，还会影响到区域内的水循环和生态环境[2]。透水混凝土的出现成为解决上述问题的有效措施，逐渐受到人们广泛的关注，并在相关工程建设中大力推广[3]。透水混凝土最早出现于建筑技术比较发达的西方国家，并在当地的地面铺装以及河道工程建设中得到了十分广泛的应用。从国内的情况来看，受到各方面因素的影响，透水混凝土的研究和应用起步较晚，诸多工程技术问题也没有得到有效的解决，特别是透水性和强度之间的矛盾，已经成为限制透水混凝土推广应用的重要因素[4]。基于此，下文通过基于净浆的透水混凝土配合比优化试验研究，为高强度透水混凝土的制备和应用提供支持和借鉴。

2 试验设计

2.1 试验材料

水泥是混凝土的重要组成部分和主要胶凝材料，对混凝土的性能存在显著影响。此次试验采用的是本溪市红星水泥厂出品的P·O42.5 普通硅酸盐水泥。试验研究使用的粗骨料是石灰岩人工碎石，鉴于骨料粒径是透水混凝土强度和透水性的重要影响因素，粗骨料的粒径越大混凝土的透水性就越好，但是强度也会随之降低[5]。此次研究选用人工碎石粒径为5～10 mm，经检验测定，试验用粗骨料质地坚硬，具有良好的高温稳定性，满足相关技术要求。

研究中，在水泥浆中掺入一定比例的硅粉，其目的是提高混凝土的强度，同时降低透水混凝土的制备成本[6]。此次试验采用的是920U 半加密硅粉；试验用矿粉为本钢集团有限公司出品的高炉矿渣矿粉；试验用胶粉为唐山宏光建材科技有限公司出品的防水胶粉；试验用减水剂为聚羧酸高效减水剂。

2.2 试验方案

为了提高混凝土的水化反应度和粘结性能，在混凝土中掺入一定量的矿粉、硅粉和胶粉[7]。因此，试验中设计参数为水胶比、矿粉、硅粉和胶粉的掺量，减水剂的掺量暂定为0.3%，试验中根据实际拌合状态进行微调，并设计出如表1 所示的正交试验方案。

2.3 试验过程

试件制作使用的是内径100 mm，高100 mm的圆柱形模具。在试件制作之前，首先对模具内部进行清理，并擦拭干净，然后涂抹一层脱模剂。将按照表1 中的不同试验方案制作的透水混凝土倒入模具，在高度达到模具一半时进行插捣，然后再倒入混凝土并插捣密实，最后抹平试件的上表面。将制作好的试件在常温下静置24 h 后脱模，然后放置于标准养护室养护28 d。为了提高试验精度，每种试验方案制作6 个试件，以其试验结果的均值作为最终试验结果。

表1 正交试验设计表

2.4 试验方法

将养护完毕的试件取出擦净水分，进行渗透系数试验，试验利用上海东方试验仪器厂生产的透水系数测定仪器测定；抗压强度采用液压万能压力机进行试验测定，测定的依据主要是GB 50010《混凝土结构设计规范》。

3 试验结果与分析

3.1 配合比试验综合分析

显然，透水混凝土的透水系数和抗压强度是评价其性能最重要的两个指标。因此，研究中通过上述指标进行配合比的优选和确定，使净浆透水混凝土在保持较高强度的前提下，具有一定的透水率。根据试验过程中获得的数据，整理出如图1、图2和图3 所示的不同水胶比、矿粉掺量和硅粉掺量条件下的试件抗压强度和透水系数变化曲线。

由图1 可知，随着水胶比的增大，试件的抗压强度呈不断减小的趋势，而试件的透水系数呈现出先增大后减小的变化特征。因此，从抗压强度的角度来看，最佳水胶比为0.25，从透水系数来看，最佳水胶比应为0.30。两者相比，水胶比为0.25 时试件的抗压强度值明显偏大，且透水性能够满足一般工程设计的要求，因此最佳水胶比应该为0.25。

图1 水胶比影响曲线

图2 矿粉掺量影响曲线

图3 硅粉掺量影响曲线

由图2 可知，随着矿粉掺量的增大，试件的抗压强度呈不断增大的变化特征，而试件的透水系数呈现出不断减小的变化特征。从增加变化的速率上看，随着矿粉掺量的增大，透水系数略有降低，但是强度的提升幅度较大。因此，两者综合考虑，最佳矿粉掺量应该为30%。

由图3 可知，随着硅粉掺量的增大，试件的抗压强度呈现出先增大后减小的变化特征，而试件的透水系数呈现出先减小后增大的变化特征。总体来看，5%水平硅粉掺量渗透系数虽然相对较低，但完全可以满足透水工程要求，同时抗压强度明显较高。因此，两者综合考虑，最佳硅粉掺量应该为5%。

综上，净浆透水混凝土的最佳组合为水胶比0.25、矿粉掺量30%、硅粉掺量5%。其对应的透水混凝土最优配合比为：水泥272.5 kg/m3，石子1 557.0 kg/m3，矿粉125.8 kg/m3，硅粉21.0 kg/m3，水104.8 kg/m3，减水剂0.84 kg/m3。

3.2 抗压强度和透水系数之间的关系拟合

拟合与回归分析是试验研究中十分常用的两种方法，特别是其获得的经验公式对指导应用具有重要的价值。研究中利用试验获取的数据，对透水混凝土的抗压强度和透水系数之间的关系进行拟合分析，结果如图4 所示。结果显示抗压强度y 和透水系数x 之间的关系可以用二次函数表达，其表达式如下，相关系数R2=0.768 7。

图4 抗压强度和透水系数之间的拟合曲线

虽然拟合结果并不是特别理想，但是仍可以验证随着透水系数的增大，混凝土的抗压强度就越小的理论推定。究其原因，混凝土透水系数增大，孔隙率就必然增大，而混凝土本身的密实度必然会降低，因此抗压强度就会变小。所以，在实际工程应用过程中，需要在两者之间进行兼顾和选择。当然，在透水混凝土的工程制备过程中，影响透水系数的因素是多方面的。例如，浆体能够均布于骨料的表面，不仅会增加浆体材料和骨料的粘结力，同时也会减少多余浆液对孔隙的堵塞，进而可以获得强度高、透水性能好的混凝土材料。