摘要: 采用正交設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)試驗(yàn), 從而配置再生骨料透水性混凝土。以再生骨料透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)、孔隙率為主要考核指標(biāo), 分別研究了水灰比、骨灰比、砂率、再生骨料粒徑等因素及其不同的水平對(duì)再生骨料透水性混凝土各性能指標(biāo)的影響。并對(duì)各考核指標(biāo)的主要影響因素進(jìn)一步細(xì)分, 結(jié)果表明, 再生骨料透水性混凝土的透水系數(shù)和孔隙率的主要影響因素是水灰比; 抗壓強(qiáng)度的主要影響因素是骨灰比。水灰比的變化與透水系數(shù)和孔隙率之間呈現(xiàn)相同的規(guī)律, 都出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì); 骨灰比的變化與抗壓強(qiáng)度之間呈現(xiàn)線性下降的趨勢(shì)。當(dāng)水灰比介于0.37~0.43 之間, 骨灰比介于4.0~4.5 之間時(shí), 混凝土拌和物和易性較好, 混凝土的強(qiáng)度較高, 透水性較好。
關(guān)鍵詞: 再生骨料; 透水性混凝土; 正交設(shè)計(jì); 強(qiáng)度; 透水系數(shù)
中圖分類(lèi)號(hào): X705 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號(hào): 1003- 6504(2008)03- 0091- 04
長(zhǎng)期以來(lái), 傳統(tǒng)的混凝土為了達(dá)到高強(qiáng)度和高耐久性的要求, 始終在追求結(jié)構(gòu)的密實(shí)性即不透水性,從而致使城市地表逐漸被鋼筋混凝土的建筑和不透水的路面所覆蓋, 給城市生態(tài)環(huán)境帶來(lái)諸多不利的影響。如在人口高度密集、工業(yè)集中的城市區(qū)域氣溫高于郊區(qū)的現(xiàn)象, 即通常所謂的“熱島效應(yīng)”, 城市熱島效應(yīng)造成特殊的城市大氣環(huán)流, 又會(huì)形成所謂城市“污染島”效應(yīng)。而產(chǎn)生熱島效應(yīng)的一部分原因是由于城市中的密實(shí)性混凝土缺乏透氣性和透水性, 調(diào)節(jié)空氣的溫度、濕度的能力差, 而且城市下墊面對(duì)陽(yáng)光熱量的反射率比鄉(xiāng)村小, 同時(shí)下墊面的熱容量大, 導(dǎo)熱率也高, 大量?jī)?chǔ)存了白天豐富的太陽(yáng)熱量[1]。又如, 雨季, 密實(shí)性混凝土路面長(zhǎng)期阻止雨水滲入地下, 使城市地下水位下降, 影響地表植物的生長(zhǎng), 城市綠化面積減少, 結(jié)果造成城市生態(tài)系統(tǒng)失調(diào)。同時(shí), 混凝土顏色灰暗, 視覺(jué)效果缺乏生機(jī), 長(zhǎng)期給城市人們生存在鋼筋混凝土森林中的壓抑感。在透水性混凝土的研發(fā)受到各國(guó)和各界人士的高度重視的大環(huán)境下, 我國(guó)從20 世紀(jì)90 年代以來(lái)對(duì)透水性混凝土也進(jìn)行了研究,但是由于各方面的原因, 到目前為止仍沒(méi)有達(dá)到實(shí)際大面積應(yīng)用的程度。
透水性混凝土是由水、水泥、粗骨料及少量化學(xué)外加劑組成的, 采用單粒級(jí)粗骨料作為骨架, 水泥凈漿或加入少量細(xì)骨料的砂漿薄層包裹在粗骨料顆粒的表面, 作為骨料顆粒之間的膠結(jié)層, 骨料顆粒通過(guò)硬化的水泥砂漿薄層膠結(jié)而形成具有大量連通空隙的堆積結(jié)構(gòu)[2]。在雨季, 水能夠沿著這些貫通的空隙通道順利滲入地下, 因此具有良好的透水性和透氣性, 同時(shí)還能吸收噪音、粉塵; 另外, 多孔混凝土還可用作凈化水質(zhì)用混凝土[3], 對(duì)城市氣候的生態(tài)平衡起到了積極作用, 對(duì)實(shí)現(xiàn)真正的綠色GDP 也發(fā)揮了不可估量的作用[4]。再生骨料透水性混凝土屬于環(huán)境負(fù)荷降低型混凝土[5], 其利用建筑物解體時(shí)廢棄的混凝土經(jīng)破碎、篩分后得到的再生骨料代替天然骨料, 節(jié)省天然礦物質(zhì)資源, 同時(shí)減輕固體廢渣對(duì)環(huán)境的污染, 具有優(yōu)異的環(huán)境協(xié)調(diào)性, 在資源可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟(jì)以及環(huán)境保護(hù)方面, 具有不可估量的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[6]。
為了使混凝土成為真正的綠色生態(tài)材料, 本文考慮利用再生骨料配置透水性混凝土。本次試驗(yàn)主要研究了水灰比、骨灰比、砂率、骨料粒徑等因素及其不同的水平對(duì)再生骨料透水性混凝土各性能指標(biāo)( 抗壓強(qiáng)度、孔隙率、透水系數(shù)) 的影響, 采用正交設(shè)計(jì)方法[7]利用再生骨料配置透水性混凝土, 找出影響再生骨料透水性混凝土各性能指標(biāo)的主次因素, 并研究了主要因素對(duì)各個(gè)考核指標(biāo)的影響規(guī)律, 從而為再生骨料在透水性混凝土中的應(yīng)用提供必要的技術(shù)支持。
1 試驗(yàn)
1.1 原材料的選擇
水泥: 由于透水性混凝土是粗骨料顆粒間通過(guò)硬化的水泥漿薄層膠結(jié)而成的多孔堆聚結(jié)構(gòu), 受力時(shí)是通過(guò)骨料之間的膠結(jié)點(diǎn)傳遞力的作用, 因此透水性混凝土一般選用高強(qiáng)度等級(jí)水泥[8], 本次試驗(yàn)采用天津振興水泥有限公司生產(chǎn)的42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥, 其物理力學(xué)性能如表1 所示。
再生粗骨料: 本試驗(yàn)采用天津農(nóng)學(xué)院舊宿舍樓解體時(shí)廢棄混凝土經(jīng)分揀、破碎、篩分后所得粗骨料( 原混凝土強(qiáng)度不祥) , 為保證透水性混凝土應(yīng)有的強(qiáng)度和良好的滲透性能, 選用間斷型單粒級(jí)配。
細(xì)骨料: 細(xì)骨料采用粒徑為0.60~1.18mm 的天然砂。
水: 飲用自來(lái)水。
化學(xué)外加劑: DF- 1 型高效減水劑。
1.2 正交試驗(yàn)
1.2.1 影響因素和考核指標(biāo)的選擇
水灰比: 所有類(lèi)型的混凝土中, 水灰比始終是影響其結(jié)構(gòu)性能的主要因素之一, 再生骨料透水性混凝土的配合比設(shè)計(jì)應(yīng)遵循透水性混凝土的結(jié)構(gòu)模型[5],所以再生骨料透水性混凝土的水灰比既影響強(qiáng)度又影響其透水性, 因此, 要慎重選擇水灰比。水灰比過(guò)小, 水泥漿過(guò)于干硬, 不能充分包裹骨料表面, 而形成粉團(tuán)填充于空隙內(nèi), 致使骨料與漿體之間不能很好的膠結(jié), 混凝土拌合物和易性很差, 不利于混凝土強(qiáng)度的提高; 反之, 水灰比過(guò)大, 稀的水泥漿把透水性孔隙部分或全部堵死, 從混凝土試塊外形來(lái)看, 在成型后凝結(jié)過(guò)程中由于稀的水泥漿往下部流動(dòng)在試塊下部形成一個(gè)密實(shí)的平臺(tái), 既不利于透水, 又不利于強(qiáng)度的提高。經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研[10- 11]以及數(shù)次試驗(yàn)的驗(yàn)證, 本研究選用的水灰比為0.30、0.35 和0.40 三種水平。
骨灰比: 骨灰比的大小影響透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度和透水性能, 因?yàn)楣腔冶鹊拇笮Q定了骨料顆粒表面包裹的砂漿層的薄厚程度以及空隙率的多少[2]。由于再生骨料本身強(qiáng)度較低, 故選用較小的骨灰比,本次試驗(yàn)采用的骨灰比為3.0、3.5 和4.0 三個(gè)水平。
砂率: 合適的砂率也是透水性混凝土的影響因素之一, 當(dāng)砂率較低或無(wú)砂時(shí), 砂漿數(shù)量不足以完全包裹再生骨料表面, 導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)不密實(shí), 透水性能較好但強(qiáng)度不高; 但砂率過(guò)高或和普通混凝土砂率水平( 25%以上) 相同時(shí), 在充分包裹骨料表面的同時(shí), 多余的砂漿填充了骨料與骨料間的空隙, 從而使得混凝土密實(shí)度提高, 強(qiáng)度提高, 但透水性能下降。故依據(jù)透水性混凝土配比特點(diǎn), 本次試驗(yàn)選用10%、15%和20%三種砂率水平。
再生粗骨料粒徑: 粗骨料是組成透水性混凝土的結(jié)構(gòu)骨架, 骨料的粒徑也是決定其強(qiáng)度和透水性的主要因素之一, 通常粗骨料采用單一粒級(jí)骨料來(lái)保證透水性混凝土的強(qiáng)度和透水性能[12], 再生骨料透水性混凝土也不例外。綜合考慮強(qiáng)度和透水性以及實(shí)用性, 本次試驗(yàn)采用9.5~4.75mm、16~9.5mm、20~16mm 三個(gè)水平。
1.2.2 考核指標(biāo)的確定及各考核指標(biāo)的試驗(yàn)方法
從透水性混凝土的實(shí)用性考慮, 以表征透水性混凝土主要性能的28d 抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)、孔隙率為考核指標(biāo)?；炷猎嚰烈欢g期時(shí)按照天然骨料混凝土測(cè)試方法在TYE- 2000B 型壓力試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定混凝土試塊抗壓強(qiáng)度; 以每分鐘通過(guò)混凝土試塊的水量經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)膿Q算從而表征混凝土的透水系數(shù); 以電子秤稱(chēng)重測(cè)得混凝土試塊在水中的浮力即該試塊排開(kāi)水的體積計(jì)算混凝土試塊總孔隙率。
1.2.3 正交表的確定與試驗(yàn)過(guò)程
因?yàn)檫x用的影響因素有四個(gè), 每個(gè)因素的水平數(shù)均為三個(gè), 故選用L9( 34) 即四因素三水平的正交表,按L9 ( 34) 安排實(shí)驗(yàn)方案( 見(jiàn)表2) 。根據(jù)影響因素和選用的正交表, 計(jì)算出各組試驗(yàn)的混凝土配合比。用適當(dāng)?shù)氖止嚢璧姆椒ò韬匣炷亮? 采用人工插搗的方法成型。試塊尺寸為100mm×100mm×100mm 立方體。拆模前表面覆蓋塑料薄膜, 防止水分過(guò)多的散失,拆模后灑水自然養(yǎng)護(hù), 自然養(yǎng)護(hù)28d 后, 分別測(cè)得透水系數(shù)、孔隙率、抗壓強(qiáng)度。結(jié)果見(jiàn)表2。
1.2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析
將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析, 分析結(jié)果見(jiàn)表3。從表2 試驗(yàn)結(jié)果和表3 極差計(jì)算結(jié)果可以看出,對(duì)于考核指標(biāo)為28d 抗壓強(qiáng)度來(lái)說(shuō), 水灰比為0.40,骨灰比為3.0, 砂率為20%, 粒徑為16~9.5mm 時(shí)最好,此時(shí)的最優(yōu)配合比為A3B1C3D2, 根據(jù)極差R 的大小,
對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響順序?yàn)? D→B→C→A, 即, 粒徑影響最大, 骨灰比次之, 砂率較小, 水灰比最小。對(duì)于考核指標(biāo)為透水系數(shù)來(lái)說(shuō), 水灰比為0.35, 骨灰比為4.0, 砂率為10%, 粒徑為16~9.5mm 時(shí)最好, 此時(shí)的最優(yōu)配合比為A2B3C1D2, 根據(jù)極差R 的大小, 對(duì)透水系數(shù)的影響順序?yàn)? D→A→B→C, 即粒徑影響最大, 水灰比次之, 骨灰比較小, 砂率最小。對(duì)于考核指標(biāo)為孔隙率時(shí), 水灰比為0.35, 骨灰比為4.0, 砂率為10%, 粒徑則是16~9.5mm 時(shí)最好, 即此時(shí)的最優(yōu)配合比為A2B3C1D2, 根據(jù)極差R 的大小, 對(duì)孔隙率的影響順序?yàn)? A→D→B→C, 即水灰比影響最大, 粒徑次之, 骨灰比較小, 砂率的影響最小。
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出, 關(guān)于透水系數(shù)和孔隙率的最優(yōu)配合比是完全一致的, 這表明正交設(shè)計(jì)的結(jié)果和透水性混凝土的實(shí)際結(jié)構(gòu)是相符的, 即混凝土試塊的孔隙率越大, 其透水性能越好。而和強(qiáng)度相比, 除了水灰比外, 骨灰比、砂率、粒徑的影響正好是相反的, 由此可以得出, 再生骨料透水性混凝土的強(qiáng)度和透水性與天然骨料混凝土一樣, 也是一對(duì)相互矛盾的性能指標(biāo), 即強(qiáng)度高, 透水性差; 反之, 透水性好, 強(qiáng)度降低。
從強(qiáng)度最優(yōu)配合比可以看出, 當(dāng)選用中等粒徑( D2) ,較大水灰比( A3) , 較小骨灰比( B1) , 較大砂率( C3) 時(shí),由于砂漿流動(dòng)性好, 易填充在混凝土內(nèi)部, 減少骨料和骨料間的空隙, 使得混凝土密實(shí), 透水性能下降, 強(qiáng)度提高。從透水系數(shù)的最優(yōu)配合比可以看出, 水灰比適中的情況下( A2) , 水泥漿拌制均勻, 較大骨灰比( B3) ,較小砂率( C1) , 中等粒徑( D2) 時(shí), 骨料的總表面積增大, 砂漿的數(shù)量不足以完全包裹石子表面, 或包裹很薄的一層, 導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)不密實(shí), 透水性能提高。
2 擴(kuò)展試驗(yàn)
2.1 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)過(guò)程
綜合試驗(yàn)結(jié)果, 得出粒徑處于16~4.75mm 之間時(shí), 綜合指標(biāo)均較好, 因此, 在確定粒徑的基礎(chǔ)上, 根據(jù)前文得出影響透水系數(shù)的主要因素為水灰比, 影響孔隙率的主要因素為水灰比, 影響抗壓強(qiáng)度的主要因素為骨灰比, 故限定次要因素( 次要因素的選定綜合前面試驗(yàn)中較好的數(shù)據(jù)) 。選用粒徑為9.5~4.75mm,骨灰比為4.0, 砂率為10%, 目標(biāo)孔隙率為30%, 水灰比分別為0.33、0.37、0.40、0.43、0.45, 從而得出水灰比與透水系數(shù)之間的影響規(guī)律; 選用粒徑為16~9.5mm,骨灰比為4.5, 砂率為10%, 目標(biāo)孔隙率為30%, 水灰比分別為0.35、0.40、0.45、0.50, 從而得出水灰比與孔隙率之間的影響規(guī)律; 選用粒徑為16~9.5mm, 水灰比為0.35, 砂率為10%, 目標(biāo)孔隙率為30%, 骨灰比分別為3.5、4.0、4.5、5.0, 從而得出骨灰比與抗壓強(qiáng)度之間的影響規(guī)律。根據(jù)以上試驗(yàn)方法中的各條件, 計(jì)算出各組試驗(yàn)的混凝土配合比, 試驗(yàn)過(guò)程同前文正交試驗(yàn)部分。
2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析
2.2.1 透水系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果和分析
再生骨料透水性混凝土透水系數(shù)隨水灰比的變化規(guī)律如圖1 所示。
從圖1 可以看出, 水灰比對(duì)透水系數(shù)的影響情況比較復(fù)雜, 大致呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。水灰比等于0.33 時(shí), 透水系數(shù)不高, 根據(jù)成型情況究其原因可知, 水灰比較低時(shí), 由于再生骨料吸水率高, 而致使可用凈水灰比更低, 不能充分?jǐn)嚢杌炷粱旌狭? 成型困難, 水泥漿較干硬, 不能與再生骨料充分粘結(jié), 從而堵塞了骨料間的空隙, 不能形成上下連通的透水通道, 因此透水性能差; 當(dāng)水灰比從0.33 上升到0.40時(shí), 混凝土混合料拌制均勻, 干濕適中的水泥漿與再生骨料充分粘結(jié), 在再生骨料表面形成厚薄適中的一層漿體, 骨料與骨料之間形成連通空隙, 故透水系數(shù)上升較快; 但是當(dāng)水灰比繼續(xù)增加到0.45 時(shí), 再生骨料表面包裹了較厚的一層水泥漿, 從而失去了原有的棱角, 成型密實(shí)后, 水泥漿之間接觸面增加, 減少空隙, 因此透水性能反而逐漸下降。
此外, 從圖1 中可知, 隨著齡期的增長(zhǎng), 再生骨料透水性混凝土的透水系數(shù)有所下降, 主要原因是, 隨著齡期的增長(zhǎng), 水泥水化逐漸完全, 毛細(xì)孔數(shù)量減少,混凝土逐漸密實(shí), 透水性下降。
2.2.2 孔隙率實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
再生骨料透水性混凝土孔隙率隨水灰比變化規(guī)律如圖2 所示。
從圖2 可以看出, 水灰比對(duì)再生骨料混凝土孔隙率的影響情況和水灰比對(duì)透水系數(shù)的影響情況呈現(xiàn)大致一致的變化趨勢(shì), 也是先上升后下降的變化趨勢(shì)。這是因?yàn)榭紫堵屎屯杆禂?shù)是正相關(guān)的關(guān)系。孔隙率大, 透水性好; 反之, 孔隙率下降, 則透水性能也隨之下降。
2.2.3 抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
再生骨料透水性混凝土抗壓強(qiáng)度隨骨灰比變化規(guī)律如圖3 所示。
從圖3 可以看出, 再生骨料透水性混凝土抗壓強(qiáng)度隨著骨灰比的增長(zhǎng), 呈線性下降趨勢(shì)。這是因?yàn)? 骨灰比的大小決定了再生骨料顆粒表面包裹的砂漿層的薄厚程度, 骨灰比較小時(shí), 砂漿層較厚, 采用合適的配合比, 混凝土混合料攪拌均勻, 砂漿層充分包裹再生骨料, 再生骨料與膠凝材料之間有很強(qiáng)的粘結(jié)力,破壞一般發(fā)生在基體一側(cè), 體現(xiàn)出較高的強(qiáng)度。而當(dāng)骨灰比逐漸增加至偏高時(shí), 由于水泥漿不足以充分包裹再生骨料, 根據(jù)測(cè)試情況得出, 破壞往往發(fā)生在骨料和水泥石的結(jié)合面上, 導(dǎo)致混凝土提前破壞。
3 結(jié)論
( 1) 水灰比對(duì)再生骨料透水性混凝土的孔隙率和透水性能影響最大。水灰比的變化與透水系數(shù)和孔隙率之間呈現(xiàn)相同的規(guī)律, 都出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。
( 2) 骨灰比對(duì)再生骨料透水性混凝土的抗壓強(qiáng)度有一定影響。骨灰比的變化與抗壓強(qiáng)度之間呈現(xiàn)線性下降的趨勢(shì)。并且隨著骨灰比的增加使得再生骨料透水性混凝土的透水性能上升。
( 3) 由于再生骨料吸水率較大, 所以對(duì)于再生骨料透水性混凝土來(lái)說(shuō), 水灰比介于0.37~0.43 之間, 骨灰比介于4.0~4.5 之間時(shí), 混凝土拌和物和易性較好,混凝土的強(qiáng)度較高, 透水性較好。
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