摘要: 采用正交設計方法設計試驗, 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度、透水系數、孔隙率為主要考核指標, 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再生骨料透水性混凝土各性能指標的影響。并對各考核指標的主要影響因素進一步細分, 結果表明, 再生骨料透水性混凝土的透水系數和孔隙率的主要影響因素是水灰比; 抗壓強度的主要影響因素是骨灰比。水灰比的變化與透水系數和孔隙率之間呈現相同的規律, 都出現先上升后下降的趨勢; 骨灰比的變化與抗壓強度之間呈現線性下降的趨勢。當水灰比介于0.37~0.43 之間, 骨灰比介于4.0~4.5 之間時, 混凝土拌和物和易性較好, 混凝土的強度較高, 透水性較好。
關鍵詞: 再生骨料; 透水性混凝土; 正交設計; 強度; 透水系數
中圖分類號: X705 文獻標志碼: A 文章編號: 1003- 6504(2008)03- 0091- 04
長期以來, 傳統的混凝土為了達到高強度和高耐久性的要求, 始終在追求結構的密實性即不透水性,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, 給城市生態環境帶來諸多不利的影響。如在人口高度密集、工業集中的城市區域氣溫高于郊區的現象, 即通常所謂的“熱島效應”, 城市熱島效應造成特殊的城市大氣環流, 又會形成所謂城市“污染島”效應。而產生熱島效應的一部分原因是由于城市中的密實性混凝土缺乏透氣性和透水性, 調節空氣的溫度、濕度的能力差, 而且城市下墊面對陽光熱量的反射率比鄉村小, 同時下墊面的熱容量大, 導熱率也高, 大量儲存了白天豐富的太陽熱量[1]。又如, 雨季, 密實性混凝土路面長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, 城市綠化面積減少, 結果造成城市生態系統失調。同時, 混凝土顏色灰暗, 視覺效果缺乏生機, 長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受到各國和各界人士的高度重視的大環境下, 我國從20 世紀90 年代以來對透水性混凝土也進行了研究,但是由于各方面的原因, 到目前為止仍沒有達到實際大面積應用的程度。
透水性混凝土是由水、水泥、粗骨料及少量化學外加劑組成的, 采用單粒級粗骨料作為骨架, 水泥凈漿或加入少量細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層, 骨料顆粒通過硬化的水泥砂漿薄層膠結而形成具有大量連通空隙的堆積結構[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, 同時還能吸收噪音、粉塵; 另外, 多孔混凝土還可用作凈化水質用混凝土[3], 對城市氣候的生態平衡起到了積極作用, 對實現真正的綠色GDP 也發揮了不可估量的作用[4]。再生骨料透水性混凝土屬于環境負荷降低型混凝土[5], 其利用建筑物解體時廢棄的混凝土經破碎、篩分后得到的再生骨料代替天然骨料, 節省天然礦物質資源, 同時減輕固體廢渣對環境的污染, 具有優異的環境協調性, 在資源可持續發展和循環經濟以及環境保護方面, 具有不可估量的社會效益和經濟效益[6]。
為了使混凝土成為真正的綠色生態材料, 本文考慮利用再生骨料配置透水性混凝土。本次試驗主要研究了水灰比、骨灰比、砂率、骨料粒徑等因素及其不同的水平對再生骨料透水性混凝土各性能指標( 抗壓強度、孔隙率、透水系數) 的影響, 采用正交設計方法[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的主次因素, 并研究了主要因素對各個考核指標的影響規律, 從而為再生骨料在透水性混凝土中的應用提供必要的技術支持。
1 試驗
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硬化的水泥漿薄層膠結而成的多孔堆聚結構, 受力時是通過骨料之間的膠結點傳遞力的作用, 因此透水性混凝土一般選用高強度等級水泥[8], 本次試驗采用天津振興水泥有限公司生產的42.5 級普通硅酸鹽水泥, 其物理力學性能如表1 所示。
再生粗骨料: 本試驗采用天津農學院舊宿舍樓解體時廢棄混凝土經分揀、破碎、篩分后所得粗骨料( 原混凝土強度不祥) , 為保證透水性混凝土應有的強度和良好的滲透性能, 選用間斷型單粒級配。
細骨料: 細骨料采用粒徑為0.60~1.18mm 的天然砂。
水: 飲用自來水。
化學外加劑: DF- 1 型高效減水劑。
1.2 正交試驗
1.2.1 影響因素和考核指標的選擇
水灰比: 所有類型的混凝土中, 水灰比始終是影響其結構性能的主要因素之一, 再生骨料透水性混凝土的配合比設計應遵循透水性混凝土的結構模型[5],所以再生骨料透水性混凝土的水灰比既影響強度又影響其透水性, 因此, 要慎重選擇水灰比。水灰比過小, 水泥漿過于干硬, 不能充分包裹骨料表面, 而形成粉團填充于空隙內, 致使骨料與漿體之間不能很好的膠結, 混凝土拌合物和易性很差, 不利于混凝土強度的提高; 反之, 水灰比過大, 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看, 在成型后凝結過程中由于稀的水泥漿往下部流動在試塊下部形成一個密實的平臺, 既不利于透水, 又不利于強度的提高。經過文獻調研[10- 11]以及數次試驗的驗證, 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度和透水性能, 因為骨灰比的大小決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度較低, 故選用較小的骨灰比,本次試驗采用的骨灰比為3.0、3.5 和4.0 三個水平。
砂率: 合適的砂率也是透水性混凝土的影響因素之一, 當砂率較低或無砂時, 砂漿數量不足以完全包裹再生骨料表面, 導致混凝土結構不密實, 透水性能較好但強度不高; 但砂率過高或和普通混凝土砂率水平( 25%以上) 相同時, 在充分包裹骨料表面的同時, 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度提高, 強度提高, 但透水性能下降。故依據透水性混凝土配比特點, 本次試驗選用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構骨架, 骨料的粒徑也是決定其強度和透水性的主要因素之一, 通常粗骨料采用單一粒級骨料來保證透水性混凝土的強度和透水性能[12], 再生骨料透水性混凝土也不例外。綜合考慮強度和透水性以及實用性, 本次試驗采用9.5~4.75mm、16~9.5mm、20~16mm 三個水平。
1.2.2 考核指標的確定及各考核指標的試驗方法
從透水性混凝土的實用性考慮, 以表征透水性混凝土主要性能的28d 抗壓強度、透水系數、孔隙率為考核指標?；炷猎嚰烈欢g期時按照天然骨料混凝土測試方法在TYE- 2000B 型壓力試驗機上測定混凝土試塊抗壓強度; 以每分鐘通過混凝土試塊的水量經過適當的換算從而表征混凝土的透水系數; 以電子秤稱重測得混凝土試塊在水中的浮力即該試塊排開水的體積計算混凝土試塊總孔隙率。
1.2.3 正交表的確定與試驗過程
因為選用的影響因素有四個, 每個因素的水平數均為三個, 故選用L9( 34) 即四因素三水平的正交表,按L9 ( 34) 安排實驗方案( 見表2) 。根據影響因素和選用的正交表, 計算出各組試驗的混凝土配合比。用適當的手工攪拌的方法拌合混凝土料, 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, 防止水分過多的散失,拆模后灑水自然養護, 自然養護28d 后, 分別測得透水系數、孔隙率、抗壓強度。結果見表2。
1.2.4 試驗結果分析
將試驗結果進行極差分析, 分析結果見表3。從表2 試驗結果和表3 極差計算結果可以看出,對于考核指標為28d 抗壓強度來說, 水灰比為0.40,骨灰比為3.0, 砂率為20%, 粒徑為16~9.5mm 時最好,此時的最優配合比為A3B1C3D2, 根據極差R 的大小,
對抗壓強度的影響順序為: 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。對于考核指標為透水系數來說, 水灰比為0.35, 骨灰比為4.0, 砂率為10%, 粒徑為16~9.5mm 時最好, 此時的最優配合比為A2B3C1D2, 根據極差R 的大小, 對透水系數的影響順序為: 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。對于考核指標為孔隙率時, 水灰比為0.35, 骨灰比為4.0, 砂率為10%, 粒徑則是16~9.5mm 時最好, 即此時的最優配合比為A2B3C1D2, 根據極差R 的大小, 對孔隙率的影響順序為: 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。
從實驗結果可以看出, 關于透水系數和孔隙率的最優配合比是完全一致的, 這表明正交設計的結果和透水性混凝土的實際結構是相符的, 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度和透水性與天然骨料混凝土一樣, 也是一對相互矛盾的性能指標, 即強度高, 透水性差; 反之, 透水性好, 強度降低。
從強度最優配合比可以看出, 當選用中等粒徑( D2) ,較大水灰比( A3) , 較小骨灰比( B1) , 較大砂率( C3) 時,由于砂漿流動性好, 易填充在混凝土內部, 減少骨料和骨料間的空隙, 使得混凝土密實, 透水性能下降, 強度提高。從透水系數的最優配合比可以看出, 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, 骨料的總表面積增大, 砂漿的數量不足以完全包裹石子表面, 或包裹很薄的一層, 導致混凝土結構不密實, 透水性能提高。
2 擴展試驗
2.1 試驗方法及試驗過程
綜合試驗結果, 得出粒徑處于16~4.75mm 之間時, 綜合指標均較好, 因此, 在確定粒徑的基礎上, 根據前文得出影響透水系數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中較好的數據) 。選用粒徑為9.5~4.75mm,骨灰比為4.0, 砂率為10%, 目標孔隙率為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之間的影響規律; 選用粒徑為16~9.5mm,骨灰比為4.5, 砂率為10%, 目標孔隙率為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律; 選用粒徑為16~9.5mm, 水灰比為0.35, 砂率為10%, 目標孔隙率為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度之間的影響規律。根據以上試驗方法中的各條件, 計算出各組試驗的混凝土配合比, 試驗過程同前文正交試驗部分。
2.2 實驗結果和分析
2.2.1 透水系數試驗結果和分析
再生骨料透水性混凝土透水系數隨水灰比的變化規律如圖1 所示。
從圖1 可以看出, 水灰比對透水系數的影響情況比較復雜, 大致呈現先上升后下降的趨勢。水灰比等于0.33 時, 透水系數不高, 根據成型情況究其原因可知, 水灰比較低時, 由于再生骨料吸水率高, 而致使可用凈水灰比更低, 不能充分攪拌混凝土混合料, 成型困難, 水泥漿較干硬, 不能與再生骨料充分粘結, 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; 當水灰比從0.33 上升到0.40時, 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, 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, 故透水系數上升較快; 但是當水灰比繼續增加到0.45 時, 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, 再生骨料透水性混凝土的透水系數有所下降, 主要原因是, 隨著齡期的增長, 水泥水化逐漸完全, 毛細孔數量減少,混凝土逐漸密實, 透水性下降。
2.2.2 孔隙率實驗結果與分析
再生骨料透水性混凝土孔隙率隨水灰比變化規律如圖2 所示。
從圖2 可以看出, 水灰比對再生骨料混凝土孔隙率的影響情況和水灰比對透水系數的影響情況呈現大致一致的變化趨勢, 也是先上升后下降的變化趨勢。這是因為孔隙率和透水系數是正相關的關系。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 抗壓強度實驗結果與分析
再生骨料透水性混凝土抗壓強度隨骨灰比變化規律如圖3 所示。
從圖3 可以看出, 再生骨料透水性混凝土抗壓強度隨著骨灰比的增長, 呈線性下降趨勢。這是因為, 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, 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的粘結力,破壞一般發生在基體一側, 體現出較高的強度。而當骨灰比逐漸增加至偏高時, 由于水泥漿不足以充分包裹再生骨料, 根據測試情況得出, 破壞往往發生在骨料和水泥石的結合面上, 導致混凝土提前破壞。
3 結論
( 1) 水灰比對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和孔隙率之間呈現相同的規律, 都出現先上升后下降的趨勢。
( 2) 骨灰比對再生骨料透水性混凝土的抗壓強度有一定影響。骨灰比的變化與抗壓強度之間呈現線性下降的趨勢。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, 所以對于再生骨料透水性混凝土來說, 水灰比介于0.37~0.43 之間, 骨灰比介于4.0~4.5 之間時, 混凝土拌和物和易性較好,混凝土的強度較高, 透水性較好。
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