多孔種植混凝土的制備及配合比設計方法研究

王茂勝

【摘要】多孔混凝土是目前應用較廣的一種新型生態(tài)護坡混凝土。其能夠在保證孔隙率的前提下?lián)碛幸欢ǖ膹姸龋M而能夠?qū)崿F(xiàn)生態(tài)和安全防護一體化。本文以孔隙率為主要設計參數(shù)，以 W/C、石子粒徑、目標孔隙率、水泥用量四個控制指標來配制混凝土，對成型的混凝土各項性進行測試，對三參數(shù)進行數(shù)學擬合，提出適合于護坡型的大骨料多孔混凝土的配合比設計方法。

【關(guān)鍵詞】多孔混凝土;孔隙率;強度;配合比;數(shù)學擬合

1、前言

大骨料多孔混凝土是由20～26mm骨料、水泥、功能型外加劑和水拌制而成的一種多孔混凝土，它不含細骨料，由粗骨料表面包裹一層水泥漿相互粘結(jié)形成孔穴均勻分布的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，具有透氣、透水和能夠滿足植物生長的特點[1.2]。多孔混凝土屬于生態(tài)環(huán)境友好型混凝土，它既能減少對地球環(huán)境的負荷，同時又能與自然生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)共生，為人類構(gòu)筑舒適的生活環(huán)境[4]。

大骨料多孔混凝土是一種具有較大孔隙率和較高強度的生態(tài)型混凝土，但其缺乏統(tǒng)一的配合比設計方法，在一定程度上會阻礙其發(fā)展和應用。本文根據(jù)多孔混凝土的結(jié)構(gòu)特征和功能要求，確定了以孔隙率為主要設計參數(shù)，以改變膠凝材料和骨料粒徑來滿足強度的配合比設計思路。首先根據(jù)設計要求確定選用的材料，再確定單位體積混凝土中骨料的用量，然后根據(jù)骨料的表觀密度和設計要求的孔隙率確定膠凝材料用量，最后根據(jù)成型工藝的要求確定水灰比，從而確定單位體積水泥用量和拌合水用量。然后根據(jù)各材料的用量，來確定多孔混凝土的配合比設計方法。

2、原材料及試驗方案

2.1 原材料

（1）水泥：北京金隅42.5級普通硅酸鹽水泥;

（2）骨料：粒徑為5-10mm、10-20mm、20-30mm單粒級石子，針片狀含量低于3%，壓碎指標低于3.7%，含泥量低于1%;

（3）水：自來水;

（4）外加劑：北京東方建科科技有限責任公司提供的GCF-2型生態(tài)砼添加劑。

2.2 試驗方法

多孔混凝土進行孔隙率、透水系數(shù)、抗壓強度的確定。

（1）總孔隙率按下式計算：

p1=[1-（w2- w1）/v]×100%

v—試件的外觀體積，cm3;w1—試件水中浸泡24 h，在水中稱得的質(zhì)量，g;w2—烘干至恒重，稱取其在空氣中的質(zhì)量，g。

（2）多孔混凝土的透水系數(shù)的計算公式如下：

V= H/t

V—透水系數(shù)，mm/s;H—水位下降高度，160mm;t—水位從160mm高度降至0mm的時間，s。

（3）多孔混凝土的抗壓強度

多孔混凝土因側(cè)面不平整，對受壓面按照《普通混凝土小型空心砌塊》GB8239-1997中要求，對其進行平整度處理。

2.3 試驗配合比

本文通過針對W/C、目標孔隙率、水泥用量三指標設計出9組試驗配比，，根據(jù)石子粒徑不同總共進行了27組試驗的測試與分析，擬合試驗數(shù)據(jù)，得出合理的配合比設計方法。

具體試驗配合比見表2。

表2 試驗配合比設計表

3、試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

3.1.1孔隙率試驗結(jié)果分析

（1）目標孔隙率與實測孔隙率的關(guān)系

多孔混凝土目標孔隙率與實測孔隙率的試驗結(jié)果見表4。

不同水灰比時，5-10mm粒徑多孔混凝土目標孔隙率與實測孔隙率之間的關(guān)系見圖1，10-20mm粒徑多孔混凝土目標孔隙率與實測孔隙率關(guān)系見圖2，20-30mm粒徑多孔混凝土目標孔隙率與實測孔隙率關(guān)系見圖3。

由表4、圖1可知，5-10mm粒徑多孔混凝土的目標孔隙率與實測孔隙率基本相同，其中目標孔隙率為15%時的試驗結(jié)果最為準確;當W/C為0.3、0.35，目標孔隙率為20%時，孔隙率較準確;當W/C為0.25時，目標孔隙率與實測孔隙率偏差較大;W/C為0.3、且目標孔隙率為25%時，孔隙率的試驗結(jié)果較準確;W/C為0.25、0.35時，目標孔隙率與實測孔隙率偏差較大。

由表4、圖2可以看出：采用10-20mm粒徑配制的多孔混凝土，當W/C為0.3時，其目標孔隙率與實測孔隙率較吻合，偏差較小;當W/C為0.35時，目標孔隙率與實測孔隙率的偏差較大。W/C為0.25、0.35目標孔隙率為15%時偏差較大;W/C為0.25，目標孔隙率為20%時，實測孔隙率為19.7%，與目標孔隙率只相差0.3%;W/C為0.3、0.35目標孔隙率與實測孔隙率偏差較大。

由表4、圖3可知，采用20-30mm粒徑的多孔混凝土：當W/C為0.35時，目標孔隙率為15%時，目標孔隙率與實測孔隙率較接近;W/C為0.25、0.3時，兩者的偏差則比較大;W/C為0.3，目標孔隙率為20%時，目標孔隙率與實測孔隙率較接近;W/C為0.25、0.35則偏差較大;目標孔隙率為25%時，兩者的偏差都較大。

（2）水灰比與實測孔隙率之間的關(guān)系

不同目標孔隙率時，5-10mm粒徑多孔混凝土W/C與實測孔隙率的關(guān)系見圖4，10-20mm粒徑多孔混凝土W/C與實測孔隙率的關(guān)系見圖5，20-30mm粒徑多孔混凝土W/C與實測孔隙率的關(guān)系見圖6。

由4可以看出，采用5-10mm粒徑的多孔混凝土，其目標孔隙率與實測孔隙率基本相符，其中W/C為0.3的目標孔隙率與實測孔隙率最為接近，W/C為0.25、0.35的目標孔隙率與實測孔隙率稍有偏差。

由圖5可以看出，采用10-20mm粒徑的多孔混凝土，其目標孔隙率與實測孔隙率偏差較大，其中W/C為0.25目標孔隙率為20%和W/C為0.3目標孔隙率為15%的目標孔隙率與實測孔隙率最為接近，其他則稍有偏差。

由圖6可以看出，采用20-30mm粒徑的多孔混凝土，其目標孔隙率與實測孔隙率偏差較大，其中W/C為0.3目標孔隙率為20%和W/C為0.35目標孔隙率為15%的目標孔隙率與實測孔隙率偏差最小，其它則偏差較大。

3.1.2 透水系數(shù)試驗結(jié)果分析

27種多孔混凝土的透水系數(shù)試驗結(jié)果見表5。

1）透水系數(shù)與孔隙率的關(guān)系

5-10mm粒徑多孔混凝土透水系數(shù)與實測孔隙率關(guān)系見圖7，10-20mm粒徑多孔混凝土透水系數(shù)與實測孔隙率關(guān)系見圖8，20-30mm粒徑多孔混凝土透水系數(shù)與實測孔隙率關(guān)系見圖9。

由圖7、8、9可知， 透水系數(shù)隨著孔隙率的增大而增大。這是因為隨著孔隙率的增大， 混凝土內(nèi)部供水通過的連通孔道增多，其受到的阻力減少，導致水通過的速率增加，使透水系數(shù)增加。

采用5-10mm粒徑的多孔混凝土，其透水系數(shù)與實測孔隙率的擬合曲線呈二次曲線關(guān)系，關(guān)系式如下所示：y=0.1764x2-4.2308x+28.161（R2=0.9110）。

采用10-20mm粒徑的多孔混凝土，其透水系數(shù)與實測孔隙率的擬合曲線呈二次曲線關(guān)系，關(guān)系式如下所示：y=-0.0054x2+2.1882x-18.119（R2=0.8890）。

采用20-30mm粒徑的多孔混凝土，其透水系數(shù)與實測孔隙率的擬合曲線呈二次曲線關(guān)系，關(guān)系式如下所示：y=-0.0582x2+5.1468x-49.559（R2=0.8423）。

3.1.3 強度試驗結(jié)果

多孔混凝土的抗壓強度試驗結(jié)果見表6。

（1）不同骨料粒徑多孔混凝土強度關(guān)系

多孔混凝土和普通混凝土一樣，隨著齡期的增加，其強度也逐漸增長。多孔混凝土的強度來源于兩個方面：一是骨料顆粒之間的嵌擠作用;二是水泥石的膠結(jié)作用。因此良好的級配時制得較高強度多孔混凝土的關(guān)鍵。由試驗結(jié)果可知7d抗壓強度可以達到28d抗壓強度的80%左右。

5-10mm粒徑多孔混凝土7d與28d抗壓強度值的關(guān)系圖見10，10-20mm粒徑多孔混凝土7d與28d抗壓強度值的關(guān)系圖見11，20-30mm粒徑多孔混凝土7d與28d抗壓強度值的關(guān)系圖見12。

從表6、圖10可知， 5-10mm粒徑多孔混凝土在一定的目標孔隙率下，28d抗壓強度在W/C為0.25時最大，且有隨著W/C的增加逐漸減小的趨勢，W/C為0.25時目標孔隙率為15%的透水混凝土28d 抗壓強度最大，W/C為0.35時目標孔隙率為25%的透水混凝土28d 抗壓強度最小;當W/C為0.25、0.3時，28天抗壓強度隨著目標空隙率的增大而減小，但是當W/C為0.35時，28天抗壓強度隨著目標空隙率的增大先增大后減小。可見抗壓強度不僅與目標孔隙率有關(guān)，還與W/C有關(guān)。

由圖10可以看出，5-10mm粒徑多孔混凝土7d和28d抗壓強度呈二次曲線增長關(guān)系， 關(guān)系式如下所示：

從表6、圖11可知， 10-20mm粒徑多孔混凝土在一定的目標孔隙率下，28d抗壓強度在W/C為0.25時最大，且有隨著W/C的增加逐漸減小的趨勢，W/C為0.25時目標孔隙率為15%的透水混凝土28d 抗壓強度最大，W/C為0.35時目標孔隙率為25%的透水混凝土28d 抗壓強度最小;當W/C為0.25、0.3時，28天抗壓強度隨著目標空隙率的增大而減小，但是當W/C為0.35時，28天抗壓強度隨著目標空隙率的增大先增大后減小。

由圖11可以看出，10-20mm粒徑多孔混凝土7d和28d抗壓強度呈二次曲線增長關(guān)系， 關(guān)系式如下所示：

從表6、圖12可知， 20-30mm粒徑多孔混凝土在一定的目標孔隙率下，28d抗壓強度在W/C為0.25時最大，且有隨著W/C的增加逐漸減小的趨勢，W/C為0.25時目標孔隙率為15%的透水混凝土28d 抗壓強度最大，W/C為0.35時目標孔隙率為25%的多孔混凝土28d 抗壓強度最小;當W/C為0.25、0.3時，28天抗壓強度隨著目標空隙率的增大而減小，但是當W/C為0.35時，28天抗壓強度隨著目標空隙率的增大先增大后減小。

由圖12可以看出，20-30mm粒徑多孔混凝土7d和28d抗壓強度呈二次曲線增長關(guān)系， 關(guān)系式如下所示：

（2）不同孔隙率混凝土的強度變化

不同孔隙率多孔混凝土的強度值變化見下圖。

目標孔隙率為15%時，多孔混凝土的28d抗壓強度見圖13，目標孔隙率為20%時，多孔混凝土的28d抗壓強度見圖14，目標孔隙率為25%時，多孔混凝土的28d抗壓強度見圖15。

骨料類型會影響多孔混凝土的抗壓強度。一般認為，卵石骨料的混凝土抗壓強度大于碎石骨料，這是由于碎石骨料粘結(jié)點少而小，且在荷載作用下易產(chǎn)生應力集中引起局部破壞所致。

由以上三個圖可知，不同骨料粒徑下28天抗壓強度隨著W/C的增大而減小，當W/C為0.25，且采用5-10mm粒徑時，多孔混凝土的強度值最大;當W/C為0.35，采用20-30mm粒徑的多孔混凝土的強度最低。從三個圖中也可以對比出，采用5-10mm粒徑的多孔混凝土，其28天抗壓強度大于10-20mm粒徑的28天抗壓強度值，并大于20-30mm粒徑的28天抗壓強度值，說明28天抗壓強度與骨料粒徑也有關(guān)系，且骨料粒徑越小強度越大，骨料粒徑越大，強度越小。

4、多孔混凝土的配合比設計方法與驗證

根據(jù)以上分析及結(jié)論，提出多孔混凝土配合比的設計方法與參數(shù)：

參考文獻：

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