基于正交試驗的透水混凝土配合比設計

趙彥，陳忠玉，張浩杰，何銳波，姜超，李群龍，陳偉

（云南建投曲靖建材有限公司，云南 曲靖 655000）

0 前言

隨著城市化進程的不斷加快，云南省曲靖市在建設過程中大量硬化路面、地面以及不透水地面不斷增多，導致曲靖市區內澇嚴重，逢雨必淹，不斷上演“看海”景觀[1]。對此，昆明市制定了《曲靖市中心城市海綿城市專項規劃》，明確了曲靖市從近期 2016 年至2020 年，遠期 2021 至 2030 年的規劃期限，規劃《曲靖市麒沾馬一體化總體規劃》中心城區范圍，建設用地183m2，研究范圍為中心城區及壩區 1450m2。

針對城市生態系統和城市內澇災害的問題，尋求環境友好型材料的過程中，由于透水混凝土良好的透氣、透水性以及降溫功能將廣泛的應用于生態城市建設[3]。孟宏睿等[4]分析了水灰比和灰骨比對透水混凝土抗壓強度和透水性的影響和關系，在不摻外加劑的情況下配制出了強度為 24.5MPa、透水系數為 2.8mm/s 的透水混凝土。透水混凝土配合比設計方面，鄭木蓮等[5]通過水泥用量、水灰比及集料級配三個因素的正交試驗結果，提出透水混凝土配合比設計的經驗公式法。Joshaghani A等[6]開展了透水混凝土密度、孔隙率及抗壓強度的試驗研究，研究結果表明，隨著骨料粒徑的增大，透水混凝土的孔隙率隨之增大，抗壓強度隨之下降，即孔隙率增大導致抗壓強度下降。透水混凝土的研究和制備也不斷成為行業關注的熱點。

雖然目前對透水性混凝土已經進行了較多的研究工作，但不同地區透水混凝土的應用技術發展不平衡，且各地原材料差異性較大，在推進地區透水混凝土發展應用過程中，有必要進行地區原材料制備透水混凝土的試驗研究。因此，本文根據云南曲靖地區原材料的特性，基于正交試驗設計了不同試驗配合比，分析了水膠比、骨漿比及機制砂摻量對透水混凝土抗壓強度和孔隙率的影響規律，以期為云南曲靖地區透水混凝土的應用提供技術支持。

1 試驗部分

1.1 試驗原材料

（1）水泥：試驗中選用 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，云南曲靖雄業水泥有限公司生產，其物理性能見表1，化學組成見表2。

（2）骨料：粗骨料為粒徑 5～10mm、10～20mm粒徑的碎石，細骨料為 0～5mm 機制砂，云南曲靖青龍尖腦子石業有限公司生產，技術指標見表3 和表4。

（3）減水劑：PCA-800 型高性能聚羧酸減水劑，云南建投高分子有限公司生產，固含量為 12.1%，減水率為 25.3%。

（4）粘結劑：北京德昌偉業建筑工程技術有限公司生產的 DC-C3 型透水膠結劑。

表1 P·O42.5 水泥物理性能

表2 P·O42.5 水泥的化學成分 wt.%

1.2 正交試驗設計

參照 CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術規范》，體積法設計計算配合比。本文通過正交試驗設計研究骨漿比、水膠比及機制砂摻量對透水混凝土力學性能和實際孔隙率的影響，試驗中每個因素設置三個水平，三因素三水平，L9(33) 正交試驗設計表如表5、6所示，具體試驗配合比見表7。

表3 粗骨料技術指標

表4 細骨料技術指標

表5 三因素三水平正交試驗表

表6 正交表L9(33)

1.3 試件制備與養護

按照表7 中的配合比，采用“裹砂石法”成型透水混凝土試件，試件尺寸為 150mm×150mm×150mm，成型 2d 后拆模，然后放入標準養護室（溫度 (20±2)℃，濕度≥95%）進行養護，“裹砂石法”攪拌制度如圖1 所示。

圖1 透水混凝土成型攪拌制度

表7 透水混凝土試驗配合比 kg/m3

1.4 試驗方法

透水混凝土抗壓強度測試參考 GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》中的要求進行。透水混凝土孔隙率試驗采用排水稱重法進行測試，先將試件在水中浸泡 24h 后，測試此時試件在水中的質量M1，取出試件烘干至恒重測試其質量 M2，透水混凝土孔隙率按式 (1) 計算：

式中：P ——試件孔隙率，%；

V ——試件的體積，cm3；

M1——試件浸泡飽水時的質量，g；

M2——試件干燥時時的質量，g；

ρt——水在 t℃ 下的密度，g/cm3。

2 試驗結果與討論

2.1 試驗結果

按照表7 中的配合比成型透水混凝土，分別測試了試件的抗壓強度和實測孔隙率，結果如表8 所示。

表8 抗壓強度與實測孔隙率測試結果

2.2 正交試驗結果分析

2.2.1 直觀分析

采用極差法對表7 中試件的 28d 抗壓強度和實測孔隙率的數據進行了分析，極差分析結果如表9 所示。

表9 正交試驗極差分析表

通過表9 可以看出，各因素對 28d 抗壓強度影響的主次順序為：骨漿比＞機制砂摻量＞水膠比，各因素的最優組合為：骨漿比為 3.15、機制砂摻量 15%、水膠比為 0.26；各因素對實測孔隙率影響的主次順序為：骨漿比＞水膠比＞機制砂摻量，各因素的最優組合為：骨漿比為 3.30、水膠比為 0.26、機制砂摻量 5%。不難發現，骨漿比對 28d 抗壓強度和實測孔隙率具有重要影響，而機制砂摻量、水膠比對抗壓強度和實測孔隙率具有不同的影響規律，機制砂摻量對 28d 抗壓強度影響大于其對實測孔隙率的影響，而水膠比相反。

2.2.2 方差分析

采用方差分析法對表8 中試件的 28d 抗壓強度和實測孔隙率數據進行了分析，方差分析結果分別如表10、表11 所示。

表10 28d 抗壓強度方差分析

表11 實測孔隙率方差分析

由表10 中 28d 抗壓強度的方差分析結果可知，骨漿比的各水平對試件 28d 抗壓強度的影響最為明顯，其此次為機制砂摻量和水膠比，機制砂摻量較水膠比的影響要大。通過表11 中實測孔隙率的方差分析結果可知，骨漿比對試件實測孔隙率的影響最大，而水膠比和機制砂摻量對試件實測孔隙率沒有顯著影響，但水膠比的影響要大于機制砂摻量。

結合表9、表10 及表11 可以發現，極差分析的結果與方差分析結果一致，綜合來看，運用云南曲靖地區原材料進行透水混凝土配合比設計時的影響順序為：骨漿比＞機制砂摻量＞水膠比。

3 結論

（1）對云南曲靖地區原材料配制的透水混凝土進行了正交試驗，并對 28d 抗壓強度和實測孔隙率分別進行了極差分析和方差分析，結果表明，極差分析和方差分析結果一致。

（2）由極差分析和方差分析可知，骨漿比對透水混凝土抗壓強度和實測孔隙率的影響最大。

（3）綜合考慮透水混凝土的性能要求，確定透水混凝土的最優配合比為：骨漿比 3.15、水膠比 0.26、機制砂摻量 10%。