影響透水混凝土有效空隙率的因素分析

賀圖升，謝夢(mèng)倩，劉洋，田長(zhǎng)安，黎載波

(韶關(guān)學(xué)院化學(xué)與土木工程學(xué)院，韶關(guān) 512005)

透水混凝土作為一種路面鋪裝材料，因其透水性、吸聲降噪以及降低城市“熱島效應(yīng)”等作用而受到廣泛關(guān)注[1]。透水混凝土是由集料表面包裹水泥基漿體而形成的統(tǒng)一整體，屬于骨架空隙結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，具有高空隙率、高透水性以及低抗壓強(qiáng)度等特點(diǎn)[2]。對(duì)于透水混凝土而言，只有保證一定的有效空隙率，才能確保透水混凝土具有排水、滲水、凈水等各方面的功能，同時(shí)，有效空隙率還直接影響到透水混凝土的力學(xué)性能、透水性能以及耐久性。因此，有效空隙率是透水混凝土配合比設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)[3]。空隙率過(guò)大或過(guò)小均會(huì)對(duì)透水混凝土產(chǎn)生不利影響。空隙率過(guò)大，透水混凝土強(qiáng)度偏低，易造成集料剝落、松散等問(wèn)題；空隙率過(guò)小，透水混凝土易造成堵塞，影響透水性能。

已有研究表明[4,5]，空隙率的大小與集灰比、水灰比、集料級(jí)配、集料空隙率、透水混凝土表觀密度以及理論空隙率等因素密切相關(guān)，然而各因素對(duì)空隙率的影響程度如何有待進(jìn)一步探討。針對(duì)幾組不同配合比及集料級(jí)配的透水混凝土試驗(yàn)結(jié)果，引入灰色系統(tǒng)理論對(duì)其進(jìn)行分析，確定各因素對(duì)透水混凝土有效空隙率的影響程度，為透水混凝土配合比設(shè)計(jì)與工程施工提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥采用PO42.5R普通硅酸鹽水泥，密度3.05 g/cm3，勃氏比表面積為385 m2/kg，3 d和28 d抗壓強(qiáng)度分別為29.1 MPa和49.1 MPa；集料：粒徑為4.75～9.5 mm與9.5～16 mm兩種單粒級(jí)石灰?guī)r碎石，表觀密度2.733 g/cm3；外加劑：西卡聚羧酸鹽高效減水劑(ES-600WH，固含量20%)。

1.2 方法

1.2.1 攪拌與成型工藝

攪拌成型工藝：先將水泥與水在攪拌機(jī)中攪拌1 min，然后將稱量好的集料浸濕并加入到水泥漿中攪拌2 min后出料，再裝入100 mm×100 mm×200 mm的試模；成型時(shí)將新拌混凝土分2層(每層50 mm)裝入模具，第一層用振動(dòng)臺(tái)震動(dòng)5～10 s，第二層在振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)10～15 s同時(shí)施加一定壓力(0.06 MPa)；試件成型后立即帶模具進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)(溫度(20±2)℃，相對(duì)濕度95%以上)，24 h后拆模，繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

1.2.2 集料空隙率測(cè)定

按照J(rèn)TG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)定粗集料的空隙率。

1.2.3 混凝土表觀密度與抗壓強(qiáng)度測(cè)定

按照DL/T 5150—2017《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)定透水混凝土的表觀密度和抗壓強(qiáng)度。

1.2.4 混凝土有效空隙率測(cè)定

將試件完全浸泡在清水中24 h后，測(cè)試水中試件的質(zhì)量(m1)，然后把試件取出，在空氣中干燥24 h后測(cè)量其質(zhì)量(m2)，有效空隙率P(這里指開(kāi)口總空隙率)可通過(guò)下列公式計(jì)算

式中，V為試件的體積，cm3；ρw為水的密度，g/cm3；試件的質(zhì)量用美國(guó)雙杰電子秤JJ2000Y(量程2 000 g)，精確到0.1 g；試件的尺寸采用游標(biāo)卡尺測(cè)量，精確到1 mm。

1.2.5 透水混凝土透水系數(shù)測(cè)定

依據(jù)《透水路面磚和透水路面板》(GB/T 25993—2010)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)測(cè)定透水混凝土的透水系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析是基于行為因子序列微觀或宏觀的幾何接近，以分析和確定因子間的影響程度或因子對(duì)主行為的貢獻(xiàn)程度而進(jìn)行的一種分析方法。其目的在于尋求系統(tǒng)中各因素之間的主要關(guān)系，找出影響目標(biāo)值的重要因素，從而掌握事物的主要特征[6]。

首先確定系統(tǒng)行為特征X0={x0(k)}為參考序列(又稱母序列)，k=1,2,…，n；Xi={xi(k)}為比較序列(又稱子序列)，k=1,2,…，n，i=1,2,…，m。

灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算步驟：

1)對(duì)各數(shù)據(jù)序列進(jìn)行初值化

2)計(jì)算被評(píng)價(jià)對(duì)象子序列與母序列對(duì)應(yīng)元素的絕對(duì)差值Δ0i(k)，即

Δ0i(k)=|x′0(k)-x′i(k)|k=1,2,…，n，i=1,2,…，m

4)計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)：分別計(jì)算每個(gè)比較序列與參考序列對(duì)應(yīng)元素的關(guān)聯(lián)系數(shù)

式中，ξ為分辨系數(shù)，通常ξ取0.5。

5)計(jì)算關(guān)聯(lián)度

2.1.1 灰色關(guān)聯(lián)度

以透水混凝土有效空隙率為母序列，以相應(yīng)各影響因素為子序列(見(jiàn)表1)，并計(jì)算各影響因素與透水混凝土有效空隙率之間的關(guān)聯(lián)度，見(jiàn)表2。

表1 母序列與子序列

表2 灰色關(guān)聯(lián)度

表2的計(jì)算結(jié)果顯示，各因素對(duì)透水混凝土有效空隙率的影響程度由大到小依次為：理論空隙率、集料空隙率、混凝土表觀密度、集灰比、水灰比、4.75～9.5 mm質(zhì)量百分比。

由上述排序結(jié)果表明：理論空隙率是影響透水混凝土有效空隙率的最主要因素；集料在透水混凝土中起支架作用，其空隙率反映了集料的堆積密實(shí)度以及集料之間的嚙合度，對(duì)透水混凝土有效空隙率具有重要影響；表觀密度反映了試件的密實(shí)程度，是與混凝土空隙率密切相關(guān)的因素；集灰比對(duì)透水混凝土有效空隙率有一定影響：隨著集灰比的降低，水泥用量相對(duì)增加將使集料之間的空隙被填充，導(dǎo)致集料之間原來(lái)連通的空隙會(huì)逐漸減小甚至變得不連通，而使透水混凝土的有效空隙率下降。

2.1.2 透水混凝土有效空隙率與理論空隙率之間的關(guān)系

由圖1可以看出，透水混凝土有效空隙率隨著理論空隙率的增加而增加；其有效空隙率與理論空隙率之間存在良好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.91。其原因主要是透水混凝土屬于骨架空隙結(jié)構(gòu)，隨著理論空隙率增加，在集料用量一定的情況下，水泥漿體用量相對(duì)減少，集料表面裹漿厚度減小，透水混凝土內(nèi)部有效空隙率相對(duì)增加。同時(shí)，由于透水混凝土有效空隙率與理論空隙率之間存在良好的線性相關(guān)性，據(jù)此，根據(jù)透水混凝土理論空隙率預(yù)測(cè)其有效空隙率；同時(shí)可采用絕對(duì)體積法，通過(guò)改變透水混凝土理論空隙率來(lái)調(diào)整其水泥漿體用量，進(jìn)而改變透水混凝土的透水系數(shù)和抗壓強(qiáng)度，指導(dǎo)透水混凝土配合比設(shè)計(jì)。

2.2 透水混凝土有效空隙率與抗壓強(qiáng)度以及透水系數(shù)之間的關(guān)系

根據(jù)對(duì)不同配合比透水混凝土的有效空隙率與透水系數(shù)的測(cè)定，可以得出有效空隙率與透水系數(shù)呈線性正相關(guān)(見(jiàn)圖2)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.952。由此可以得出，不同配合比透水混凝土的透水系數(shù)都隨著有效空隙率的增大而增大，其原因主要是隨著空隙率的增大，混凝土內(nèi)部的連通孔增多，實(shí)際透水面積增大，透水受到的阻力相應(yīng)減少，導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的水量增加，因而透水系數(shù)增加。

由前面分析可知，透水混凝土有效空隙率與理論空隙率之間存在良好的線性相關(guān)，而有效空隙率與透水系數(shù)呈線性正相關(guān)，即理論空隙率與透水系數(shù)之間亦存在良好的線性相關(guān)。據(jù)此，可以根據(jù)理論空隙率預(yù)測(cè)透水混凝土的透水系數(shù)；因此，可采用絕對(duì)體積法，通過(guò)改變透水混凝土理論空隙率來(lái)調(diào)整其水泥漿體用量，進(jìn)而改變透水混凝土的透水系數(shù)，以指導(dǎo)透水混凝土配合比設(shè)計(jì)。

根據(jù)對(duì)不同配合比透水混凝土的有效空隙率與28 d 抗壓強(qiáng)度的測(cè)定，可以得出有效空隙率與抗壓強(qiáng)度基本接近線性負(fù)相關(guān)(見(jiàn)圖2)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.892。其原因主要是：與普通混凝土中水灰比決定混凝土的抗壓強(qiáng)度不同，透水混凝土屬于干硬性混凝土，空隙率是影響透水混凝土抗壓強(qiáng)度的最主要因素，而水泥漿體對(duì)集料的均勻性包裹與否也是決定透水混凝土抗壓強(qiáng)度的重要因素，但低水灰比易造成集料與水泥漿體間粘結(jié)力下降，削弱了水灰比下降對(duì)水泥漿體的增強(qiáng)作用；同時(shí)透水混凝土高空隙率也大大削弱了水灰比的下降對(duì)透水混凝土的增強(qiáng)作用。因此，水灰比降低時(shí)，透水混凝土的整體抗壓強(qiáng)度提高并不明顯。

由于還有其他因素比如空隙形狀、大小與分布各不相同、骨料形狀、粒徑以及級(jí)配不同，水灰比不同、集灰比不同等，這些因素也都能對(duì)透水混凝土的強(qiáng)度起到直接的影響，因此，由圖2可以看出，有效空隙率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系式的線性相關(guān)系數(shù)比有效空隙率與透水系數(shù)相關(guān)性系數(shù)差。

3 結(jié) 論

a.由灰色關(guān)聯(lián)分析方法獲得各因素對(duì)透水混凝土有效空隙率的影響程度由大到小依次為：理論空隙率、集料空隙率、混凝土表觀密度、集灰比、水灰比、4.75～9.5 mm集料質(zhì)量百分比。

b.理論空隙率是影響透水混凝土有效空隙率最主要因素；集料空隙率反映了集料的堆積密實(shí)度，是影響透水混凝土有效空隙率的重要因素；表觀密度反映了試件的密實(shí)程度，是與混凝土有效空隙率密切相關(guān)的因素；集灰比越小，水泥用量相對(duì)越高，其填充作用使集料間的空隙率減小，也是影響透水混凝土有效空隙率的重要因素。

c.透水混凝土有效空隙率與其理論空隙率、抗壓強(qiáng)度以及透水系數(shù)存在良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.89以上。