現澆透水混凝土施工中的最佳工藝參數組合實驗研究

于景巖

(盤山縣水利建筑工程處，遼寧 盤錦 124100)

0 引 言

隨著城鎮化建設的快速推進，河道整治逐漸成為改善城區景觀效果、增強城鎮防洪排澇能力的重要工程措施[1-3]。傳統的河道治理最常見、最主要的整治措施是堤防和河岸硬化處理，這種工程模式過于突出邊坡的穩定性和強度要求，未考慮生態保護作用，從而導致河流生態系統的人為隔絕，對水生態環境優化和保護造成不利影響，甚至會破壞水系統的良性循環[4-5]。因此，河道整治既要考慮工程措施的經濟性與耐久性要求，更好突出強調生態保護功能。在此背景下，透水混凝土鋪裝逐漸成為河道整治工程乃至水利工程最重要的形式。透水鋪裝能夠打通河流水體與生態系統之間的有效循環和聯結，并為各種動植物創造適宜的棲息生長空間[6-10]。然而，因存在強度相對較低、孔隙率較高的特點，實際運輸過程中極易對透水混凝土造成損壞，所以現澆透水混凝土鋪裝勢必成為今后的發展方向[11]。鑒于此，文章通過室內交叉試驗，優化研究了最佳工藝參數組合，旨在為現澆透水混凝土的推廣應用提供一定技術支持。

1 試驗方法

1.1 原材料準備

試驗用水泥為大連天瑞水泥有限公司生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，經檢驗該水泥各項指標都符合GB 175-2020《通用硅酸鹽水泥》規范要求，能夠用于試驗研究。試驗用粗、細骨料為粒徑5-20mm的連續級配機制碎石和河砂，經檢驗其各項指標都符合規范要求；試驗用粉煤灰為沈海熱電廠生產的Ⅱ級灰，經檢驗其各項性能指標均滿足GB/T 1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中Ⅱ級灰要求；試驗用纖維為直徑30μm、單絲長18mm的聚丙烯纖維；試驗用減水劑為蘇博特SBTJM?-Ⅵ系列高效減水劑，拌合水為自來水。

1.2 方案設計

根據透水混凝土的特點和現澆混凝土的應用經驗，確定坡度、振搗時長以及厚度是透水混凝土力學性能的主要影響因素[12]。因此，本試驗選擇坡度、振搗時長和厚度3個因素，通過正交試驗優化研究現澆透水混凝土施工工藝。實際上，透水混凝土強度主要來自于粗骨料之間的嵌擠作用和水泥等膠凝材料的黏結作用，所以混凝土強度受其厚度的影響比較明顯，故設計9cm、11cm、13cm、15cm四種澆筑厚度；考慮到混凝土密實度直接受振搗時間的影響，結合工程經驗和現有文獻資料共設計2s、5s、8s、11s四種振搗時間；另外，在河道護坡中使用透水混凝土時，坡度也顯著影響著混凝土強度，故設計0.2、0.5、0.8、1.0四種坡度。結合以上參數，通過正交設計提出四水平三因素試驗方案，四水平三因素正交試驗方案，見表1。

表1 四水平三因素正交試驗方案

續表1 四水平三因素正交試驗方案

1.3 試驗方法

為保證試驗數據的精準度，每組配制3個混凝土試樣，各方案最終試驗結果取3個試樣的平均值。試驗過程中利用裹漿法攪拌現澆混凝土，混凝土出倉后倒入預先制備好的模板內(模板尺寸80cm×60cm，按實際成型條件設計厚度)，然后進行平板振搗，室內靜置24h后拆模，在自然環境下養護28d后進行抗壓強度檢測。自然養護時，將毛氈覆蓋在試樣表面，為促使水泥充分水化每天早晚灑水2次，灑水養護時間至少為7d。考慮到場地大小和試驗要求，將鋼筋支架設置于模板下面，以確保模板坡度符合設計要求。

根據現有標準和規范測定各組試樣的力學性能，測試時嚴格按照操作流程保證試驗結果的可靠性和準確性[13]。本試驗所用到的儀器設備為WAW-3000C萬能伺服試驗機，依據DLT 5330-2015《水工混凝土配合比設計規程》規定的步驟和流程進行試驗操作，做好試驗數據的記錄工作。

2 結果與分析

2.1 試驗結果

將所有試件的力學性能利用規范推薦的試驗方法進行測試，力學性能檢測結果，見表2。結果顯示，混凝土成型坡度、振搗時長以及成型厚度均顯著影響著透水混凝土的抗折強度和抗壓強度。

表2 力學性能檢測結果

續表2 力學性能檢測結果

2.2 結果分析

為進一步揭示現澆透水混凝土力學性能受不同因素的影響作用，可以通過極差分析各組試驗數據，確定力學性能指標與坡度、振搗時間、厚度等因素之間的關系，從而提取最佳的工藝參數。

2.2.1 成型厚度的影響

依據極差分析結果和試驗數據繪制透水混凝土28d抗折、抗壓強度與成型厚度的關系圖，力學性能與成型厚度的關系圖，見圖1。

結果顯示，隨著成型厚度的增加透水混凝土的抗折和抗壓強度均表現出先增加后減小的變化趨勢，混凝土試樣成型厚度為11cm時具有最大的抗折與抗壓強度值。究其原因，水泥等膠凝材料和骨料之間的膠結作用主要產生透水混凝土的抗壓強度，骨料與膠凝材料之間的黏結力以及膠凝材料與纖維的抗拉拔力主要產生其抗折強度。在成型厚度較小情況下，透水混凝土內部堆積的骨料層數不多，膠凝材料與骨料、纖維之間的有效黏結較少，所以測定的抗折與抗壓強度也相對較低；成型厚度逐漸增大，則膠凝材料與骨料、纖維之間的有效黏結將明顯增加，所以測定的抗折與抗壓強度明顯增大；然而受限于振搗設備的自有特性，成型厚度的進一步增大會使得混凝土內部形成較多的大孔隙結構，在荷載作用下很容易產生局部變形破壞，從而使得測定的抗折和抗壓強度表現出減小趨勢[14]。

2.2.2 振搗時長的影響

依據極差分析結果和試驗數據繪制透水混凝土28d抗折、抗壓強度與振搗時間的關系圖，力學性能與振搗時間的關系圖，見圖2。

結果表明，隨著振搗時長的增加透水混凝土的抗折和抗壓強度均表現出先增加后減小的變化趨勢，混凝土試樣振搗時長為8s時具有最大的抗折與抗壓強度值。究其原因，在具體施工時，混凝土材料之間的密實程度會隨著振搗時長的增加而增大，骨料之間的膠結作用和內部結構的整體性明顯增強，所以測定的抗折與抗壓強度有所增加。然而振搗時長>8s以后，隨著振搗的持續進行膠凝材料會不斷下滑，從而造成下部出現一定沉漿而上部膠凝材料減少的現象，故測定的抗折與抗壓強度減小[15]。所以，為了保證工程效果達到最佳，在施工過程中要合理設計現澆透水混凝土的振搗時間。

2.2.3 坡度的影響

依據極差分析結果和試驗數據繪制透水混凝土28d抗折、抗壓強度與坡度的關系圖，力學性能與成型坡度的關系圖，見圖3。

試驗表明，隨著成型坡度的減小透水混凝土的抗折和抗壓強度均表現出先增加后減小的變化趨勢，成型坡度為0.8時的混凝土試樣具有最大的抗折與抗壓強度值。究其原因，在具體施工時，成型坡度較大則混凝土受到向下重力作用的影響就較大，膠凝材料將在振搗作用向下滑移，從而使得膠凝材料分布不均，對混凝土抗折與抗壓強度造成影響。這種現象會隨著坡度的減小而減弱，減小坡度會明顯提高抗折與抗壓強度。然而坡度的進一步減小，會使混凝土材料受向下重力作用的影響明顯減弱，內部骨料之間的膠結作用和測定的抗折、抗壓強度也會隨之減弱。

2.3 最佳參數組合

根據以上試驗結果，確定現澆透水混凝土最佳工藝參數組合為成型坡度0.8、振搗時長8s、厚度11cm，顯然在正交試驗方案中并沒有該參數組合。因此，在不改變試驗方法和材料的條件下，按照以上參數重新配制3個試樣并測定其抗折、抗壓強度，最佳參數組合試驗數據，見表3。結果表明，按最佳參數組合的混凝土試樣抗折與抗壓強度平均值為2.45MPa、8.34MPa，均高于正交試驗檢測數據，可見該參數組合具有明顯優勢，可以用于河道岸坡整治工程。

表3 最佳參數組合試驗數據

3 結 論

隨著科技的進步和經濟的不斷發展，水利工程建設對生態保護的要求越來越高。文章結合生態透水混凝土在河道治理工程中的實際需求，采用室內正交試驗的方式揭示了成型厚度、坡度、振搗時長對透水混凝土強度的影響，在此基礎上給出最佳參數組合，可為現澆透水混凝土的試驗方法研究和推廣應用提供一定參考。受文章篇幅限制，文中僅研究了坡度、振搗時間以及成型厚度對強度的影響，未來仍需進一步探討對耐久性和透水性的影響規律，進一步提高現澆透水混凝土的實用價值。