基于可視化分析的聚合物透水混凝土抗壓性能研究

胡朝峰,陳秀玲,葛根旺,潘隨偉

(1.馬鋼工程技術集團設計研究院有限公司,安徽 馬鞍山243000;2.馬鞍山學院建筑工程學院,安徽 馬鞍山243000)

0 引言

近年來,透水混凝土因“滲、吸、儲、凈、釋”水性能及其對生態環境的改善作用在海綿城市建設中得到了越來越廣泛的應用[1],其骨架的多孔結構雖然具備良好的透水性能,但抗壓強度大多偏低,而透水混凝土的抗壓強度作為評估其路用性能的一項重要指標,研究其影響因素十分必要。透水混凝土抗壓強度的影響因素較多[2-7],目前的研究大多是在固定條件下進行單因素分析,對于多因素分析難以建立一個精確的數學模型。做單因素分析試驗材料消耗巨大,試驗周期長,難以快速得到結果,跨季節試驗還會存在試驗數據不準等問題,故提高試驗效率顯得尤為重要。本試驗設計采取由方開泰與王元共同提出[8]的均勻試驗設計法[9],對于一個m因素n水平的試驗,該方法只需做n組試驗即可,這大大降低了試驗的工作量。但由于均勻試驗及其結果并沒有整齊可比性,不能采用一般的極差或方差分析法,故借鑒孫益民[10]的分析思路,采用M2VA ( multifactor and multilevel visual analysis)法[10-13]進行試驗結果分析,通過繪制2.5維圖形,較為直接地反映出透水混凝土強度影響因素與目標強度之間的非線性關系,為透水混凝土的優化配置提供更簡便的方法。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥:安徽海螺水泥廠生產的P·O42.5級硅酸鹽水泥,其性能指標及化學成分見表1、表2。粗骨料:兩種粒徑的普通碎石子:①ST1為4.6～9.5 mm碎石子,堆積密度為1275 kg/m3。②ST2為9.5～16 mm碎石子,堆積密度為1250 kg/m3。聚合物:廣東省深圳市豪圣新材料公司生產的VAE乳膠粉(乙烯-醋酸乙烯聚合物),白色粉末,型號FY-318,pH值6～8。江蘇省安居環保科技公司生產的粉末狀SAP[聚丙烯酸鹽(鈉鹽)類高吸水性樹脂],堆積密度0.65～0.85 g/mL,pH值5.5～6.5。水:自來水。

表1 水泥性能指標

表2 水泥的化學成分

1.2 試驗方法

1.2.1 配合比設計

采用均勻試驗設計法,根據骨料的堆積密度及前人的研究經驗確定骨膠比、水灰比、聚合物摻量百分比等分布區間,計算出每立方米透水混凝土各材料的用料范圍。主要設計步驟如下:

1)根據緊密堆積密度ρg乘以所有實驗試塊的總體積V,考慮修正系數θ(一般取0.95～0.98),計算出粗骨料的總用量ms,如式(1)所示。由于骨料級配粒徑分別為4.75～9.5 mm和9.5～16 mm,按設計比例混合后進行配置研究,不同粒徑骨料堆積密度不同,故計算出的骨料的總用量mg是一個區間值。

mg=θ·ρg·V

(1)

2)根據文獻[1-7,14-17]確定了骨膠比ζ的分布區間為4～6,結合1)中骨料總用量區間確定水泥用量mc的分布區間。mc計算公式如式(2)所示。

(2)

3)根據文獻[1-7,14-17]確定了水灰比α的分布區間為0.25～0.45,結合2)中水泥用量mc分布區間確定了用水量mw的分布區間。mw計算公式如式(3)所示。

(3)

4)根據王海龍[6]對鋼渣透水混凝土摻入VAE(醋酸乙烯-乙烯)乳液的研究,確定了VAE聚合物摻量相對于水泥用量的百分比δ分布區間為0%～15%,由此確定了VAE聚合物摻入的質量mf分布區間。計算公式如式(4)所示。

mf=δ·mc

(4)

5)根據李杰[18]的SAP改性鋼渣透水混凝土試驗數據及項尚的SAP對高性能混凝土耐磨性研究[17],確定了SAP摻入量相對于水泥用量的百分比η分布區間為0%～1%,由此確定了SAP聚合物摻入的質量m′f分布區間。計算公式如式(5)所示。

m′f=η·mc

(5)

故確定了每立方米透水混凝土各材料的用料范圍如表3所示。表中ST1與ST2分別為粒徑4.75～9.5 mm和9.5～16 mm的碎石子。

1.2.2 攪拌與成型工藝

攪拌工藝采用凈漿裹石法,攪拌方法為手動攪拌。將烘干的碎石及全部的水泥、SAP、VAE攪拌均勻,加入2/3的水,攪拌1 min,待所有骨料表面濕潤后加入剩余計算水量,再次攪拌后出料。分3次裝模錘擊成型,如圖1所示。

圖1 透水混凝土的分層錘擊

1.2.3 抗壓強度試驗

采用邊長為100 mm的立方體試件,將其放入YE-2000型液壓式壓力試驗機,如圖2所示。

圖2 YE-2000型液壓式壓力試驗機測定抗壓強度

透水混凝土抗壓強度試驗按照我國《透水混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2016)的規定執行,按下式計算:

(6)

式中,fcc-混凝土立方體試件抗壓強度(MPa),F-試件破壞荷載(N),A-試件承壓面積(mm2)。

1.2.4 透水性試驗

采用落水頭法測定邊長為100 mm透水混凝土立方體試件的透水系數。所用試驗儀器為HDSS-II型瀝青路面透水系數測定儀,如圖3所示。

圖3 落水頭法測定透水系數的裝置

將立方體試件的四周用橡皮泥包裹,留上下兩面透空,向圓筒中加滿水,打開水閘,水通過試件的上表面向下表面滲漏,測量水面從550 mL下降到50 mL高度處所經歷的時間Δt=t2-t1(s),則透水系數K1(mL/s)可用以下公式求得:

(7)

式中,K1-透水系數(mL/s),V1-第一次讀數時的水量(mL),V2-第二次讀數時的水量(mL),Δt-水面刻度從h1高度下降至h2高度處的時間間隔(s)。

2 均勻試驗設計及結果

2.1 均勻試驗設計及結果

根據表1計算出一次投料所需的透水混凝土各材料的用料范圍,采用均勻試驗設計理論,結合現場實際情況調整并設計了以下5因素15水平的均勻試驗,如表4所示。一次投料的ST1及ST2骨料的總量為20.63 kg。

均勻試驗結果中,透水系數相對較大,透水系數最小的A12組試件透水系數為65.5 mL/s,由其配合比制成的100 mm高路面結構可以完成393 L/(m2·min)的透水量,遠超過標準情況下的200 L/(m2·min)的透水量,故認為實驗組均能滿足良好的透水性能。而試驗組別中抗壓性能卻不甚理想,故分析的關鍵在于改善其抗壓性能。

2.2 M2VA法分析試驗數據

圖4、圖5、圖6、圖7為5個試驗因素對試驗指標(28 d抗壓強度)的2.5維圖片的可視化分析。每個圖中的實心點為真實試驗點,圖中的光滑線條為可視化法非線性繪制的等強度曲線,曲線中數字單位為MPa。

圖4 水泥用量與用水量對抗壓強度的影響

圖5 水泥用量與SAP對抗壓強度的影響

圖6 水泥用量與VAE對抗壓強度的影響

圖7 水泥用量與ST1用量對抗壓強度的影響

從圖4可看出,隨著用水量與水泥用量的變化,水泥漿體或稀釋或黏稠或干澀,黏度變化導致抗壓強度的改變,當水灰比范圍大致為0.38～0.43時,骨料間膠結漿體的黏度較好。當用水量為1600 mL左右,水泥用量在4.0～4.18 kg時,透水混凝土抗壓強度最高可達26.5 MPa。

從圖5可看出,當水泥用量小于4.4 kg時,加入小于0.2%的SAP或不加SAP,透水混凝土28 d抗壓強度較大。當水泥用量大于4.6 kg時,隨著SAP的加入,抗壓強度先增后略有減小。當水泥用量為4.6～5.14 kg,SAP的最優摻入量宜為25～40 g,占水泥用量約0.54%～0.83%。

從圖6可看出,透水混凝土抗壓強度與VAE聚合物摻量及聚灰比之間未見明顯的線性關系,但從圖中壓力線峰值處發現,水泥用量為3.7～4.0 kg時,加入約10%的VAE對抗壓強度略有提高。

從圖7可以看出,隨著ST1的增加,抗壓強度先增后減,當ST1用量為15 kg左右,即ST1∶ST2=3∶1,水泥用量4.2～4.5 kg,骨膠比約為4.6～4.9時,透水混凝土抗壓強度可達到20 MPa以上。

3 結論

采用均勻試驗法設計了15組試驗,考察了用水量、水泥用量、骨料ST1與ST2的級配、VAE聚合物摻量、SAP聚合物摻量5個影響因素對透水混凝土抗壓強度的影響。M2VA[14-17]法的結果顯示:聚合物透水混凝土抗壓強度受5個影響因素影響的順序由強到弱分別為:用水量>骨料1>水泥>VAE聚合物>SAP聚合物。控制透水混凝凝土單方用水量92.7～105.1 L,單方骨料用量1275 kg,ST1∶ST2= 3∶1,單方水泥用量235～260 kg,VAE摻量約為水泥用量的10%,SAP不摻或少摻,可以得到滿足路用抗壓性能要求的透水混凝土材料。