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一種內(nèi)疏水型透水混凝土的研制

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【作者機構(gòu)】 北華大學(xué)汽車與建筑工程學(xué)院
【來    源】 《北華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)》 2017年第4期P533-537頁
【分 類 號】 TU528
【分類導(dǎo)航】 工業(yè)技術(shù)->建筑科學(xué)->建筑材料->非金屬材料->混凝土及混凝土制品
【關(guān) 鍵 字】 內(nèi)疏水透水混凝土  正交試驗  抗壓強度  透水系數(shù)

【摘    要】 將疏水劑引入透水混凝土中,研制一種內(nèi)疏水型透水混凝土.采用正交試驗,以28 d抗壓強度和透水系數(shù)為試驗指標(biāo),研究孔隙率、水灰比、疏水劑種類3個因素及不同水平對內(nèi)疏水型透水混凝土性能的影響;通過極差分析及綜合平衡法,分析各因素影響的主次關(guān)系,得出最優(yōu)方案為孔隙率20%,水灰比0.28,荷葉疏水劑;通過對比試驗可知,在最優(yōu)方案下,摻入4%疏水劑較不摻入疏水劑混凝土強度提高28.9%.

隨著城市化進程的加快,大面積不透水性材料被應(yīng)用于城市建設(shè)中,給生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重危害[1].如熱島效應(yīng)、城市內(nèi)澇、地下水資源短缺、地面沉降和地表徑流污染等等.透水混凝土是一種生態(tài)型環(huán)保混凝土,能有效緩解傳統(tǒng)不透水性材料鋪裝給環(huán)境造成的不良影響.玉井元治[2]將高分子樹脂和微細(xì)骨料摻入膠凝材料中,使透水混凝土的強度得到明顯提高;T Y Lo等[3]利用掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線分析系統(tǒng),研究了輕骨料在透水混凝土中的應(yīng)用.在我國,透水混凝土的研究和應(yīng)用起步較晚.陳瑜等[4]采用正交試驗方法,優(yōu)化了透水混凝土的配合比設(shè)計;鄭木蓮等[5]提出以骨料粒徑和均勻系數(shù)作為描述級配的控制指標(biāo),以水泥用量、水灰比和骨料級配為因素,采用正交試驗得出了透水混凝土配合比的經(jīng)驗公式.

總體來看,國內(nèi)外關(guān)于透水混凝土的研究主要集中在配合比和骨料級配的優(yōu)化方面,而對在膠凝材料中添加改性助劑的研究很少[6-15].目前,還沒有將疏水劑應(yīng)用于透水混凝土的研究.摻入疏水劑是為了改變膠結(jié)層表面結(jié)構(gòu),使混凝土內(nèi)部孔道具有疏水結(jié)構(gòu).理論上,內(nèi)疏水透水混凝土具有以下優(yōu)點:1)進入混凝土內(nèi)部的水能夠順利排出,提高透水性能;2)防止雨水長期存積于透水混凝土內(nèi)部而發(fā)生侵蝕破壞和凍融破壞,提高透水混凝土的耐久性能;3)結(jié)構(gòu)層表面爽滑,具有一定的自潔、抗污性能,可在一定程度上防止透水孔隙堵塞,提高透水持久性;4)可以提高結(jié)構(gòu)層黏結(jié)強度,提高強度.

1 試驗材料與試驗過程

1.1 試驗材料

1)水泥:吉林市聯(lián)大水泥廠生產(chǎn)的42.5級硅酸鹽水泥;2)粗集料:吉林市市政采石場生產(chǎn)的玄武巖碎石,通過實驗室震擊式標(biāo)準(zhǔn)振擺儀對碎石進行篩分,人工清洗.技術(shù)指標(biāo)見表1;3)疏水劑:選用3種不同類型的疏水劑,見表2;4)水:普通自來水;5)減水劑:哈爾濱興順建筑外加劑有限公司的XSM聚羧酸高效減水劑.

表1 粗骨料基本物理性能

Tab.1 Basic physical properties of coarse aggregate

表2 疏水劑種類

Tab.2 Species of hydrophobic agent

1.2 試件制作與性能測試

根據(jù)體積法計算材料配合比.采用水泥裹石法人工拌和混合料3 min,測試工作性能,分3層裝入100 mm×100 mm×100 mm立方體試模,每層均勻插搗25次.混凝土硬化后脫模,放入恒溫恒濕養(yǎng)護箱中,在溫度(20±2)℃,相對濕度95%條件下養(yǎng)護28 d.根據(jù)國家建筑材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ/T135—2009《透水混凝土路面技術(shù)規(guī)程》測試透水性和抗壓強度,所用透水儀依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)自行設(shè)計制作.裝置和自制的透水儀見圖1、圖2.

圖1 透水系數(shù)試驗裝置
Fig.1 Test unit of permeability coefficient

圖2 自制透水儀
Fig.2 Homemade permeable instrument

2 試驗設(shè)計與試驗結(jié)果

本次試驗分為兩部分:第1部分通過正交試驗確定內(nèi)疏水透水混凝土配合比最優(yōu)方案;第2部分對比按最優(yōu)方案制作的內(nèi)疏水型透水混凝土與普通透水混凝土的性能.

正交試驗設(shè)計為3因素3水平,試驗指標(biāo)為28 d抗壓強度和透水系數(shù).在正交試驗前先對3種因素進行交互作用試驗,結(jié)果表明,3種因素沒有交互作用,故本次正交試驗不考慮交互作用.選用正交表L9(34)安排試驗,因素C(疏水劑種類)各水平的摻量均為4%(依據(jù)產(chǎn)品使用說明選取).因素水平、試驗方案及結(jié)果見表3、表4.采用最優(yōu)方案,摻入疏水劑進行對比試驗.

表3 因素水平

Tab.3 The factor and level

表4 試驗方案及結(jié)果

Tab.4 Test scheme and result

3 試驗結(jié)果分析

由于本試驗為兩個試驗指標(biāo)的正交試驗,因此采用綜合平衡法分析試驗結(jié)果.對試驗結(jié)果進行極差分析,得出因素的主次和最優(yōu)方案,見表5,各因素與各指標(biāo)的趨勢見圖5、圖6.

表5 試驗結(jié)果分析

Tab.5 Test result analysis

3.1 最優(yōu)方案確定

由表5可見:對于抗壓強度和透水系數(shù)兩個指標(biāo)而言,3種因素的極差均是RA>RB>RC,所以各因素對兩個指標(biāo)影響的主次順序為A(設(shè)計孔隙率) >B(水灰比)>C(疏水劑種類).3種因素的不同水平對兩個試驗指標(biāo)的影響不同,因此對于不同試驗指標(biāo)存在不同的優(yōu)方案.抗壓強度指標(biāo)的優(yōu)方案為A1B2C3,透水系數(shù)指標(biāo)的優(yōu)方案為A3B1C3.因此,需要通過綜合平衡法得出綜合的優(yōu)方案.

因素A:對于兩個試驗指標(biāo),A(設(shè)計孔隙率)都是最主要的因素.由圖3、圖4可見,隨著孔隙率的增加,抗壓強度減小,透水系數(shù)增大.對抗壓強度指標(biāo)取A1好,對于透水系數(shù)指標(biāo)取A3好.在使用混凝土材料時,首先要考慮強度必須要滿足一定使用要求,再考慮其功能性.由表5可見,選擇A1,強度雖然較高,但是透水系數(shù)過??;選擇A2,強度相對降低不是很明顯,但是卻能保持較高的透水系數(shù).因此,綜合考慮兩種指標(biāo),選取A2.

因素B:對于兩個試驗指標(biāo),因素B(水灰比)都是相對于A的次要因素.由圖3、圖4可見,隨著水灰比的增大,抗壓強度先增大后減小,而透水系數(shù)一直減小.對于抗壓強度指標(biāo)取B2好,對于透水系數(shù)指標(biāo)取B1好.由表5可見,B2B1相比,強度較高,且透水系數(shù)相差不大,能保證良好的透水性能.因此,綜合考慮兩個指標(biāo),選取B2.

因素C:對于兩個試驗指標(biāo),因素C(疏水劑種類)都是影響程度最小的因素.由圖3、圖4可見,3種類型的疏水劑對強度和透水系數(shù)的影響相差不大,對于抗壓強度指標(biāo)和透水系數(shù)指標(biāo)都是取C3更好.

通過以上綜合平衡法確定的最優(yōu)方案為A2B2C3,即設(shè)計孔隙率取20%,水灰比取0.28,疏水劑種類選擇AD3105荷葉疏水劑.

圖3 各因素與強度關(guān)系
Fig.3 Relationship between factors and strength

圖4 各因素與透水系數(shù)關(guān)系
Fig.4 Permeability coefficient and factors

3.2 混凝土性能對比

在相同條件下,摻與不摻疏水劑的透水混凝土性能對比見表6.由表6可見:與普通透水混凝土相比,摻入4%荷葉疏水劑的透水混凝土強度提高了28.9%,透水系數(shù)稍微有所下降.其原因是普通水泥膠結(jié)層存在微小的毛細(xì)孔腔和微裂縫,而荷葉疏水劑的摻入可以填充這些微小空隙,增強水泥黏結(jié)層強度,使透水混凝土強度得到提高;透水系數(shù)有所下降是因為水泥熟料在發(fā)生水化反應(yīng)過程中,體系中的疏水劑以微小固態(tài)顆粒的形式吸附在硬化后的膠結(jié)層表面,形成了一種致密的面層.由于該面層很薄,只能將一些極其微小的空隙封閉,并且阻止水滲透到這些微小空隙之中,造成透水系數(shù)有所下降.

表6 兩種透水混凝土性能對比

Tab.6 The contrast between two kinds of pervious concretes

4 結(jié) 論

本文研制了一種內(nèi)疏水型透水混凝土.選取設(shè)計孔隙率、水灰比、疏水劑種類3個因素,每個因素選取3個水平,以28 d抗壓強度和透水系數(shù)為指標(biāo)進行正交試驗,得出了內(nèi)疏水透水混凝土的最優(yōu)方案,并將最優(yōu)方案與不摻入疏水劑的混凝土進行了對比試驗,得出如下結(jié)論:

1)隨著設(shè)計孔隙率的增大,抗壓強度減小,透水系數(shù)增大;隨著水灰比的增大,抗壓強度先增大后減小,透水系數(shù)一直在減小.在進行內(nèi)疏水混凝土配合比設(shè)計時,應(yīng)該綜合考慮這兩方面性能,選擇適當(dāng)?shù)呐浜媳?

2)在3個因素中,對內(nèi)疏水透水混凝土性能指標(biāo)影響最大的因素是設(shè)計孔隙率,水灰比次之,疏水劑的種類影響最小.通過綜合平衡法確定的最優(yōu)方案為A2B2C3,即設(shè)計孔隙率為20%,水灰比為0.28,選用荷葉疏水劑.

3)在相同條件下,摻入一定量的疏水劑會使透水混凝土的強度得到提高.其中,摻入4%荷葉疏水劑的效果最顯著,混凝土強度提高了28.9%,且對透水系數(shù)影響不大,能夠保證較好的透水性能.

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