骨料级配特征对透水混凝土配合比设计的影响

骨料级配特征对透水混凝土配合比设计的影响

透水混凝土是一种骨架宽度较大的结构。它的强度主要取决于骨料粒之间的机械应力、骨料粒之间的骨料颗粒的强度以及骨料粒之间的粘附强度。骨材料级的组成特征对透水混凝土的优化设计及其基本性能有重大影响。在这项工作中，我们使用了基于骨料积累原理和颗粒干预理论的混合料设计试验方法，并对透水混凝土中所需骨料的不同类型进行了试验分析。采用有效孔距法确定单位体积骨料粒数、骨料比面和不同年龄的抗压强度值，并显示了响应面的图案。目的是阐明透水混凝土骨材料的不同特征，优化合作比的设计方法，预测透水混凝土的基本性能。1水泥、混凝土材料水泥:湖南宁乡南方水泥有限公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥,基本性能见表1.骨料:湖南醴茶高速公路施工现场用石灰岩碎石,基本性能见表2.减水剂:东莞市伍山建材实业有限公司生产的WSN-30高效减水剂.2骨料混料设计试验应用DesignExpert试验设计软件对试验结果进行分析与处理.根据试验目的确定混料的各种成分(即试验因素).综合考虑透水混凝土力学性能和使用要求,从骨料级配特征出发,采用A(4.75~9.5mm),B(2.36~4.75mm),C(9.5~16.0mm)3种粒径的骨料进行混料设计试验,研究不同设计参数随骨料粒径变化的规律.根据透水混凝土体积结构特征及实际工程施工经验,确定各试验因素A,B,C所占的百分比范围(用XA,XB,XC分别表示3种粒径骨料的质量百分比,即为A,B,C掺量;用xA,xB,xC分别表示各粒径骨料质量百分比的最小值).拟定试验设计的限制条件为:0≤xA≤XA≤1,0≤xB≤XB≤1,0≤xC≤XC≤1,且同时满足XA+XB+XC=1.其中:0≤XA≤73%;0≤XB≤18%;0≤XC≤9%.按照试验方案进行试验,得到各试验点的试验指标y,结果见表3.对试验数据进行统计分析,计算回归方程中的回归系数,得到试验指标的回归方程.3试验结果的分析与处理3.1骨料堆积孔隙率影响因素分析在透水混凝土配制中,不同粒径骨料颗粒所起的作用有所差别,大粒径骨料主要起骨架支撑作用,小粒径骨料主要起填充密实作用.通过对试验数据的统计分析,得出透水混凝土用骨料堆积空隙率yp与骨料级配的关系式:由统计学原理以及透水混凝土用骨料堆积空隙率方差分析(见表4)可知:xAxB,xAxC,xBxC二次项的P值均小于0.01,对函数值yp影响极显著;xAxBxC三次项0.01≤P=0.0188≤0.05,对函数值yp影响显著.即A组分、B组分和C组分俩俩交互作用对骨料堆积空隙率的函数值影响极显著.A,B,C三组分相互作用对函数值yp影响显著.图1为骨料堆积空隙率回归方程响应面图形.保持C组分掺量不变,骨料堆积空隙率随A组分掺量的减少呈递减趋势.根据骨料堆积理论分析可知,保持C组分不变,A组分构成骨架结构,B组分填充其中,不发生粒子干涉现象;随着A组分的减少其构成的骨架结构也随之减小,但仍有足够的空间由B组分填充;当B组分随A组分的减少增加时,由于剩余空间的减少和次级骨料B的增加,使B组分的填充作用更加明显,透水混凝土孔隙率呈递减趋势.当C组分掺量为0%和9%时,骨料堆积空隙率及其变化规律基本一致,并且关于中间值呈对称分布.若保持B组分掺量不变,随C组分掺量的增加,骨料堆积空隙率先变大后变小,因为当B组分不变,C组分掺量为0%时,A,B两组分形成骨架空隙结构,由于其比例搭配恰当,无粒子干涉现象发生,结构密实,骨料堆积空隙率较小.随着C组分掺量增加,A组分变为次级骨料,由C组分骨料颗粒构成骨架,A,B两组分骨料填充其中,但当C组分掺量较低时,由于A,B两组分比例太大,发生了粒子干涉现象,使得C组分骨料相邻颗粒不能相互接触,增大了透水混凝土用骨料堆积空隙率.当C组分掺量继续增加时,骨架空隙随之增大,可以满足A,B两组分的逐级填充,粒子干涉现象减弱,使得骨料堆积空隙率呈减小趋势.骨料堆积空隙率由小变大再变小.3.2c组分掺量对透水混凝土单位体积骨料颗粒数的影响不同粒径骨料颗粒A,B,C各取2kg,人工计数,每组试验设3次平行试验.然后按照各组配合比分别计算不同组成条件下单位体积骨料颗粒数n.通过对试验结果进行数理统计分析,建立单位体积图2为单位体积骨料颗粒数回归方程响应面图形.显然,B组分掺量的多少对透水混凝土单位体积骨料颗粒数的影响最为显著.相同体积条件下,保持C组分掺量不变,透水混凝土用骨料堆积空隙率随A组分的减少和B组分的增加呈线性递增趋势.因为在局部微小空间内,一个大粒径骨料颗粒被数个或数十个小粒径骨料颗粒替代,从而使单位体积骨料颗粒总数量显著增加.例如,当C组分掺量为0%时,B组分掺量为18%时的n(18%)值是不含B组分时n(0%)值的1.77倍.但是,若保持B组分掺量不变,骨料颗粒总数随C组分掺量的增加虽有一定程度的减少,但是并不明显.由上述可知:为了增加透水混凝土中骨料颗粒间的接触点数量,提高其力学性能,适当增加B组分的掺量可以达到较好的效果.3.3骨料比表面积与级配关系透水混凝土所用骨料的比表面积是决定胶凝材料用量的关键因素,而胶凝材料的用量又直接影响着透水混凝土的力学性能和排水.由于骨料为碎石属于不规则体,为便于研究分析,假设骨料颗粒为球体,建立透水混凝土用骨料比表面积(ys)与其级配关系,为在保证透水混凝土力学性能的基础上最大限度节约水泥用量提供理论依据.骨料比表面积与骨料级配关系为:图3为骨料比表面积回归方程响应面图形.图3表明:保持B组分掺量不变,骨料总比表面积随C组分的减少和A组分的增加呈显著递增趋势,若保持C组分掺量不变,骨料总比表面积则随A组分的减少和B组分的增加同样呈递增趋势,即透水混凝土用骨料颗粒总比表面积随小粒径颗粒的增多而增大.3.4骨料级配与有效孔隙率有效孔隙率作为透水混凝土配合比设计的主要参数之一,对于透水混凝土的基本力学性能、排水功能和吸声降噪功能等都有较大影响.长安大学郑木莲等人采用正交试验方法对透水混凝土的基本性能进行研究,认为对混凝土有效孔隙率有显著影响的因素依次为骨料级配>灰集比>水灰比.采用混料设计试验方法进行试验研究,并且根据数理统计原理,在对混凝土性能试验数据(见表5)进行方差分析的基础上建立了透水混凝土有效孔隙率(yep)与骨料级配的回归方程:图4为有效孔隙率回归方程响应面图形.图4表明,保持C组分掺量不变,随A组分的减少和B组分的增加,对应的有效孔隙率呈现出先增加后减小的趋势.因为当少量的B组分掺入时,由于A组分骨料颗粒之间的间隙较小,不足以将B组分骨料颗粒填入其中,因此发生了粒子干涉现象.随着B组分掺量不断增加,骨料颗粒间隙不断增大,使得透水混凝土有效孔隙率也随之增加.当B组分掺量达到8%左右时,有效孔隙率达到最大值33.4%,随后出现转折,有效孔隙率随B组分掺量的递增,呈下降趋势.当保持B组分掺量不变,随A组分的减少和C组分的增加,对应的有效孔隙率也呈现出先增加后减小的趋势.因为掺入少量的C组分时,由于数量较少不能彼此连接形成以C组分为骨架的空隙结构,而仅仅将部分A组分颗粒分离开,从而使该状态下的透水混凝土有效孔隙率逐渐增大.当C组分数量达到一定程度、足以形成骨架的空隙结构时,A组分部分颗粒完全填充其中,使透水混凝土有效孔隙率又逐渐减小.3.5骨料级配与抗压强度多种因素影响透水混凝土力学性能.正交试验结果表明影响透水混凝土抗压强度的主要因素是骨料级配和水泥用量.采用混料设计试验方法,设置置信概率为95%,混凝土配合比(kg/m3):水泥322;水75;碎石1610;减水剂3.86,对透水混凝土7,28d抗压强度yf,7,yf,28(见表5)与骨料级配的关系进行数理统计分析,得到:图5,6分别为7,28d抗压强度回归方程响应面图形.图5,6表明,在水灰比和水泥用量一定的条件下,7d和28d抗压强度变化规律基本一致.7d和28d抗压强度均随C组分骨料的增加而大幅度下降.当C组分掺量减少至0时,透水混凝土抗压强度出现最大值(f7d,max=9.36MPa,f28d,max=12.91MPa),当C组分掺量为5%时出现最小值(f7d,min=5.33MPa,f28d,min=6.11MPa),最大值与最小值之差为4~5MPa,若保持C组分掺量不变,随A组分的减少和B组分的增多,抗压强度值总体呈递增趋势.4隙液压力随4.75~9.5mm粒径骨料掺量增加,骨料的粒子干涉现象明显,骨料堆积空隙率增加;随9.5~16.0mm粒径骨料掺量增加,骨料堆积空隙率先增大后减小;2.36~4