基于正交试验法的透水混凝土性能影响研究

巫广义，徐锋，王曙光，李威威

（南京工业大学 土木工程学院，江苏 南京 211800）

0 引言

近年来，在城镇化的大背景下，海绵城市的建设模式对缓解洪涝积水、河流水系生态恶化、水污染加重等问题的作用尤为突出[1]。而透水混凝土正是符合“海绵城市”理念的一种重要的绿色建筑材料，一方面，能够增加城市可透水、透气面积，吸声降噪，有利于缓解城市“热岛现象”；另一方面，可以有效地解决水质污染，水生物栖息地丧失等多种水生态问题[2]。

透水混凝土是由特定级配的骨料、水泥、水、外加剂和掺合料等按特定比例经特殊工艺制成的具有连续孔隙的多孔混凝土[3]。因多孔混凝土是由粗骨料的周围包裹水泥混凝土最终而形成的堆聚结构[4]，但其良好的透水性和高强度难以兼得。故在相同粒径粗骨料的前提下，改变掺合料的种类，从微观上改善骨料之间的粘结强度和接触面积，最终提升透水混凝土的性能[5]。纳米二氧化硅作为提高混凝土性能使用最广泛的纳米材料，具有作为超细添加剂在胶凝体系中改善内部结构和材料的特性。纳米二氧化硅不仅表现为填充骨料，改善结构，而且作为混凝土反应的催化剂，提高了水化产物的形成，所以作为胶结材料添加到混凝土中能够显著提升力学性能和改善微观结构[6]。本研究基于正交试验法，通过测试不同配合比下透水混凝土的抗压强度、有效孔隙率及透水系数，得出影响透水混凝土性能的主次因素，同时对透水混凝土的性能进行回归计算。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥：南京海螺水泥厂生产的P·O42.5水泥，物理力学性能见表1。

表1 水泥的物理力学性能

（2）骨料：南京本地产不同粒径的石灰岩碎石，性能指标见表2。

表2 碎石的性能指标

（3）纳米二氧化硅：上海麦克林生化科技有限公司生产，性能指标见表3；粉煤灰：南京江海粉煤灰公司生产的Ⅰ级低钙灰，性能指标见表4。

表3 纳米二氧化硅的性能指标

表4 粉煤灰的性能指标

（4）减水剂：济南鑫正化工生产的FDN-C萘系高效减水剂，减水率约为28%；水：自来水。

1.2 试验配合比

采用L16（45）的正交试验，研究目标孔隙率、水胶比、骨料粒径、纳米二氧化硅掺量（按占胶凝材料质量计）及粉煤灰掺量（按占胶凝材料质量计）5个因素对透水混凝土力学和物理性能的影响。正交试验因素水平见表5，正交试验设计及透水混凝土具体配合比见表6。

表5 正交试验因素水平

表6 正交试验设计及透水混凝土具体配合比

1.3 试件制备及成型工艺

1.3.1 制备过程

透水混凝土制备采用分批投料的方法，先将水泥、粉煤灰添加到强制式搅拌机内搅拌30 s，使其混合充分。与此同时将与自来水充分混合的纳米二氧化硅加入到搅拌机与骨料拌合1 min，最后再加入减水剂拌合2 min。纳米二氧化硅不与其它掺合料一同干拌的原因是容易出现结块、团聚的现象，不能充分发挥其性能。故需要将纳米二氧化硅充分溶于水再进行拌合。

1.3.2 成型工艺

对于一般混凝土采用长时间振动与插捣密实的方法完成成型，而透水混凝土并不能采用这种成型工艺[7]。故本试验在王敏等[8]研究的击实法基础上外加振动台轻微振动的成型工艺，在不损失透水率的情况下同时也提高了透水混凝土自身的力学性能。成型完成后用塑料薄膜封住试件表面，防止水分蒸发，减少混凝土内部的水化反应。成型24 h后拆模，然后立刻放入温度21℃、相对湿度95%的标准养护室内养护。

1.4 测试方法

抗压强度：参照GB 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，对养护28 d的150 mm×150 mm×150 mm透水混凝土试块进行抗压强度测试，测试仪器为深圳三思公司的YAW-3000L型压力机。

孔隙率：参照GB/T 25993—2010《透水路面砖和透水路面板》中的排水法进行测试。

透水系数测试：本试验自制透水混凝土透水系数测试仪示意和实物如图1所示。

图1 透水系数测试装置示意和实物

将量筒套在透水混凝土试块上面，量筒与透水混凝土试块之间用蜡封住，以免水流出影响透水系数的测试。试验开始时向量筒内注水，当量筒内的水超过刻度160 mm时停止加水，当液面降至160 mm时开始计时，液面到达140 mm时，记时间为T1，当液面降为0mm时，记为T2。透水系数按式（1）计算：

式中：K——透水系数，mm/s；

h2——初始高度，mm；

h1——最终高度，mm；

A1——量筒的截面面积，mm2；

A2——试块的截面面积，mm2；

T2——时间差，s。

2 试验结果与分析

2.1 正交试验结果及极差分析

正交试验结果见表7，极差分析见表8。

表8 正交试验极差分析

从表8可以看出：

（1）对于28 d抗压强度：①目标孔隙率为影响透水混凝土抗压强度的主要因素，随着目标孔隙率的增大，抗压强度呈线性降低趋势。原因是目标孔隙率增大时，其内部孔隙也随之增大，骨料与骨料之间的接触面积减少，间接地导致了透水混凝土的不密实，致使抗压强度降低。②随着水胶比的增大，抗压强度先提高后降低。当透水混凝土的水胶比较小时，胶凝材料不能充分水化，导致水化产物不能很好地包裹在骨料的周围，降低了透水混凝土的抗压强度。③随着骨料粒径的不断增大，抗压强度呈现降低趋势。因骨料的粒径越大，其密实度越差，增加了透水混凝土的连通孔隙率，导致抗压强度降低。④随着纳米二氧化硅和粉煤灰掺量的增加，抗压强度均呈现出先提高后降低的趋势，抗压强度最高分别提高了12.13%和5.1%。是因为纳米二氧化硅和粉煤灰的掺入对于粗骨料粘结面起了微填充效应，在宏观上能够提升其力学性能。综上，对于透水混凝土抗压强度影响的主次因素为：目标孔隙率＞骨料粒径＞水胶比＞纳米二氧化硅掺量＞粉煤灰掺量。结合极差分析结果来看，各因素的最佳条件组合为：目标孔隙率为10%，水胶比为0.29，骨料粒径为3～5 mm，纳米二氧化硅掺量为5%，粉煤灰掺量为30%，并且对于有较高抗压强度要求的地区可采用以上组合，以可获得较好的抗压强度效果。

（2）对于透水系数：①目标孔隙率为影响透水混凝土透水系数的主要因素，随着目标孔隙率的增大，透水系数呈线性增大的趋势。这是因为，随着透水混凝土设计孔隙率的增大，必然造成透水混凝土内部连通孔隙的增加，透水系数必然也呈增大趋势。②当水胶比逐渐增大时，透水混凝土的透水系数呈现出减小趋势。主要因为，当水胶比较小时，胶凝材料用量相对增加，导致不能充分水化，新拌混凝土流动性变差，在透水混凝土成型过程中孔隙增多，透水系数也较大。反之，当水胶比增大时，透水系数则随之减小。③随着骨料粒径的增大，透水系数呈现上升趋势。主要是因为透水系数是由试块的连通孔隙率决定的，而连通孔隙率又是由骨料粒径决定的，故骨料粒径的增大会导致透水系数也同时增大。④随着纳米二氧化硅和粉煤灰的掺入，透水系数变化并不大。这是由于，纳米二氧化硅和粉煤灰的比表面积都大于水泥，透水系数与粗骨料之间的大孔隙相关，纳米二氧化硅和粉煤灰粒径较小，对于孔隙率的影响不大，故透水混凝土透水系数基本处于稳定范围。综上，对于透水混凝土透水系数影响的主次因素为：目标孔隙率＞骨料粒径＞水胶比＞粉煤灰掺量＞纳米二氧化硅掺量。结合极差分析结果来看，各因素的最佳条件组合为：目标孔隙率为25%，水胶比为0.26，骨料粒径为15～20 mm，纳米二氧化硅掺量为7%，粉煤灰掺量为40%，对于在降水量较大的地区，采用以上的组合可获得较好的透水效果。

（3）对于实测孔隙率：由于透水混凝土的透水系数与孔隙率有较好的相关性，故各因素对孔隙率的影响趋势与对透水系数的影响基本一致，各因素的影响顺序同样为：目标孔隙率＞骨料粒径＞水胶比＞粉煤灰掺量＞纳米二氧化硅掺量。结合极差分析结果来看，各因素的最佳组合为：目标孔隙率为25%，水胶比为0.26，骨料粒径为15～20 mm，纳米二氧化硅掺量为3%，粉煤灰掺量为40%。将透水混凝土实测孔隙率与设计孔隙率进行对比分析可以得出，设计孔隙率与实测孔隙率基本一致。

2.2 数据拟合与回归分析

将透水混凝土的抗压强度、实测孔隙率和透水系数分别进行多项式拟合，结果见图2，拟合关系式分别见式（2）～式（4）。

图2 透水混凝土抗压强度、实测孔隙率和透水系数的拟合曲线

透水系数与抗压强度的拟合关系式：

孔隙率与抗压强度的拟合关系式：

孔隙率与透水系数的拟合关系式：

从图2以及式（2）～式（4）可以看出，本研究透水混凝土的抗压强度、透水系数以及孔隙率间都具有较好的相关性。

3 结论

（1）通过正交试验分析了4个因素对透水混凝土性能的影响，得到了最有利因素水平。对于有较高抗压强度要求的地区，透水混凝土可以选用配比为：目标孔隙率10%、水胶比0.29，骨料粒径3～5 mm，纳米二氧化硅掺量5%，粉煤灰掺量30%。对于降水量较大的地区，透水混凝土可以选用配比为：目标孔隙率25%、水胶比0.26、骨料粒径15～20 mm、纳米二氧化硅掺量7%、粉煤灰掺量40%。

（2）目标孔隙率、水胶比和骨料粒径这3个因素对透水混凝土性能的影响较大，纳米二氧化硅和粉煤灰作为胶凝材料可以在不影响透水混凝土透水性能的基础上提升其抗压强度。

（3）透水混凝土抗压强度、实测孔隙率和透水系数三者之间具有较好的相关性。