生态混凝土力学性能探索与最佳配比研究

曾浩宇 （合肥工业大学宣城校区城市建设工程系，安徽 宣城 242000）

近年来，我国众多城市遭受暴雨袭击，排水系统瘫痪道路积水严重，人民生命和财产安全受到严重威胁。2013年来国家大力推行建立“海绵城市”，试图通过优先利用自然排水减轻城市排水系统压力。随着政策的贯彻推行，生态混凝土逐渐被运用在城市道路、停车场、公园等基础设施建设中。但由于其本身胶凝物质用量少、强度低、坍落度低、工作性能不佳等缺点在工程中凸显，生态混凝土的大规模推广与应用阻力重重。本文从生态混凝土养护龄期、目标孔隙率、水灰比入手，测量在不同条件下混凝土试件的抗压抗折强度实验值大小，并对每组数据的变化情况进行分组分析，得到生态混凝土工作性能随龄期、水灰比、目标孔隙率变化的趋势。并在此基础上通过正交分析各情况下最佳性能试件对应的配比条件，得到生态混凝土在一定范围内的最佳配比。

1 试验材料

生态混凝土是由粗集料和水泥基胶结料经拌和形成的具有连续孔隙结构的混凝土。生态混凝土的基本骨架是粗骨料，且在其堆积下的形成较大的连续孔隙极大地提高了混凝土的透水性能。骨料颗粒表面包裹着胶凝材料构成了胶结层，由此形成具有一定强度的骨架-孔隙结构。

本实验采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥。骨料使用的是粒径为5～10 mm碎石。此外，在拌和时加入了羧酸型高效减水剂用以减少水分流失和提高混凝土强度。

2 养护龄期对抗压抗折强度影响

实验思路：相同工作性能的生态混凝土，在不同水灰比、不同目标孔隙率的条件下，对比抗压抗折强度随龄期的变化情况，从而得到养护龄期与抗压抗折强度的关系。如图1～3，不难看出生态混凝土养护龄期与抗压强度成正相关关系。除此之外，生态混凝土与普通混凝土的不同点在于：生态混凝土抗压强度在早期发展较快，3d抗压强度可达到28d抗压强度的50%以上，7d抗压强度已达到28d抗压强度75%以上，而7d后其抗压强度增长速度逐渐趋缓。究其原因，笔者认为生态混凝土属于骨架—空隙结构，由粗骨料堆积形成的连通孔隙，是一个相对开放的体系，使得养护期间外部水分极易进入其内部，从而加速了水泥的水化反应促进了混凝土的凝结固化。因而，生态混凝土抗压强度早期发展速度相较于普通混凝土发展得更快。根据图4～6，不难看出，生态混凝土抗折强度的发展趋势与其抗压强度发展趋势类似，在此不过多赘述。

3 目标孔隙率对抗压抗折强度的影响

生态混凝土由于具有大量连续孔隙，因此孔隙的多少直接影响到其力学性能与各方面的应用。本文实验中通过设置目标孔隙率大致反映实测孔隙率。实验思路：在保证控制条件一致的条件下，通过改变目标孔隙率测试其变化对生态混凝土力学性能的影响，进而得到结论。如图7和图8，在目标孔隙率增加的过程中，生态混凝土的力学性能均出现明显的下降。具体而言，当孔隙率从15%增加到20%的过程中，生态混凝土试件的抗压、抗折强度下降明显，从20%增加到25%的过程中，下降则相对平缓。在目标孔隙率增加的过程中，28d水灰比0.25实验组试件的性能变化最大，降幅达68.6%。另一方面，其抗折强度下降相对其他组也更为明显，降幅达到64.4%。28d水灰比0.3实验组试件与水灰比0.35试件在抗折强度上降幅十分接近，但在抗压强度上，水灰比后者的降幅则大于前者。由此可知，生态混凝土的力学强度与目标孔隙率整体呈负相关关系，且在局部范围内变化显著。因此，在实际施工过程中，应结合生态混凝土的性质谨慎设定和配比目标孔隙率，从而制备出既满足安全性又实现功能性的高品质生态混凝土。

图1 15%目标孔隙率不同龄期抗压强度

图2 20%目标孔隙率不同龄期抗压强度

图3 25%目标孔隙率不同龄期抗压强度

图4 15%目标孔隙率不同龄期抗折强度

图5 20%目标孔隙率不同龄期抗折强度

图6 25%目标孔隙率不同龄期抗折强度

以下为笔者对生态混凝土强度随目标孔隙率增大而下降原因的分析：

①由于孔隙率的增大，生态混凝土内部的密实度下降，内部结构趋于中空，骨料间的摩阻力不足，整体传递和承受力的能力下降，抵抗外力破坏的能力也随之下降。

②单位体积中，在粗骨料用量一定的情况下，目标孔隙率越大，水泥浆体所占的体积越小，水泥浆体的量则越少，导致其难以包裹住粗骨料，导致骨料间的粘结面积减小，骨料难以被充分包裹，粘结力不足，混凝土结构的整体性能差，进而大大降低了生态混凝土的强度。

4 水灰比对抗压抗折强度的影响

实验思路：保证控制条件一致的情况下，测量0.25/0.3/0.35水灰比的28d生态混凝土抗压抗折强度实验值，并对实验值进行正交分析得到结论。

《透水水泥混凝土路面技术规程》规定,水灰比一般取0.25～0.35,为保证数据的准确性，本实验分别取0.25、0.3、0.35这三种水灰比的试件作为研究对象。

对实验数据进行分组处理后得到如下变化趋势图。从图中不难看出，生态混凝土的强度与水灰比呈负相关关系，总体上与普通混凝土两者之间的变化规律相一致。只有当目标孔隙率为25%时，其变化不符合上述规律，而是呈现先提高后下降的规律。此外，当目标孔隙率变化时，各组水灰比对混凝土强度的影响规律不具有统一性。分析下图20%和25%目标孔隙率的实验组0.3水灰比其强度上升的原因，笔者发现，当目标孔隙率超过某一值后，在粗骨料用量不变的情况下，水灰比太小会导致水泥浆体量减少进而使得水泥浆体过于干稠而难以充分包裹粗骨料，拌合料的粘聚力不足，粘结界面强度不足，直接影响其强度的发展。随着水灰比的增大，水泥浆体量逐渐增大浆体变稀，易于包裹骨料，拌合物粘聚力提高，粘结界面强度充足，因而生态混凝土的强度也相应提升。

图7 28d龄期不同目标孔隙率抗压强度

图8 28d龄期不同目标孔隙率抗折强度

图9 28d龄期不同水灰比抗压强度

图10 28d龄期不同水灰比抗折强度

5 结论

本文通过对比不同龄期、目标孔隙率、水灰比条件下，生态混凝土不同的力学性能的实验值，得到生态混凝土性能变化趋势。结论如下：

①按照本文试验中的配比得到的生态混凝土的抗压强度几乎都大于10MPa，满足工程使用要求；

②通过分析可得，生态混凝土的抗压抗折强度随着龄期的延长而增长，且前期发展速度快后期缓慢，最终趋稳。生态混凝土的抗压抗折强度与目标孔隙率呈负相关关系，且在一定范围内变化明显。生态混凝土的抗压抗折强度随着水灰比的变化情况与目标孔隙率有关，在目标孔隙率为15%～20%时符合普通混凝土的变化规律，即随着水灰比的增大而减小；而当目标孔隙率为25%，试件的抗压抗折强度随着水灰比的增大，呈现先上升再下降的趋势。

③通过实验可得，在满足安全且经济的前提下，目标孔隙率为15%，水灰比为25%的生态混凝土的力学性能最好，符合工程使用要求，配合比最佳。