低影响开发生态停车场植草砖基体混凝土配合比优选

2022-07-11李亚东崔自治李月恒

宁夏工程技术 2022年2期

李亚东，崔自治，李月恒，宋鑫

（宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川 750021）

LID（低影响开发）是20世纪90年代末发展起来的暴雨管理和面源污染处理技术，目前LID设施面层铺装多采用整体铺装和块状铺装。常见的整体铺装有透水沥青混凝土、透水水泥混凝土铺装等，块体铺装有透水砖、植草砖铺装等[1]。已有学者对生态停车场面层铺装材料开展了深入的研究。张彬鸿等[2]总结出透水沥青混凝土、透水水泥混凝土的抗压强度普遍在15～30 MPa，混凝土透水砖抗压强度普遍在25～35 MPa，这种低强度的特性导致面层铺装材料易出现断裂、耐久性差等现象。宁夏冬季寒冷[3]，透水水泥混凝土与混凝土透水砖由于其内部特有的空隙结构易被冻坏[4-5]，透水沥青混凝土在低温下易出现开裂、承载能力不足等现象[6-7]。此外，宁夏有着大面积的盐渍土[8]，盐类侵蚀对混凝土破坏的作用已有研究[9-10]，因此宁夏地区LID设施面层铺装材料在冻融、盐碱作用下耐久性差、破坏严重。宁夏地区LID停车场的使用特点对面层铺装材料的耐久性和力学性能提出了更高要求。由于C60以上的混凝土具有较好的密实性和较高的耐久性，将高强混凝土作为植草砖的基体材料，使得成型后的植草砖能够满足强度和耐久性的要求。本试验以水灰比、砂率、粗骨料最大粒径等7种影响因素为分析对象，总结分析各因素对植草砖基体混凝土和易性及强度的影响，优选出符合要求的植草砖基体混凝土配合比，为未来植草砖在LID生态停车场的应用提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

（1）水泥：考虑混凝土高强的特点，水泥采用宁夏赛马水泥有限公司生产的P.O 52.5级水泥，3 d抗折强度为6.4 MPa，28 d抗折强度为8.3 MPa；3 d抗压强度为36.2 MPa，28 d抗压强度为59.3 MPa；初凝时间为142 min，终凝时间为205 min，45μm筛余为3.6%，比表面积为390 m2/kg。

（2）粗骨料：选用银川市某建材市场购买的碎石，压碎指标为8.5%，5～31.5 mm连续级配，针片状颗粒含量为3.2%，含泥量为0.4%。

（3）细骨料：选用银川某建材市场购买的天然砂，细度模数为2.94，含泥量为4.7%。

（4）外加剂：选用聚羧酸高性能减水剂，生产厂家为陕西秦奋建材有限公司，其减水率为37%，含固量为40%。

（5）粉煤灰：粉煤灰等级为Ⅰ级，需水量比为80%，烧失量为2%，45μm筛余为8%。

1.2 试验方案

本文以水灰比W/C、砂率Sp、单位用水量w、取代率pr、超量率cr、粗骨料最大粒径D及外加剂掺量PA为因素，设计L18（37）正交试验方案，因素及水平参考文献[11]设置（表1）。以扩展度d、坍落度s及7，28，56 d混凝土抗压强度为指标，研究各因素对其影响的规律，分析和易性及力学性能，确定最优配合比。

表1 植草砖基体混凝土因素水平表

粉煤灰掺量由等量取代和超量取代两部分组成，等量取代率为粉煤灰取代水泥的质量与水泥应使用量的比值，超量取代率为粉煤灰超量掺加值与水泥应使用量的比值。

由于粗骨料最大粒径不宜超过截面最大尺寸的1/4。考虑到植草砖的尺寸，故将粗骨料最大粒径控制到20 mm及以下。

1.3 试验方法

试样的成型、养护、流动性和强度测定均按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080—2016）及《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）中的相关规定执行。

2 结果与分析

2.1 混凝土和易性分析

混凝土拌合物的坍落度s、扩展度d与各因素关系和极差分析见图1～图4。

由图1～图4可知，植草砖基体混凝土的坍落度与扩展度呈现大致相同的规律，两者有着密切的相关性。除此之外，所有试验的黏聚性、保水性良好，没有发生分层离析现象和明显的泌水现象。

图1 植草砖基体混凝土坍落度与各因素关系图

图2 植草砖基体混凝土坍落度的极差

图3 植草砖基体混凝土扩展度与各因素关系图

图4 植草砖基体混凝土扩展度极差

由图1和图3可以得出：混凝土拌合物的坍落度及扩展度随着水灰比、单位用水量、取代率、超量率、粗骨料最大粒径和外加剂掺量的增大而增大；随着砂率的增大而减小。

由图2和图4可以得出：对于混凝土拌合物坍落度及扩展度，各因素的重要性按照递减的顺序依次为外加剂掺量→单位用水量→粗骨料最大粒径→水灰比→取代率→砂率→超量率。

2.2 混凝土强度分析

混凝土7，28，56 d的抗压强度与各因素关系和极差分析见图5～图8。

由图5～图7可知，各龄期抗压强度随水灰比的减小呈现增大趋势；随外加剂掺量的增大呈现增大趋势；随砂率、超量率和粗骨料最大粒径的增大呈现先增大后减小的趋势；随单位用水量和取代率的增大而减小。

图5 植草砖基体混凝土7 d强度与各因素关系图

图6 植草砖基体混凝土28 d强度与各因素关系图

图7 植草砖基体混凝土56 d强度与各因素关系图

植草砖基体混凝土各龄期抗压强度随着粗骨料最大粒径的增大呈现先增大后减小的趋势，这是因为随着粗骨料最大粒径的不断增大，大颗粒骨料内部存在缺陷的概率越高，粗骨料与水泥砂浆的界面面积不断增大，在混凝土持续受力过程中，比较大的缺陷边缘会发生应力集中现象，混凝土易发生破坏。随着粉煤灰超量率的增加，植草砖基体混凝土的抗压强度呈现先增大后减小的趋势，这是由于粉煤灰超量取代细骨料，粉煤灰参与水化反应，与细骨料砂子相比，粉煤灰颗粒更细，其比表面积更大，因此能充分发挥自身效应。随粉煤灰取代率不断增加，当取代较多水泥时会导致混凝土抗压强度的下降，故随取代率的增加，植草砖基体混凝土抗压强度呈现减小趋势。

由图8可知，对于植草砖基体混凝土7，28 d抗压强度，各因素的重要性按照递减的顺序依次为水灰比→取代率→超量率→粗骨料最大粒径→外加剂掺量→单位用水量→砂率。对于56 d抗压强度，各因素的重要性按照递减的顺序依次为水灰比→取代率→粗骨料最大粒径→超量率→外加剂掺量→单位用水量→砂率。各龄期的强度与各因素之间的关系呈现大致相同的趋势。

图8 植草砖基体混凝土强度极差

植草砖基体混凝土的抗压强度随着养护龄期的增大而增大，其7 d抗压强度达到28 d抗压强度的75%左右，相较于28 d强度，其56 d抗压强度平均增长率为12.39%，56 d抗压强度增长率最小为7.87%，最大为23.18%。当粉煤灰的取代率和超量率均较小时，植草砖基体混凝土56 d抗压强度增长率均低于平均增长率，粉煤灰取代率和超量率均为最大水平的试样组，其增长率达到最大值（23.18%）。可以看出：植草砖基体混凝土强度早期增长较快；粉煤灰掺量对植草砖基体混凝土后期强度影响较大，植草砖基体混凝土后期强度增长率随着粉煤灰掺量增加而提高。

2.3 组合优选

综合考虑植草砖基体混凝土的抗压强度及和易性要求，坍落度不应小于200 mm，设计强度等级为C60，植草砖基体混凝土强度不小于强度等级的115%（69 MPa），对于最优组合的确定，应根据设计目标和经济性综合考虑。最优组合不仅能够实现设计目标，而且最为经济。植草砖基体混凝土主要材料用量及试验结果见表2。

由表2可知，当以28 d抗压强度作为强度评价指标时，能够实现设计目标的组有第2组、第4组、第6组等共13组，在能够实现设计目标的组中第2组和第12组水泥用量最少，在第2组和第12组中，第12组外加剂用量较少，考虑到经济性，第12组配合比为最优组合。最优组合为W/C=0.29，Sp=42%，w=140 kg，pr=20%，cr=5%，D=10 mm，PA=2.8%。最优组合下混凝土坍落度为225 mm，扩展度为685mm，7 d抗压强度为50.36 MPa，28 d抗压强度为70.9 MPa。56 d抗压强度为77.85 MPa。

考虑到高掺粉煤灰混凝土后期强度增长较大的特点，以56 d抗压强度作为强度评价指标，设计强度等级C60，植草砖基体混凝土强度不小于强度等级的115%（69 MPa）。由表2可知：除第1组和第15组由于坍落度达不到设计目标之外，其余所有组均能达到设计目标；在满足设计目标的组中，第3组和第10组水泥用量最少，在第3组和第10组中，第10组外加剂用量较少，考虑到经济性，第10组配合比为最优组合，最优组合为W/C=0.29，Sp=38%，w=145 kg，pr=25%，cr=10%，D=16 mm，PA=2.0%。最优组合下混凝土坍落度为223 mm，扩展度为685 mm，7 d抗压强度为48.47 MPa，28 d抗压强度为68.54 MPa，56 d抗压强度为75.74 MPa。

18组配合比中有10组的56 d抗压强度超过80 MPa，以56 d抗压强度作为强度评价指标，设计强度等级为C70，混凝土强度不小于强度等级的115%（80.5 MPa）。由表2可知，本次试验中能够实现设计目标的组共有9组，在能够实现设计目标的组中第2组水泥用量最少，考虑到经济性，第2组配合比为最优组合。最优组合为W/C=0.29，Sp=40%，w=140 kg，pr=20%，cr=10%，D=10 mm，PA=2.4%。最优组合下混凝土坍落度为227 mm，扩展度为655 mm，7 d抗压强度为56.63 MPa，28 d抗压强度为72.66 MPa，56 d抗压强度为84.41 MPa。