多孔混凝土连通孔隙率与抗压强度影响因素的试验研究
杨加1 周锡玲2,3 欧正蜂1
（1.湖南农业大学东方科技学院，湖南长沙，410128，2.湖南农业大学工学院，湖南长沙，410128 , 3.中南大学土木建筑学院，湖南长沙，410004）
摘 要：通过对粗集料级配、灰集比及水灰比各因素取4水平设计正交试验，以连通孔隙率和28d抗压强度为性能指标，进行多孔混凝土性能影响因素的探索研究，对试验结果进行因素的方差(F)和直观分析，分析出三个因素对多孔混凝土性能的影响程度和变化规律，为绿化混凝土的研制奠定基础。研究表明，灰集比对多孔混凝土性能的影响最大且显著，集料级配与水灰比影响均不显著；粉煤灰可降低多孔混凝土的连通孔隙率，增大其抗压强度。
关键词：多孔混凝土；连通孔隙率；抗压强度；正交试验


1 前言
现今，混凝土已成为土木工程建设中使用量最大的材料，它对人类物质文明和进步做出了巨大的贡献。然而，它也给人类带来了许多负面效应，比如：能量和天然资源的大量消耗、热岛效应、环境污染、生态平衡的破坏等等。
多孔混凝土主要是由粗集料、水泥和水拌制而成的混凝土，粗集料颗粒表面包裹着一层薄水泥浆体，集料颗粒相互接触、相互粘结，它具有较大的连续孔隙结构的特征，其透气、透水性良好,可以降低能耗,减少热岛效应，符合当今社会倡导的“低碳生活”主题。多孔混凝土在公路运用上还能提高路面抗滑性、降低路面噪声、快速融雪等 [1-2]。日本、美国、欧洲等国家和地区在多孔混凝土运用上已经有了广泛的应用，在1979年，美国佛罗里达州首次使用无砂多孔混凝土建成了具有透水性的停车场，并获得了专利 [3]；2001年4月，日本“先端建设技术中心”制订了《多孔混凝土河川护岸工法》[4]。但国外多孔混凝土应用主要集中于较轻的荷载作用处，其承载能力还存在局限性，需要进一步研究，使其充分发挥透水、降噪等优良功能。
我国在多孔混凝土研究方面起步比较晚，对其的应用与推广仍处于初级阶段[5-7]。现今，虽然部分城市已在公园、广场、人行道等轻荷载作用处，以及河岸护坡、隧道洞口等处运用多孔混凝土，但是这些工程的成功与否有待经受长期观察和检验。多孔混凝土的配制必须通过改变集料级配、灰集比及水灰比的配合比方法，并保证其具有一定的连通孔隙率和抗压强度值。连通孔隙率与强度之间是此消彼长的关系，需要综合考虑各方面的因素，才能研究出符合要求的连通孔隙率和抗压强度的多孔混凝土最优组合。
2 多孔混凝土原材料的选择
本试验原材料的选择：粗集料的类型、粒径及级配、水泥品种和强度等级、外掺料以及拌合水。
2.1粗集料级配
碎石颗粒表面粗糙、多棱角，空隙率和表面积比卵石大，而且碎石与水泥石粘结力更大，在水灰比相同的条件下，较卵石混凝土强度高[8]。本试验所用粗集料为长沙市东山湾碎石场的石灰岩碎石，碎石为四种单一粒级，其有关技术指标见表1。
表1 碎石技术指标
项目
表观密度
（g·cm-3）
松方密度
（g·cm-3）
含泥量
（%）
针片状颗粒含量
（%）
压碎率
（%）
标准
＞2.5
＞1.35
≦1
≦15
≦20
实测
2.60
1.63
0.30
9.20
7.38
2.2水泥
本试验选用湖南长沙坪塘水泥厂生产的复合硅酸盐水泥，强度等级为32.5 。
2.3外掺料
粉煤灰：湖南湘潭电厂生产。
2.4拌合水
长沙市普通自来水。
3 试件制作与性能测定
3.1试件制作
为了使水泥浆体均匀包裹在粗集料表面，多孔混凝土在拌合时应十分注意加料顺序。本试验使用混凝土搅拌机搅拌，施工方法如下：(1)粗集料加入1/2水泥用量，搅拌30s；(2)加剩余的水泥，搅拌30s；(3)每次加1/4水，搅拌35s，直至依次加完所有有效水；(4)出料；(5)混凝土拌合物分三层装入150mm×150mm×150mm试模内，并按规范[9]插捣密实；(6)将试件用不透水的薄膜覆盖表面并放到室内自然成型养护，经过24小时后拆模、编号，记录编号数据，再置于不流动的Ca(OH)2饱和溶液养护池中养护至28d。
3.2连通孔隙率测定
评价多孔混凝土透水性能的重要指标：连通孔隙率（P），连通孔隙率的计算方法如下[10]：
其中V:用游标卡尺测量并计算试件的外观体积V，cm³；
W1:将试件浸泡在水中使其饱和后（浸泡24h以上），称取试件在水中的质量W1，g；
W2:将试件在20±2℃、相对湿度60%的条件下，自然放置24h以上，称取试件在空气中的质量W2，g。
3.3抗压强度测定
本试验在试件28d后，在吸水饱和状态下进行抗压强度检测，测试方法与数据处理按照GB/T50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准 [9]。
4.正交试验设计
本试验采用正交试验设计原理，分析级配、灰集比和水灰比对多孔混凝土连通孔隙率和28d抗压强度的影响程度及其相互关系。
4.1配合比设计
本试验结合多孔混凝土相关理论的实际情况，确定配合比设计水平因素为：级配、灰集比和水灰比。
4.1.1确定集料级配（A）。集料级配不仅影响多孔混凝土的强度特性，还影响其连通孔隙率。本试验选用四种单一粒级粗集料粒径分别是10-16mm、16-20mm、20-25mm和10-20mm四个水平；
4.1.2确定灰集比（B）。灰集比的大小影响集料颗粒表面包裹的水泥浆薄厚程度以及孔隙率的多少，也影响多孔混凝土的强度。本试验选用灰集比（按质量比）为：1/3、1/3.5、1/4和1/4.5四个水平；
4.1.3确定水灰比(C)。硅酸盐水泥的理论需水量约占水泥质量的25%[8]，但是在实际使用时，这样的用水量拌制的水泥浆稠度太大，难以搅拌，也不便于浇注成型，不利于水化和施工。据相关研究成果，多孔混凝土的水灰比0.3- 0.35之间[3]，本试验选用水灰比（按质量比）为：0.29、0.32、0.35和0.38四个水平。
4.2正交试验表组合设计
本试验选用L16(45)水平正交表进行多孔混凝土的正交试验，共16组试验组合试验方案，正交设计的表头见表 2。

表2 多孔混凝土配合比试验正交设计因素水平表
水平
影响因素
级配/mm
灰集比
水灰比%
1
10—16
1/3
0.29
2
16—20
1/3.5
0.32
3
20—25
1/4
0.35
4
10—20
1/4.5
0.38

4.3试验材料的用量
本试验所用碎石技术指标的检测见表1，配合比需碎石量以17kg为基准，多孔混凝土组成材料的用量见表3。

表3 正交设计与配合比安排表
编号
A
B
C
空集
空集
组成材料的用量/kg
集料
水泥
水
1
1
1
1
1
1
17
5.667
1.643
2
1
2
2
2
2
17
4.857
1.554
3
1
3
3
3
3
17
4.250
1.488
4
1
4
4
4
4
17
3.778
1.436
5
2
1
2
3
4
17
5.667
1.813
6
2
2
1
4
3
17
4.857
1.409
7
2
3
4
1
2
17
4.250
1.615
8
2
4
3
2
1
17
3.778
1.322
9
3
1
3
4
2
17
5.667
1.983

续表3

编号
A
B
C
空集
空集
组成材料的用量/kg
集料
水泥
水
10
3
2
4
3
1
17
4.857
1.846
11
3
3
1
2
4
17
4.250
1.233
12
3
4
2
1
3
17
3.778
1.209
13
4
1
4
2
3
17
5.667
2.153
14
4
2
3
1
4
17
4.857
1.700
15
4
3
2
4
1
17
4.250
1.360
16
4
4
1
3
2
17
3.778
1.096
5.试验结果与分析
正交试验结果见表4，连通孔隙率和28d抗压强度的方差分析见表5。
表4 正交试验结果表
试验编号
连通孔隙率%
28d压强MPa
1
16.30
29.0
2
16.95
23.5
3
19.53
14.9
4
20.24
11.2
5
17.70
19.5
6
21.68
16.3
7
18.46
11.8
8
24.82
11.8
9
16.63
29.2
10
20.21
15.1
11
24.73
13
12
22.16
13.7
13
16.14
26.8
14
17.78
24.8
15
20.97
19
16
23.94
13.4
表5 试验结果的方差分析表
性能指标
因素
Sj
ƒj
F值
Fa
显著
连通隙率
A
17.58
3
2.44
4.76
B
80.96
3
11.26
4.76
*
C
18.60
3
2.59
4.76
空集
9.11
3
1.27
4.76
空集
5.28
3
0.73
4.76
误差
14.38
6
28d抗压强度
A
85.27
3
3.37
4.76
B
441.45
3
17.44
4.76
*
C
33.41
3
1.32
4.76
空集
38.29
3
1.51
4.76
空集
12.33
3
0.49
4.76
误差
50.62
6
注： Sj: 离差平方和,ƒj:自由度, Fa=F0.05(3,6).
5.1三因素对多孔混凝土连通孔隙率的影响
由表5可知，级配、灰集比和水灰比三个因素对多孔混凝土连通孔隙率的影响次序为：灰集比＞水灰比＞级配，且只有灰集比影响显著。多孔混凝土连通孔隙率的形成是由粗集料和水泥浆共同作用的结果，从影响多孔混凝土连通孔隙率的因素次序和显著程度而言，水泥浆体起到的作用更大。本试验采用同品牌同标号的水泥，所以水泥浆体对多孔混凝土的作用取决于灰集比和水灰比。灰集比决定了水泥浆体中水泥量的多少，水灰比决定了水泥浆体的流动性，而且灰集比和水灰比都可以控制水泥浆体在粗集料表面包裹的均匀性和空隙的填充程度。试验表明，灰集比对多孔混凝土连通孔隙率的影响大于水灰比，说明多孔混凝土中灰集比对粗集料外表面水泥浆体包裹程度和空隙的填充作用影响大于水灰比。
5.2三因素对多孔混凝土的抗压强度的影响
从表5中，可知级配、灰集比和水灰比三个因素对多孔混凝土28d抗压强度影响的程度为：灰集比＞级配＞水灰比，且只有灰集比影响显著。一般粗集料的抗压强度比混凝土中基体和界面过渡区的强度要高出数倍[11]。试验表明，多孔混凝土的强度也低于骨料强度的数倍，绝大多数骨料的强度几乎得不到利用，级配对多孔混凝土的强度影响是通过不同的级配所形成的孔隙特征和孔隙率不一样产生。研究表明，水泥浆作为多孔混凝土的胶结材料，它的胶结作用对多孔混凝土的抗压强度起到了关键的作用。
5.3三因素与多孔混凝土连通孔隙率和抗压强度的相关关系
由图1和图2可知，级配对多孔混凝土连通孔隙率的影响，是随着粒径的增大而增大，然而随着粒径的增大其28d抗压强度越小。试验结果表明，随着级配粒径的增大使得粗集料颗粒之间形成的连通孔隙增多，致使多孔混凝土的连通孔隙率也增大，但是随着连通孔隙率的增大，其能承受的抗压能力也会随之降低。
灰集比增大，水泥的含量则降低，包裹在粗集料颗粒外表面的水泥浆体减少，粗集料颗粒之间形成的空隙被水泥浆体填充的量也随之少，从而可以增加连通孔隙率。但是，粗集料颗粒外表面包裹的水泥浆体的量减少，甚至有些颗粒表面不能被水泥浆体包裹，从而降低了多孔混凝土基体和界面过度区的抗压能力。
试验结果表明，随着水灰比的增加，多孔混凝土连通孔隙率降低，而28d抗压强度却先增加后减小。在一定范围内，水灰比的增加，使水泥浆体更好包裹于粗集料颗粒的外表面，增加其抗压强度。然而，多孔混凝土属于无砂混凝土，水灰比过大，使新拌多孔混凝土产生离析，不仅降低连通孔隙率和抗压强度，还使其连通孔隙和抗压强度区域分布不均。

5.4粉煤灰对多孔混凝土性能指标的影响
表7中试验级配为16-20mm,灰集比为1/4，水灰比为0.32，粉煤
灰掺量范围为20%-40%。研究表明，掺入粉煤灰后，多孔混凝土连通孔隙率降低，抗压强度增大。
　表7 外掺粉煤灰试验结果表
粉煤灰%
连通孔隙率%
28d抗压强度MPa
0
29.30
9
20
17.17
21.8
25
17.93
20.6
30
16.85
18
35
20.94
15.9
40
20.59
17
6 结论6.1多孔混
凝土属于粗集料骨架空隙结构，灰集比对其有效孔隙率和28d抗压强度的影响最大且显著，其次是集料级配，最后是水灰比，但集料级配和水灰比对其影响均不显著。
6.2水泥的胶结作用对多孔混凝土的抗压强度起到了关键的作用。
6.3粉煤灰使多孔混凝土连通孔隙率降低，抗压强度增大。
6.4粗集料级配良好，集灰比及水灰比合理，集料表面包裹均匀且颗粒接触点水泥浆连接面大，则多孔混凝土连通孔隙率及抗压强度较高。
参考文献
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