第40卷第6期2008年11月
四川大学学报(工程科学版)
JOURNALOFSICHUANUNIVERSITY(ENGINEERINGSCIENCEEDITION)
Vol.40No.6Nov.2008
文章编号:1009-3087(2008)06-0019-05
多孔生态混凝土强度与孔隙率的试验研究
谢新生,汤 巍,王锦叶
(四川大学水利水电学院,四川成都610065)
摘 要:为探索适合多孔生态混凝土的配合比设计方法,采用正交试验法对多孔生态混凝土的抗压强度和孔隙率及主要影响因素进行了试验研究。结果显示,试样的实测孔隙率13.8%～31.5%,平均值为25.24%,与目标值相近;实测抗压强度为3.49～18.2MPa,平均值9.75MPa,仅为理论值的9.21%～48.02%。孔隙率超过20%时,强度随孔隙率的增加快速下降。在孔隙率为31.5%时,强度仅3.49MPa,与目标强度相差较大。试验结果也表明,多孔生态混凝土的强度和孔隙率除受水灰比的影响外,灰集比是主要影响因素。灰集比越大,抗压强度越高,但孔隙率也随之减小,说明现有混凝土的强度理论不适合多孔生态混凝土的配合比设计。通过回归分析建立的孔隙率和混凝土强度设计公式(4)和(5),综合考虑了水灰比、灰集比和外加剂的影响,可联立用于多孔生态混凝土的配合比设计。关键词:生态混凝土;孔隙率;抗压强度;配合比设计中图分类号:TV431.4
文献标识码:A
ExperimentalStudyonStrengthandPorosityRatioofPorousEcologicalConcrete
XIEXin-sheng,TANGWei,WANGJin-ye
(SchoolofWaterResourceandHydropower,SichuanUniv.,Chengdu610065,China)
Abstract:Inordertoexploremixdesignmethodofporousecologicalconcrete,thepaperanalyzedthestrengthandporosityofporousecologicalconcretebasedonorthogonaltestmethod.Theresultshowedthattheobservedporosity
wasontherageof13.8%to31.5%,theaveragewasabout25.24%,whichwasneartothetargetvalue.Howev-er,theobservedcompressionstrengthwasabout3.49to18.2MPa,theaveragewasabout9.75MPa,whichwasjustthetheoreticalvalues9.21%to48.02%.Accordingtothetest,whentheporositywasover20percent,strengthwouldberapidlydecreased.Whentheporositywas31.5%,thestrengthwasjust3.49MPa,whichwasfarlowerthanthetargetvalue.Thetestalsoshowedthatthestrengthandporositywerealsoaffectedbyashsetrati-o.Thebiggertheashsetratio,thehighercompressionstrength,buttheporositywouldlow.Thiscouldexplainthattheexistedstrengththeorywasnotfittothemixdesignofporousecologicalconcrete.Accordingtotheexperi-mentalresults,theempiricalformula(4)andformula(5)aboutcompressivestrengthandporositydesignisestab-lishedthroughregressionanalysis.Theempiricalformulacanguidemixdesignofporousecologicalconcrete.Keywords:ecologicalconcrete;porosity;compressivestrength;mixdesign
多孔混凝土作为一种新型的生态混凝土材料有广阔的发展前景,是当前研究的热门课题
收稿日期:2008-05-04
作者简介:谢新生(1958-),男,博士生,副教授.研究方向:水
工结构工程.
[1-6]
多孔混凝土的研究内容主要集中在三个方面:一是如何在保证多孔生态混凝土孔隙率(一般要求孔隙
率为20%～30%)的条件下提高混凝土的强度,使其满足结构物的强度要求;二是多孔生态混凝土的制作工艺和施工方法;三是多孔生态混凝土的配合。
20
四川大学学报(工程科学版)第40卷
这里用正交试验方法对多孔生态混凝土的抗压强度与孔隙率关系进行研究,以探索多孔生态混凝
土的配合比设计方法。
式中,PPc,k为混凝土理论孔隙率,%;g为粗骨料堆积孔隙率,%;V为干砂浆与混凝土的体积比,%。es
按(1)式计算的结果见表1。
表1 理论抗压强度与理论孔隙率设计表
Tab.1 Thetheoreticalstrengthandporosityratioofor-thogonaltest
实验编号
123456789
理论孔隙率/%
32.2328.8821.9728.3221.1731.8920.3731.4527.76
理论抗压强度/MPa
37.9037.9037.9034.2834.2834.2831.1031.1031.10
1 原材料及制备方法
1.1 多孔混凝土的原材料
从多孔生态混凝土应用面广的角度考虑,试验中所用原材料都为易于采购的一般材料。
水泥:采用P32.5普通硅酸盐水泥。
粗骨料:卵石骨料,粒级为5～16mm,表观密度
3
为2596kg/m,堆积孔隙率为45%,吸水率为1%～1.5%,含泥量0.5%。
外加剂:采用自贡市星宇精细化工有限责任公司生产的XY-007系列聚羧酸减水剂,外观为茶色液体,pH值7.9,密度1.06g/ml。减水效果达25%～35%。
水:采用地方饮用水。1.2 多孔混凝土试样的制备方法
多孔混凝土试样的制备工艺基本与一般混凝土相同,即混料-拌和-放入特定模具-挤压或振捣成型-养护,但因对混凝土的孔隙结构和渗透性的要求不同,在拌和料的流动性控制和成型方法上存在差异。因目前还没有系统的多孔混凝土的制备方法,本试验中仍采用一般混凝土的方法。试样的制备过程是:先将粗骨料装入强制式拌和机,加入小部分拌和水喷淋,使粗骨料表面湿润,再将水泥和剩余的水及外加剂掺入,拌和160s,使拌和料均匀。将拌和料注入150mm×l50mm×l50mm模具中挤压成型,24h后拆模,放入标准湿气养护箱(箱温为20℃)养护。
2.2 强度设计
Abram根据对强度和水灰比关系的试验研究,发现了水灰比和混凝土抗压强度之间成反比
这一的重要关系,称为水灰比原理。根据该原理,混凝土抗压强度和水灰比之间存在如下数学关系:
σcB
(2)
[9]
[8]
式中,A、B是与给定材料、龄期和试验条件相关的常数。由普通混凝土配合比设计的配制强度理论
水灰比理论可推得下式:fcu,kMfce
-M·N·f645σce-1.(ww/ww+F)c
与
(3)
2 混凝土设计原理
2.1 孔隙率设计
由混凝土全配合比设计计算方法的指导思
想可知,混凝土拌合物可看成是一个多相聚集体,在这一多相聚集体中,各相之间的关系是:1)在混凝土拌合物中,各组成材料(包括固、气、液三相)具有体积加和性;2)粗集料的空隙由干砂浆来填充;3)干砂浆的孔隙由水来填充;4)干砂浆由水泥、矿物掺合料、细集料和空气组成。
根据这一模型可以推得,混凝土孔隙率为:
PPV)×100%c,k=(g-es
(1)
[7]
式中,fPa;σ为混cu,k为设计的混凝土强度标准值,M凝土强度标准差,MPa;f为水泥的实际强度,MPa;ce
M、N为回归系数,M可取0.50,N可取0.61;w为水c泥量,kg;wg;wg。w为用水量,kF为外加剂用量,k2.3 多孔生态试验样组设计
本次试验设定多孔生态混凝土的目标强度为15MPa,目标孔隙率为20%～30%。因没有相关多孔生态混凝土强度设计的理论方法,在初步的强度设计时仍然采用传统混凝土的配合比设计理论,考虑到多孔生态混凝土的强度较普通混凝土相对更低,按(3)式计算时将混凝土设计强度定为2倍目标强度左右,见表1所示。相应的组成各相见表2所示。
第6期谢新生,等:多孔生态混凝土强度与孔隙率的试验研究
表2 配合比及试验成果
Tab.2 Themixtureratioandtheresultoftest
21
实验编号
123456789
水灰比0.290.290.290.310.310.310.330.330.33
外加剂掺量/%1.01.31.51.01.31.51.01.31.5
灰集比1∶91∶71∶51∶71∶51∶91∶51∶91∶7
组成材料用量/(kg·m-3)
粗骨料[***********][***********]
水泥[***********]400220280
水61.076.5108.383.1117.263.9126.768.886.8
外加剂2.84.77.73.76.84.35.33.85.6
实测孔隙率
/%31.524.016.827.522.728.423.829.023.5
实测抗压强度/MPa3.4911.0018.207.5512.296.5811.155.9711.50
2.4 试验结果
抗压强度试验按照GB50081-2002《普通混凝
土力学性能试验方法标准》进行。试件的孔隙率根据GB/T1996-96《多孔陶瓷显气孔率、容重试验方法》测定的,但是由于没有连通孔隙率这个概念,故也没有相应的标准测定方法,因此参考相关文献进
[9]
行总孔隙率和连通孔隙率的测定。各试样的孔隙率和强度试验结果见表2。
3.2 经验公式推求
试验表明,在多孔材料中控制强度的主要因素是孔隙率。孔隙率与混凝土强度之间的关系是混凝土细观结构与宏观结构之间联系非常重要的一个方面。长期以来,人们普遍认为混凝土强度与其孔隙率之间存在直接联系并呈线性对应关系,即混凝土的强度越高,其孔隙率就越低
[10]
。但是近年来的深
3 试验结果分析
3.1 强度与孔隙率的关系分析
对比表1、表2中的数据可见,多孔生态混凝土试样的实测孔隙率13.8%～31.5%,平均值为25.24%,基本满足生态混凝土的要求。实测抗压强度为3.49～18.2MPa,平均值为9.75MPa,比设计理论抗压强度小63%～89%。究其原因主要是:按Abram水灰比原理推导出来的普通混凝土的配制强度理论关系式(3)中,是在假定混凝土是密实的条件下建立的,没有考虑大孔隙率的因素。而多孔生态混凝土的孔隙率达20%～30%,其混凝土不是密实的,这自然造成实测值与理论值有较大的偏差。由此可见,实用于普通混凝土强度设计的理论关系式(3)并不能用作多孔生态混凝土的配合比设计。一般影响混凝土强度的主要因素有试件尺寸参数、组成各相的强度、加荷参数等,其中组成各相的强度的影响因素是界面区孔隙率、骨料的孔隙率及基体的孔隙率。当生态混凝土的孔隙率较大时,在影响混凝土强度方面,孔隙率占主导地位。如表2和图1所示,生态混凝土的强度随孔隙率的增加而明显减小。因此在生态混凝土的强度设计中,不能入研究发现,如果将混凝土作为非均匀材料对待,其强度主要受某断面的最大孔隙率控制,所以,混凝土的强度和孔隙性之间应当不是一种简单的线性对应关系。为此,许多学者都提出了关于混凝土材料强
[11]
度与孔隙率之间的半经验公式,其中具有代表性的4个公式见表3。
表3 混凝土强度与孔隙率关系的半经验公式Tab.3 Thetableofsemi-empiricalformulaabouttherela-tionofconcretestrengthandporosity
关系式类型幂函数关系式指数函数关系式对数函数关系式线性关系式
半经验公式
m
f1-p)c=f0(
作者,发表时间M.Y.Balshin,1949年
fxp(1-χ)E.Y.Ryshkewitch,1953年c=f0ePf·ln(f)c=λ0/pf1-m)c=f0(p
K.K.Schiller,1971年Hasselmann,1985年
注:p为混凝土孔隙率;f为混凝土抗压强度;fc0为凝胶体本身固
有强度,即孔隙率为0时的水泥石强度;m、λ、χ为经验常数
由于混凝土强度与其孔隙率之间并不是呈单纯的线性关系。因而,本次试验中针对多孔生态混凝土的试验结果进行回归分析时,选择表3中除线性
关系式外的函数类型进行拟合,求取孔隙率与抗压强度关系式。具体的回归分析思路
[12]
:1)建立孔隙
率与抗压强度散点关系;2)根据散点图,选择关系
ββ·x
式类型,如:y=a·x、y=aln(x)+β、y=ae;3),a4
22
四川大学学报(工程科学版)第40卷
判明检验公式的有效性。分析结果及拟合关系曲线见图1。以上这些公式的不足之处是将孔隙率作为
影响混凝土强度的唯一因素。试验得相关系数表明,多孔生态混凝土强度与孔隙率之间的相关性好,在3种反映多孔生态混凝土强度与孔隙率的关系式中,对数函数关系式的相关性最好,因此用y=-23.409ln(x)+84.987(即fln(f)表达两者c=λ0/p关系较为合适
。
下:
P=P-59.6061ω6061b+10.7091)c,k(F-59.
(4)
式中,P为多孔混凝土孔隙率,%;ωF为外加剂掺量(占胶凝材料总量的百分比),%;b为灰集比。同样可建立灰集比与多孔生态混凝土强度之间
的关系式如下:
f11.7511ω2.9378b-0.3097)cu=fcu,k(F+式中,f抗压强度,MPa。cu为多孔混凝土28d由公式(4)和(5)可见,多孔生态混凝土的强度除受水灰比的影响外,灰集比是主要影响因素。上述两个公式是通过试验所得的半经验公式,可用于对多孔生态混凝土进行配合比设计。
(5)
5 结语
通过对多孔生态混凝土的正交试验研究结果表明:
1)多孔生态混凝土受孔隙率的影响较大,采用通用的普通混凝土的强度理论设计的结果与实测结
果相差较大,故不适合用于多孔生态混凝土的配合比设计;
2)普通混凝土的强度主要由水灰比控制的,而多孔生态混凝土的强度则受孔隙率的影响较大。混凝土强度的大小不仅取决于水灰比,灰集比也是主要影响因素。灰集比越大,其抗压强度越高,但孔隙率也随之减小;
3)用对数函数y=-23.409ln(x)+84.987能较好的反映多孔生态混凝土的强度与孔隙率的关系。在孔隙率超过20%时,强度随孔隙率的增加快速下降,其值远低于目标强度。因此寻找能提高多孔生态混凝土强度的方法是今后研究的重点问题;
4)依据试验数据建立的公式(4)和(5)是综合考虑了水灰比、灰集比对孔隙率和混凝土强度影响
图1 多孔生态混凝土强度与孔隙率的关系Fig.1 Therelationbetweenstrengthandporosityof
porousecologicalconcrete
的半经验公式,可联立用于多孔生态混凝土的配合比设计。参考文献:
[1]PrattCJ.Useofpermeable,reservoirpavementconstruc-tionsforstormwatertreatmentandstorageforreuse[J].Wa-terScienceandTechnology,1999,39(5):145-151.[2]TetsuoKobayashi,MamoruKagata,TakayoshiKodama.De-elopmenenvironmentfrielyhidpermecon-
4 配合比设计方法
由试验结果可见,以前的混凝土配合比设计理
论对多孔生态混凝土的配合比设计不适合,原因是没有考虑大孔隙率的问题,因此由此设计的配合比其混凝土的强度远小于理论设计强度。在水灰比一定时,多孔生态混凝土的孔隙率由灰集比确定。从
第6期谢新生,等:多孔生态混凝土强度与孔隙率的试验研究
23
cretepavement[J].TransactionsoftheJapanConcreteInsti-tute,2002,23:65-76.
[3]LIHuajian,SunHenghu,XiaoXuejun.Advanceinresearch
oneco-concrete[J].MaterialsReview,2005(3):17-20,24.[李化建孙恒虎肖雪军.生态混凝土研究进展[J].材料导报,2005(3):17-20,24.]
[4]WangWuxiang.Thekindsandpropertiesofpavementbrick
withperviousconcrete[J].BuildingBlockandBlockBuild-ing,2003(1):17-19.[王武祥.透水性混凝土路面砖的种类和性能[J].建筑砌块与砌块建筑,2003(1):17-19.]
[5]ZhengMulian,WangBinggang,HuChangshun.Component
designandperformanceofporousconcrete[J].JournalofChanganHighwayUniversity,2003,23(4):6-10.[郑木莲王秉纲胡长顺.大孔混凝土组成设计及路用性能[J].长安大学学报:自然科学版,2003,23(4):6-10.]
[6]HaoJinghua.Designmethodsresearchoncompositionof
porousconcretematerials[J].JournalofHighwayandTransportationResearch,2007(2):57-60.[郝静华.多孔混凝土材料组成设计方法研究[J].公路交通科技:应用技术版,2007(2):57-60.]
[7]张承志,王爱勤,邵惠.建筑混凝土[M].北京:化学工业
出版社,2001.
[8]FrancisAO.Flyashconcretemixdesignandthewater-ce-mentratiolaw[J].ACIMaterialsJournal,1994,91(4):362-371.
[9]JingYang,GuoliangJiang.Experimentalstudyonproper-tiesofperviousconcretepavementmaterials[J].CementandConcreteResearch,2003(33):381-386.
[10]MengHongrui.Perviousconcretemixproportiondesigned
byorthogonalmethod[J].JournalofShaanxiInstituteofTechnology,2004(2):31-34.[孟宏睿.透水性混凝土配合比正交设计方法[J].陕西工学院学报,2004(2):31-34.]
[11]赵铁军.混凝土渗透性[M].北京:科学出版社,2005.[12]XingZhenxian,WangJing.Analysisofapplicationcharac-teristicsoflargecavityecologicalconcretewithoutsandbyorthogonalmethod[J].YangtzeRiver,2007,38(1):48-49.[邢振贤,王静.正交法分析无砂大孔生态混凝土的应用性能[J].人民长江,2007,38(1):48-49.]
(编辑 张凌之)
第40卷第6期2008年11月
四川大学学报(工程科学版)
JOURNALOFSICHUANUNIVERSITY(ENGINEERINGSCIENCEEDITION)
Vol.40No.6Nov.2008
文章编号:1009-3087(2008)06-0019-05
多孔生态混凝土强度与孔隙率的试验研究
谢新生,汤 巍,王锦叶
(四川大学水利水电学院,四川成都610065)
摘 要:为探索适合多孔生态混凝土的配合比设计方法,采用正交试验法对多孔生态混凝土的抗压强度和孔隙率及主要影响因素进行了试验研究。结果显示,试样的实测孔隙率13.8%～31.5%,平均值为25.24%,与目标值相近;实测抗压强度为3.49～18.2MPa,平均值9.75MPa,仅为理论值的9.21%～48.02%。孔隙率超过20%时,强度随孔隙率的增加快速下降。在孔隙率为31.5%时,强度仅3.49MPa,与目标强度相差较大。试验结果也表明,多孔生态混凝土的强度和孔隙率除受水灰比的影响外,灰集比是主要影响因素。灰集比越大,抗压强度越高,但孔隙率也随之减小,说明现有混凝土的强度理论不适合多孔生态混凝土的配合比设计。通过回归分析建立的孔隙率和混凝土强度设计公式(4)和(5),综合考虑了水灰比、灰集比和外加剂的影响,可联立用于多孔生态混凝土的配合比设计。关键词:生态混凝土;孔隙率;抗压强度;配合比设计中图分类号:TV431.4
文献标识码:A
ExperimentalStudyonStrengthandPorosityRatioofPorousEcologicalConcrete
XIEXin-sheng,TANGWei,WANGJin-ye
(SchoolofWaterResourceandHydropower,SichuanUniv.,Chengdu610065,China)
Abstract:Inordertoexploremixdesignmethodofporousecologicalconcrete,thepaperanalyzedthestrengthandporosityofporousecologicalconcretebasedonorthogonaltestmethod.Theresultshowedthattheobservedporosity
wasontherageof13.8%to31.5%,theaveragewasabout25.24%,whichwasneartothetargetvalue.Howev-er,theobservedcompressionstrengthwasabout3.49to18.2MPa,theaveragewasabout9.75MPa,whichwasjustthetheoreticalvalues9.21%to48.02%.Accordingtothetest,whentheporositywasover20percent,strengthwouldberapidlydecreased.Whentheporositywas31.5%,thestrengthwasjust3.49MPa,whichwasfarlowerthanthetargetvalue.Thetestalsoshowedthatthestrengthandporositywerealsoaffectedbyashsetrati-o.Thebiggertheashsetratio,thehighercompressionstrength,buttheporositywouldlow.Thiscouldexplainthattheexistedstrengththeorywasnotfittothemixdesignofporousecologicalconcrete.Accordingtotheexperi-mentalresults,theempiricalformula(4)andformula(5)aboutcompressivestrengthandporositydesignisestab-lishedthroughregressionanalysis.Theempiricalformulacanguidemixdesignofporousecologicalconcrete.Keywords:ecologicalconcrete;porosity;compressivestrength;mixdesign
多孔混凝土作为一种新型的生态混凝土材料有广阔的发展前景,是当前研究的热门课题
收稿日期:2008-05-04
作者简介:谢新生(1958-),男,博士生,副教授.研究方向:水
工结构工程.
[1-6]
多孔混凝土的研究内容主要集中在三个方面:一是如何在保证多孔生态混凝土孔隙率(一般要求孔隙
率为20%～30%)的条件下提高混凝土的强度,使其满足结构物的强度要求;二是多孔生态混凝土的制作工艺和施工方法;三是多孔生态混凝土的配合。
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四川大学学报(工程科学版)第40卷
这里用正交试验方法对多孔生态混凝土的抗压强度与孔隙率关系进行研究,以探索多孔生态混凝
土的配合比设计方法。
式中,PPc,k为混凝土理论孔隙率,%;g为粗骨料堆积孔隙率,%;V为干砂浆与混凝土的体积比,%。es
按(1)式计算的结果见表1。
表1 理论抗压强度与理论孔隙率设计表
Tab.1 Thetheoreticalstrengthandporosityratioofor-thogonaltest
实验编号
123456789
理论孔隙率/%
32.2328.8821.9728.3221.1731.8920.3731.4527.76
理论抗压强度/MPa
37.9037.9037.9034.2834.2834.2831.1031.1031.10
1 原材料及制备方法
1.1 多孔混凝土的原材料
从多孔生态混凝土应用面广的角度考虑,试验中所用原材料都为易于采购的一般材料。
水泥:采用P32.5普通硅酸盐水泥。
粗骨料:卵石骨料,粒级为5～16mm,表观密度
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为2596kg/m,堆积孔隙率为45%,吸水率为1%～1.5%,含泥量0.5%。
外加剂:采用自贡市星宇精细化工有限责任公司生产的XY-007系列聚羧酸减水剂,外观为茶色液体,pH值7.9,密度1.06g/ml。减水效果达25%～35%。
水:采用地方饮用水。1.2 多孔混凝土试样的制备方法
多孔混凝土试样的制备工艺基本与一般混凝土相同,即混料-拌和-放入特定模具-挤压或振捣成型-养护,但因对混凝土的孔隙结构和渗透性的要求不同,在拌和料的流动性控制和成型方法上存在差异。因目前还没有系统的多孔混凝土的制备方法,本试验中仍采用一般混凝土的方法。试样的制备过程是:先将粗骨料装入强制式拌和机,加入小部分拌和水喷淋,使粗骨料表面湿润,再将水泥和剩余的水及外加剂掺入,拌和160s,使拌和料均匀。将拌和料注入150mm×l50mm×l50mm模具中挤压成型,24h后拆模,放入标准湿气养护箱(箱温为20℃)养护。
2.2 强度设计
Abram根据对强度和水灰比关系的试验研究,发现了水灰比和混凝土抗压强度之间成反比
这一的重要关系,称为水灰比原理。根据该原理,混凝土抗压强度和水灰比之间存在如下数学关系:
σcB
(2)
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式中,A、B是与给定材料、龄期和试验条件相关的常数。由普通混凝土配合比设计的配制强度理论
水灰比理论可推得下式:fcu,kMfce
-M·N·f645σce-1.(ww/ww+F)c
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2 混凝土设计原理
2.1 孔隙率设计
由混凝土全配合比设计计算方法的指导思
想可知,混凝土拌合物可看成是一个多相聚集体,在这一多相聚集体中,各相之间的关系是:1)在混凝土拌合物中,各组成材料(包括固、气、液三相)具有体积加和性;2)粗集料的空隙由干砂浆来填充;3)干砂浆的孔隙由水来填充;4)干砂浆由水泥、矿物掺合料、细集料和空气组成。
根据这一模型可以推得,混凝土孔隙率为:
PPV)×100%c,k=(g-es
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式中,fPa;σ为混cu,k为设计的混凝土强度标准值,M凝土强度标准差,MPa;f为水泥的实际强度,MPa;ce
M、N为回归系数,M可取0.50,N可取0.61;w为水c泥量,kg;wg;wg。w为用水量,kF为外加剂用量,k2.3 多孔生态试验样组设计
本次试验设定多孔生态混凝土的目标强度为15MPa,目标孔隙率为20%～30%。因没有相关多孔生态混凝土强度设计的理论方法,在初步的强度设计时仍然采用传统混凝土的配合比设计理论,考虑到多孔生态混凝土的强度较普通混凝土相对更低,按(3)式计算时将混凝土设计强度定为2倍目标强度左右,见表1所示。相应的组成各相见表2所示。
第6期谢新生,等:多孔生态混凝土强度与孔隙率的试验研究
表2 配合比及试验成果
Tab.2 Themixtureratioandtheresultoftest
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实验编号
123456789
水灰比0.290.290.290.310.310.310.330.330.33
外加剂掺量/%1.01.31.51.01.31.51.01.31.5
灰集比1∶91∶71∶51∶71∶51∶91∶51∶91∶7
组成材料用量/(kg·m-3)
粗骨料[***********][***********]
水泥[***********]400220280
水61.076.5108.383.1117.263.9126.768.886.8
外加剂2.84.77.73.76.84.35.33.85.6
实测孔隙率
/%31.524.016.827.522.728.423.829.023.5
实测抗压强度/MPa3.4911.0018.207.5512.296.5811.155.9711.50
2.4 试验结果
抗压强度试验按照GB50081-2002《普通混凝
土力学性能试验方法标准》进行。试件的孔隙率根据GB/T1996-96《多孔陶瓷显气孔率、容重试验方法》测定的,但是由于没有连通孔隙率这个概念,故也没有相应的标准测定方法,因此参考相关文献进
[9]
行总孔隙率和连通孔隙率的测定。各试样的孔隙率和强度试验结果见表2。
3.2 经验公式推求
试验表明,在多孔材料中控制强度的主要因素是孔隙率。孔隙率与混凝土强度之间的关系是混凝土细观结构与宏观结构之间联系非常重要的一个方面。长期以来,人们普遍认为混凝土强度与其孔隙率之间存在直接联系并呈线性对应关系,即混凝土的强度越高,其孔隙率就越低
[10]
。但是近年来的深
3 试验结果分析
3.1 强度与孔隙率的关系分析
对比表1、表2中的数据可见,多孔生态混凝土试样的实测孔隙率13.8%～31.5%,平均值为25.24%,基本满足生态混凝土的要求。实测抗压强度为3.49～18.2MPa,平均值为9.75MPa,比设计理论抗压强度小63%～89%。究其原因主要是:按Abram水灰比原理推导出来的普通混凝土的配制强度理论关系式(3)中,是在假定混凝土是密实的条件下建立的,没有考虑大孔隙率的因素。而多孔生态混凝土的孔隙率达20%～30%,其混凝土不是密实的,这自然造成实测值与理论值有较大的偏差。由此可见,实用于普通混凝土强度设计的理论关系式(3)并不能用作多孔生态混凝土的配合比设计。一般影响混凝土强度的主要因素有试件尺寸参数、组成各相的强度、加荷参数等,其中组成各相的强度的影响因素是界面区孔隙率、骨料的孔隙率及基体的孔隙率。当生态混凝土的孔隙率较大时,在影响混凝土强度方面,孔隙率占主导地位。如表2和图1所示,生态混凝土的强度随孔隙率的增加而明显减小。因此在生态混凝土的强度设计中,不能入研究发现,如果将混凝土作为非均匀材料对待,其强度主要受某断面的最大孔隙率控制,所以,混凝土的强度和孔隙性之间应当不是一种简单的线性对应关系。为此,许多学者都提出了关于混凝土材料强
[11]
度与孔隙率之间的半经验公式,其中具有代表性的4个公式见表3。
表3 混凝土强度与孔隙率关系的半经验公式Tab.3 Thetableofsemi-empiricalformulaabouttherela-tionofconcretestrengthandporosity
关系式类型幂函数关系式指数函数关系式对数函数关系式线性关系式
半经验公式
m
f1-p)c=f0(
作者,发表时间M.Y.Balshin,1949年
fxp(1-χ)E.Y.Ryshkewitch,1953年c=f0ePf·ln(f)c=λ0/pf1-m)c=f0(p
K.K.Schiller,1971年Hasselmann,1985年
注:p为混凝土孔隙率;f为混凝土抗压强度;fc0为凝胶体本身固
有强度,即孔隙率为0时的水泥石强度;m、λ、χ为经验常数
由于混凝土强度与其孔隙率之间并不是呈单纯的线性关系。因而,本次试验中针对多孔生态混凝土的试验结果进行回归分析时,选择表3中除线性
关系式外的函数类型进行拟合,求取孔隙率与抗压强度关系式。具体的回归分析思路
[12]
:1)建立孔隙
率与抗压强度散点关系;2)根据散点图,选择关系
ββ·x
式类型,如:y=a·x、y=aln(x)+β、y=ae;3),a4
22
四川大学学报(工程科学版)第40卷
判明检验公式的有效性。分析结果及拟合关系曲线见图1。以上这些公式的不足之处是将孔隙率作为
影响混凝土强度的唯一因素。试验得相关系数表明,多孔生态混凝土强度与孔隙率之间的相关性好,在3种反映多孔生态混凝土强度与孔隙率的关系式中,对数函数关系式的相关性最好,因此用y=-23.409ln(x)+84.987(即fln(f)表达两者c=λ0/p关系较为合适
。
下:
P=P-59.6061ω6061b+10.7091)c,k(F-59.
(4)
式中,P为多孔混凝土孔隙率,%;ωF为外加剂掺量(占胶凝材料总量的百分比),%;b为灰集比。同样可建立灰集比与多孔生态混凝土强度之间
的关系式如下:
f11.7511ω2.9378b-0.3097)cu=fcu,k(F+式中,f抗压强度,MPa。cu为多孔混凝土28d由公式(4)和(5)可见,多孔生态混凝土的强度除受水灰比的影响外,灰集比是主要影响因素。上述两个公式是通过试验所得的半经验公式,可用于对多孔生态混凝土进行配合比设计。
(5)
5 结语
通过对多孔生态混凝土的正交试验研究结果表明:
1)多孔生态混凝土受孔隙率的影响较大,采用通用的普通混凝土的强度理论设计的结果与实测结
果相差较大,故不适合用于多孔生态混凝土的配合比设计;
2)普通混凝土的强度主要由水灰比控制的,而多孔生态混凝土的强度则受孔隙率的影响较大。混凝土强度的大小不仅取决于水灰比,灰集比也是主要影响因素。灰集比越大,其抗压强度越高,但孔隙率也随之减小;
3)用对数函数y=-23.409ln(x)+84.987能较好的反映多孔生态混凝土的强度与孔隙率的关系。在孔隙率超过20%时,强度随孔隙率的增加快速下降,其值远低于目标强度。因此寻找能提高多孔生态混凝土强度的方法是今后研究的重点问题;
4)依据试验数据建立的公式(4)和(5)是综合考虑了水灰比、灰集比对孔隙率和混凝土强度影响
图1 多孔生态混凝土强度与孔隙率的关系Fig.1 Therelationbetweenstrengthandporosityof
porousecologicalconcrete
的半经验公式,可联立用于多孔生态混凝土的配合比设计。参考文献:
[1]PrattCJ.Useofpermeable,reservoirpavementconstruc-tionsforstormwatertreatmentandstorageforreuse[J].Wa-terScienceandTechnology,1999,39(5):145-151.[2]TetsuoKobayashi,MamoruKagata,TakayoshiKodama.De-elopmenenvironmentfrielyhidpermecon-
4 配合比设计方法
由试验结果可见,以前的混凝土配合比设计理
论对多孔生态混凝土的配合比设计不适合,原因是没有考虑大孔隙率的问题,因此由此设计的配合比其混凝土的强度远小于理论设计强度。在水灰比一定时,多孔生态混凝土的孔隙率由灰集比确定。从
第6期谢新生,等:多孔生态混凝土强度与孔隙率的试验研究
23
cretepavement[J].TransactionsoftheJapanConcreteInsti-tute,2002,23:65-76.
[3]LIHuajian,SunHenghu,XiaoXuejun.Advanceinresearch
oneco-concrete[J].MaterialsReview,2005(3):17-20,24.[李化建孙恒虎肖雪军.生态混凝土研究进展[J].材料导报,2005(3):17-20,24.]
[4]WangWuxiang.Thekindsandpropertiesofpavementbrick
withperviousconcrete[J].BuildingBlockandBlockBuild-ing,2003(1):17-19.[王武祥.透水性混凝土路面砖的种类和性能[J].建筑砌块与砌块建筑,2003(1):17-19.]
[5]ZhengMulian,WangBinggang,HuChangshun.Component
designandperformanceofporousconcrete[J].JournalofChanganHighwayUniversity,2003,23(4):6-10.[郑木莲王秉纲胡长顺.大孔混凝土组成设计及路用性能[J].长安大学学报:自然科学版,2003,23(4):6-10.]
[6]HaoJinghua.Designmethodsresearchoncompositionof
porousconcretematerials[J].JournalofHighwayandTransportationResearch,2007(2):57-60.[郝静华.多孔混凝土材料组成设计方法研究[J].公路交通科技:应用技术版,2007(2):57-60.]
[7]张承志,王爱勤,邵惠.建筑混凝土[M].北京:化学工业
出版社,2001.
[8]FrancisAO.Flyashconcretemixdesignandthewater-ce-mentratiolaw[J].ACIMaterialsJournal,1994,91(4):362-371.
[9]JingYang,GuoliangJiang.Experimentalstudyonproper-tiesofperviousconcretepavementmaterials[J].CementandConcreteResearch,2003(33):381-386.
[10]MengHongrui.Perviousconcretemixproportiondesigned
byorthogonalmethod[J].JournalofShaanxiInstituteofTechnology,2004(2):31-34.[孟宏睿.透水性混凝土配合比正交设计方法[J].陕西工学院学报,2004(2):31-34.]
[11]赵铁军.混凝土渗透性[M].北京:科学出版社,2005.[12]XingZhenxian,WangJing.Analysisofapplicationcharac-teristicsoflargecavityecologicalconcretewithoutsandbyorthogonalmethod[J].YangtzeRiver,2007,38(1):48-49.[邢振贤,王静.正交法分析无砂大孔生态混凝土的应用性能[J].人民长江,2007,38(1):48-49.]
(编辑 张凌之)