植生型多孔混凝土性能影響因素的試驗研究

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植生型多孔混凝土性能影響因素的試驗研究

楊加^{12,3   歐正蜂1     劉歡1}   周錫玲 （1.湖南農(nóng)業(yè)大學東方科技學院，湖南長沙，410128，中國；2.湖南農(nóng)業(yè)大學工學院，湖南長沙，410128，中國 ； 3.中南大學土木建筑學院，湖南長沙，410004，中國。） 摘 要：研究了灰集比、水灰比和礦物摻合料對植生型多孔混凝土性能的影響，分析了相應的影響規(guī)律。試驗結(jié)果表明，植生型多孔混凝土灰集比應控制在1:6-1:7之間，且水灰比為32%-35%之間較適宜；礦物摻合料對植生型多孔混凝土pH值的影響次序：粉煤灰﹥硅灰﹥礦渣，其最適摻合比例：粉煤灰15%-20%，礦渣10%-15%，硅灰4%-5%。 關鍵詞：多孔混凝土；礦物摻合料；連通孔隙率；抗壓強度；pH值 Experimental Study on Influence Factors of Property of Plant-growing Porous Concrete Yang Jia¹,Zhou Xi-ling^2,3,Ou zheng-feng¹,Liu Huan¹ (1. Oriental Institute of Science and Technology of Hunan Agricultural University,Changsha, 410128,China；2.College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha, 410128,China；3. College of Civil and Architectural Engineering, Central South University, Changsha, 410004，China.) Abstract:The effects of the cement-aggregate ratio , water-cement ratio and mineral admixtures on properties of plant-growing porous concrete are studied through experiments.The results of the study show that the cement-aggregate ratio of plant-growing porous concrete should be controlled between the 1:6-1:7 ratio,and water-cement ratio of 32% - 35% is more appropriate.The effective order of the mineral admixture on pH of plant-growing porous concrete is as following : fly ash﹥silica fume﹥slag powder, and the optimum addition ratio: fly ash ratio is 15%-20% , slag powder ratio is 10%-15% and silica fume ratio is 4%-5% . Key words: Porous Concrete;mineral admixtures; connected porosity; compressive strength; pH   0前言     植生型多孔混凝土屬于生態(tài)混凝土(Eco-concrete），是利用多孔混凝土較大的連通孔隙特征，填充植物所需營養(yǎng)，并且能使植物在其孔隙中生長，而根系可以通過混凝土連通孔隙深入到土壤層中吸收養(yǎng)分,其還具有多孔混凝土良好的防滑性、吸波降噪、凈水等性能^[1,2]。1995年，日本混凝土工學協(xié)會就提出了生態(tài)混凝土的概念，目前，植生型多孔混凝土在歐洲、美國、日本等國家已經(jīng)應用于高速公路的路肩隔板建筑、屋頂、防岸護坡、停車場等部位。在中國^[3]，植生型多孔混凝土的研發(fā)經(jīng)過十五科技攻關，有一定的進展，盡管在孔隙率、水灰比、水泥漿、粗骨料級配及多孔混凝土的力學性能等方面都有研究報道，但與國外相比仍有很大的差距，至今國內(nèi)尚無具體的水灰比確定方法，其配制技術(shù)研究仍處于初級階段。     本文從影響植生型多孔混凝土性能的因素考慮，研究了灰集比、水灰比和礦物摻合料對植生型多孔混凝土主要性能的影響，為我國植生型多孔混凝土的應用與推廣提供試驗研究依據(jù)。 -------------------------- 作者簡介：男，湖南農(nóng)業(yè)大學東方科技學院 本科在讀 研究方向：生態(tài)混凝土 基金項目：湖南農(nóng)業(yè)大學東方科技學院“大學生研究性學習與創(chuàng)新性實驗計劃”項目(DFCXY201164) 1 原材料的選擇     水泥:復合硅酸鹽水泥，強度等級為32.5。     粗集料:單一粒級級配石灰?guī)r碎石（10mm-20mm），其有關技術(shù)指標見表1。 表1 碎石技術(shù)指標 項目 表觀密度 （g·cm^-3） 松方密度 （g·cm^-3） 含泥量 （%） 針片狀顆粒含量 （%） 壓碎率 （%） 標準 ＞2.5 ＞1.35 ≦1 ≦15 ≦20 實測 2.60 1.63 0.30 9.20 7.38     礦物摻合料：（1）粉煤灰：湖南湘潭電廠生產(chǎn)的超細粉煤灰；（2）礦渣：湖南泰基股份有限公司生產(chǎn)；（3）硅灰：貴州遵義鐵合金廠生產(chǎn)。     拌合水：長沙市普通自來水。 2 試件制作與性能測定 2.1攪拌與制作 本試驗施工方法如下:(1)全部粗集料加入1/2膠凝材料，攪拌30s；(2)加剩余的膠凝材料，攪拌30s；(3)每次加1/4水，攪拌35s，直至依次加完所有有效水；(4)出料；(5)混凝土拌合物分三層裝入150mm×150mm×150mm試模內(nèi)，按規(guī)范插搗密實、拆模,并標準條件下養(yǎng)護28d進行試驗。 2.2連通孔隙率［P（%）］測定 相關研究表明^[4]，多孔混凝土總孔隙率與連通孔隙率有良好的線性關系，連通孔隙率可以很好的代表多孔混凝土的孔隙率情況。植生型多孔混凝土連通孔隙率的計算方法如下：  

 

        其中V:用游標卡尺測量并計算試件的外觀體積V，cm³； W₁:將試件浸泡在水中使其飽和后(浸泡24h以上)，稱取試件在水中的質(zhì)量W₁，g； W₂:將試件在20±2℃、相對濕度60%的條件下，自然放置24h以上（直至恒重），稱取試件在空氣中的質(zhì)量W₂，g； 2.3抗壓強度測定 本試驗在試件28d后，在吸水飽和狀態(tài)下進行抗壓強度檢測，測試方法與數(shù)據(jù)處理按照GB/T50081-2002普通混凝土力學性能試驗方法標準 ^[5]。 2.4 pH值測試 采用取出固液萃取^[6]的方法制備pH測定溶液，具體步驟如下:將一定齡期的多孔混凝土破碎，充分研磨，過篩(0.08mm方孔篩)，稱取10g試樣，加入100g蒸餾水，用橡皮塞塞緊以防碳化，每隔5min震蕩一次，2h后用酸度計測定濾液的pH值. 3正交試驗設計 3.1配合比設計 本試驗選用灰集比(按質(zhì)量比)為:1/6、1/7、1/8、1/9和1/10五個水平；水灰比(按質(zhì)量比)為:0.29、0.32、0.35 、0.38和0.41五個水平；礦物摻合料(等量取代)為：粉煤灰和礦渣各為5%、10%、15%、20%和25%五個水平，硅灰為1%、2%、3%、4%和5%五個水平； 3.2正交試驗表組合設計     本試驗選用L₂₅(5⁶)水平正交表進行多孔混凝土的正交試驗，共25組試驗組合試驗方案，正交設計的表頭見表2，試驗組成材料的用量見表3。

表2 植生型多孔混凝土配合比試驗正交設計因素水平表 水平 影響因素 灰集比 水灰比/% 粉煤灰/% 礦渣/% 硅灰/% 1  1:6 29 5 5 1 2  1:7 32 10 10 2 3  1:8 35 15 15 3 4  1:9 38 20 20 4 5  1:10 41 25 25 5

  表3 正交設計與配合比安排

試件編號 灰集比 水灰比 粉煤灰 礦渣 硅灰 空集 組成材料的用量/（Kg/150mm³) 水泥 水 粉煤灰 礦渣 硅灰 1 1 1 1 1 1 1 3.857 1.257 0.217 0.217 0.043 2 1 2 2 2 2 2 3.380 1.387 0.433 0.433 0.087 3 1 3 3 3 3 3 2.903 1.517 0.650 0.650 0.130 4 1 4 4 4 4 4 2.427 1.647 0.867 0.867 0.173 5 1 5 5 5 5 5 1.950 1.777 1.083 1.083 0.217 6 2 1 2 3 4 5 2.637 1.077 0.371 0.557 0.149 7 2 2 3 4 5 1 2.229 1.189 0.557 0.743 0.186 8 2 3 4 5 1 2 2.006 1.300 0.743 0.929 0.037 9 2 4 5 1 2 3 2.526 1.411 0.929 0.186 0.074 10 2 5 1 2 3 4 3.046 1.523 0.186 0.371 0.111 11 3 1 3 5 2 4 1.885 0.943 0.488 0.813 0.065 12 3 2 4 1 3 5 2.340 1.040 0.650 0.163 0.098 13 3 3 5 2 4 1 1.983 1.138 0.813 0.325 0.130 14 3 4 1 3 5 2 2.438 1.235 0.163 0.488 0.163 15 3 5 2 4 1 3 2.243 1.333 0.325 0.650 0.033 16 4 1 4 2 5 3 1.878 0.838 0.578 0.289 0.144 17 4 2 5 3 1 4 1.704 0.924 0.722 0.433 0.029 18 4 3 1 4 2 5 2.109 1.011 0.144 0.578 0.058 19 4 4 2 5 3 1 1.791 1.098 0.289 0.722 0.087 20 4 5 3 1 4 2 2.196 1.184 0.433 0.144 0.116 21 5 1 5 4 3 2 1.352 0.754 0.650 0.520 0.078 22 5 2 1 5 4 3 1.716 0.832 0.130 0.650 0.104 23 5 3 2 1 5 4 2.080 0.910 0.260 0.130 0.130 24 5 4 3 2 1 5 1.924 0.988 0.390 0.260 0.026 25 5 5 4 3 2 1 1.638 1.066 0.520 0.390 0.052

4試驗結(jié)果與分析 4.1試驗結(jié)果 植生型多孔混凝土連通孔隙率、抗壓強度和pH值等性能指標試驗結(jié)果見表4. 表4 正交試驗結(jié)果表 試件編號 連通孔隙率/% 抗壓強度/MPa pH值 1 26.66 10.0 12.00 2 24.39 11.5 11.73 3 23.83 10.9 11.73 4 22.22 10.1 11.63 5 24.19 8.6 11.67 6 29.89 5.2 11.70 7 26.45 8.4 11.60 8 29.20 5.8 11.63 9 26.86 5.4 11.63 10 26.44 6.6 11.80 11 30.13 4.8 11.63 12 30.89 3.5 11.57 13 27.68 7.7 11.63 14 30.57 7.0 11.67 15 28.66 4.9 11.77 16 33.30 2.7 11.47 17 28.14 5.2 11.60 18 28.74 6.6 11.60 19 27.39 6.9 11.70 20 29.89 5.2 11.77 21 32.17 2.7 11.50 22 32.94 3.5 11.63 23 32.01 6.3 11.63 24 30.44 5.5 11.77 25    29.17   5.5 11.70   表5 方差分析

性能指標 方差來源 平方和 自由度 F值 F臨界值 顯著 連通孔隙率 灰集比 143.97 4 15.34 3.84 ** 水灰比 27.34 4 2.92 3.84 * 粉煤灰 5.68 4 0.61 3.84   礦渣 7.07 4 0.75 3.84   硅灰 6.00 4 0.64 3.84   誤差 18.77 8 - -   28d抗壓強度 灰集比 96.67 4 11.11 3.84 ** 水灰比 16.29 4 1.87 3.84   粉煤灰 8.73 4 1.00 3.84   礦渣 3.20 4 0.37 3.84   硅灰 1.32 4 0.15 3.84   誤差 17.41 8 - -   pH值 灰集比 0.047 4 1.88 3.84   水灰比 0.040 4 1.60 3.84   粉煤灰 0.080 4 3.20 3.84 * 礦渣 0.028 4 1.12 3.84   硅灰 0.056 4 2.24 3.84 * 誤差 0.050 8 - -  

                      圖1 抗壓強度與因素的關系曲線                    圖2 連通孔隙率與因素的關系曲線                    圖3 pH值與因素的關系曲線                  圖4 pH值與連通孔隙率的關系曲線 4.2灰集比對植生型多孔混凝土性能的影響 由表5方差分析可知，灰集比對多孔混凝土連通孔隙率與抗壓強度影響較顯著，而對pH值無顯著影響。從圖1、圖2與圖3可知，隨著灰集比減小，孔隙率趨于增大，抗壓強度卻趨于減小，而pH值則先減小后增大。 多孔混凝土的性能是由膠凝材料與粗集料的共同作用，灰集比影響膠凝材料在多孔混凝土的含量，合理的灰集比使粗集料表面包裹均勻且顆粒接觸點膠凝材料連接面大，則多孔混凝土的性能較高。試驗表明，植生型多孔混凝土灰集比為1:6-1:7之間，滿足植生型多孔混凝土的要求（孔隙率≥25%，抗壓強度≥10MPa）。 4.3 水灰比對植生型多孔混凝土性能的影響 表6 不同水灰比及配合比的多孔混凝土的性能指標測試結(jié)果

編號 灰集比 粉煤灰/% 礦渣/% 硅灰/% 水灰比/% 連通孔隙率/% 抗壓強度/MPa pH值 1 1:6 10 10 2 29 27.79% 10.0 12.0 2 1:6 10 10 2 32 26.24% 12.5 12.0 3 1:6 10 10 2 35 23.64% 14.0 12.0 4 1:6 10 10 2 38 23.60% 11.9 12.3

    水灰比是混凝土需水量的表現(xiàn)，決定著新拌混凝土的和易性，水灰比的控制對多孔混凝土的性能具有重要意義。由表5方差分析可知，水灰比對多孔混凝土連通孔隙率影響顯著，而對抗壓強度與pH值無顯著影響。從圖1、圖2、圖3與表6可知，隨著水灰比增大，連通孔隙率趨于減小，抗壓強度則先增大后減小，而pH值則先減小后增大。一般來說，多孔混凝土的配合比和材料不同，其存在的最佳水灰比不同。研究表明，植生型多孔混凝土水灰比為32%-35%之間較適宜。 4.4 礦物摻合料對植生型多孔混凝土性能的影響     礦物摻合料的形態(tài)效應和微集料填充效益，使混凝土的孔隙率降低，孔徑細化，改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和水化產(chǎn)物的組成，使混凝土的密實度增加，并且其火山灰效應減少水化產(chǎn)物中結(jié)晶粗大水化產(chǎn)物Ca(OH)₂的數(shù)量，降低混凝土的內(nèi)部pH值。從表5方差分析可知，礦物摻合料對多孔混凝土連通孔隙率與抗壓強度影響不顯著，而對pH值的影響較顯著，且對pH值影響的顯著程度：粉煤灰﹥硅灰﹥礦渣。試驗表明，相同摻量時，粉煤灰對pH值的影響較礦渣大。 從圖1、圖2與圖3可知，隨著礦物摻合料的增加，多孔混凝土連通孔隙率趨于先減小再增大，抗壓強度則相反，而pH值趨于減小。但由圖4可知，多孔混凝土pH值的變化趨勢隨連通孔隙率的增大而減小，但多孔混凝土的pH值與連通孔隙率并非存在一個良好的線性比例關系。試驗結(jié)果說明，合理的摻入礦物摻合料不僅可以調(diào)整多孔混凝土混合料的工作性能，而且有利于多孔混凝土連通孔隙率和抗壓強度的提高和降低多孔混凝土內(nèi)部的pH值。潘志峰^[6]等研究表明，高爐礦渣摻量大于30%時有利于多孔混凝土抗凍性能，然而，粉煤灰摻量大于30%時不利于多孔混凝土抗凍性能，應該控制在15%左右。研究表明，植生型多孔混凝土礦物摻合料最適摻合比例：粉煤灰15%-20%，礦渣10%-15%，硅灰4%-5%。 5 結(jié)論 （1）植生型多孔混凝土的性能是由膠凝材料與粗集料的共同作用，為滿足植生型多孔混凝土的要求（孔隙率≥25%，抗壓強度≥10MPa），植生型多孔混凝土灰集比應控制在1:6-1:7之間； （2）一般來說，多孔混凝土的配合比和材料不同，其存在的最佳水灰比不同。研究表明，植生型多孔混凝土水灰比為32%-35%之間較適宜； （3）研究表明，礦物摻合料對植生型多孔混凝土pH值的影響次序：粉煤灰﹥硅灰﹥礦渣； （4）研究表明，植生型多孔混凝土礦物摻合料最適摻合比例：粉煤灰15%-20%，礦渣10%-15%，硅灰4%-5%。   參考文獻 [1] Chen Yu,Zhang Qisen.Manufacturing Technology of Porous Cement for Highway Construction[R].Geo Hunan International Conference,2009,22-33. [2] Sung-Bum Park,Mang Tia.An experimental study on the water-purification properties of porous concrete[J].Cement and Concrete Research,2004,34(2):177-184. [3] 黃劍鵬,胡勇有.植生型多孔混凝土的制備與性能研究[J].混凝土.2011,(2):101-104. [4] 楊加,周錫玲,張勝,楊軍.環(huán)保型植生多孔混凝土試驗研究[J].混凝土與水泥制品，2011,(10):18-22. [5] 中華人民共和國國家標準.GB/T50081-2002,普通混凝土力學性能試驗方法標準[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003. [6] 孟志良,吳仲兵,錢覺時.大摻量粉煤灰混凝土的孔隙液相堿度[J].重慶建筑大學學報,1999,21(1):24-27. [7] 潘志峰,高建明,許國東,吉伯海.植生型多孔混凝土抗凍性試驗研究[J].混凝土與水泥制品.2007,(1):11-13.   [作者簡介]:男，湖南農(nóng)業(yè)大學東方科技學院 本科在讀 [研究方向]：生態(tài)混凝土研究 [單位地址]：湖南農(nóng)業(yè)大學東方科技學院（410128） [聯(lián)系電話]：15116298502;874649194@qq.com [郵寄地址]：湖南農(nóng)業(yè)大學東方科技學院