基于正交分析法的透水混凝土性能试验研究★

江昭明 张晓辉 李平飞 马孝春 黄 峰

(中国地质大学(北京)工程技术学院，北京 100083)

0 引言

透水混凝土是一种采用特殊工艺制成的连续孔隙混凝土。它可以缓解城市的雨洪问题和热岛效应，提高汽车的安全性及舒适性，是一种符合“海绵城市”理念的绿色建材[1]。透水混凝土的配合比设计主要考虑水灰比、骨料粒径以及目标孔隙率三个因素，它们会对透水混凝土的抗压强度、透水系数产生很大影响。本文基于正交试验，应用直观分析、方差分析和层次分析对比研究影响透水混凝土性能的因素，得出最优配合比，为实际工程提供参考。

1 试验原材料

本实验选用硅酸盐水泥P.O42.5；粗集料采用粒径分别为5 mm～10 mm,10 mm～15 mm,15 mm～20 mm的碎石；细集料采用细度模数为2.5、级配合格的优质河砂；外掺料采用硅灰及粉煤灰；用水采用自来水；选用的外加剂是甲基烯丙基聚氧乙烯醚hpeg2400聚羧酸系减水剂。

2 试验方法

2.1 试件制作及养护

依据试验设计的配合比制备9块100 mm×100 mm×100 mm透水混凝土试块(见图1)，采用压力成型法[2]，投料时用分批投料法[3,4]。成型24 h后，放入水中养护28 d[5]。

2.2 性能指标测试方法

1)抗压强度。

参照国家标准GB/T 32987—2016测定试块的抗压强度，按下式计算抗压强度：

(1)

式中：Cc——试块抗压强度,MPa；

P——试块破坏荷载,N；

A——试块实际受压面积,mm2；

换算成标准值时乘以0.95[6]。测试仪器为CSS-WAW系列电液伺服液压万能试验机，见图2。

2)透水系数。

试验采用自制透水仪器进行操作[7]，原理是常水头法，见图3。按式(2)计算透水系数：

(2)

式中：V——Δt内流经试块的水量，cm3；

L——试块边长，cm；

A——试块透水截面面积，cm2；

k——透水混凝土透水系数，cm/s；

Δh——水头差，cm；

Δt——开始承接水箱下部排出的水至结束的时间，s。

3 正交试验与数据分析

本试验以水灰比、骨料粒径、目标孔隙率作为透水混凝土配合比设计参数，从27个组合中，选出9个代表性组合，采用三因素三水平正交试验进行研究分析[8]，见表1。

用正交设计助手Ⅱ V3.1专业版进行试验数据分析，分别得到关于抗压强度和透水系数的测试结果，见表2,表3。

表1 因素水平

表2 抗压强度正交试验及直观分析表

表3 透水系数正交试验及直观分析表

3.1 直观分析

根据试验数据进行极差分析，可以看出，骨料粒径对透水混凝土抗压强度以及透水系数影响都是最大。各因素对其抗压强度指标影响排序为：骨料粒径>水灰比>目标孔隙率，最优强度组合为水灰比0.30，粒径10 mm～15 mm，目标孔隙率20%。同理可知，三因素对其透水系数指标影响主次为：骨料粒径>水灰比>目标孔隙率，最优透水系数组合为水灰比0.30，粒径10 mm～15 mm，目标孔隙率25%。

3.2 方差分析

采用方差分析法对正交实验结果进行分析，得到各个因素对透水系数和抗压强度影响的显著性程度。透水混凝土抗压强度与透水系数的方差分析结果见表4,表5。

表4 抗压强度的方差分析

由求得的概率可知，骨料粒径的各水平对抗压强度有显著影响(显著性水平取0.1)，而水灰比、目标孔隙率的各水平对抗压强度无显著影响，且水灰比的影响较目标孔隙率的影响大。

表5 透水系数的方差分析

由所得概率可以看出，骨料粒径的各水平对透水系数有显著的影响(显著性水平取0.25)，而水灰比以及目标孔隙率的各水平对透水系数无显著影响，且水灰比的影响较目标孔隙率的影响大。可见方差分析的结果与极差分析的结果相符合。

方差分析虽简单易行、直观易懂，但无法对因素影响的重要程度(显著性)给出精确的定量估计。

3.3 层次分析

采用层次分析法对正交实验结果进行分析，得到各个水平对透水系数和抗压强度影响程度的大小，见表6。

由表6可知，在水灰比的三个水平中，水平1对透水系数的影响权重值最大，水平1和水平2对抗压强度的影响权重值最大；在骨料粒径的三个水平中，水平2对透水系数和抗压强度的影响权重值都是最大；在目标孔隙率的三个水平中，水平3对透水系数的影响权重值最大，水平2对抗压强度的影响权重值最大。可见，组合为水灰比0.30，骨料粒径10 mm～15 mm，目标孔隙率25%时，透水混凝土的透水性能较好；组合为水灰比0.30，骨料粒径10 mm～15 mm，目标孔隙率20%时透水混凝土的抗压性能较好。综上可知，若要兼顾透水混凝土的透水性和抗压能力，可选用组合为水灰比0.30，骨料粒径10 mm～15 mm，目标孔隙率25%。

表6 各个水平对透水系数和抗压强度的影响权重值

4 结语

1)在研究透水混凝土的抗压强度和透水系数的正交试验中，应用方差分析、层次分析得出的结论与直观分析相同。

2)通过方差分析，得出了透水混凝土的三个参数对其抗压强度和透水系数的影响程度大小，即对于二者均为骨料粒径>水灰比>目标孔隙率。

3)通过层次分析，得到了兼顾透水性和抗压能力的透水混凝土最优配合比：水灰比0.30，粒径10 mm～15 mm，目标孔隙率25%。