基于冻融破坏的透水混凝土配合比优化试验研究

王彪东

（建昌县水利科技推广中心，辽宁葫芦岛125300）

0 引言

在传统河道整治工程中，河道护坡往往通过普通混凝土砌块或混凝土浇筑的方式处理，从而人为隔绝了河道生态系统中的物质交换，不利于河道自然生态环境的保护和改善[1]。面对这一问题，生态透水混凝土日益成为当前河道整治工程中的常用材料[2]。透水混凝土的出现成为解决上述问题的有效措施，逐渐受到人们广泛的关注，并在相关工程建设中大力推广[3]。透水混凝土最早出现于建筑技术比较发达的西方国家，并在当地的地面铺装以及河道工程建设中得到了十分广泛的应用。从国内的情况来看，受到各方面因素的影响，透水混凝土的研究和应用起步较晚，诸多工程技术问题也没有得到有效的解决，特别是透水性和强度之间的矛盾，已经成为限制透水混凝土推广应用的重要因素[4]。在我国北方寒区的河道整治工程中，由于透水混凝土内部孔隙较多，水分含量较高，在冬季往往会面临更为严重的冻融破坏，进而影响到工程本身的安全性和耐久性[5]。此次研究采用室内试验的方法，对河道整治工程用透水混凝土的配合比进行优化，在保证混凝土透水性等生态价值的同时，尽量提升其冻融条件下的强度和耐久性，为相关工程建设提供必要的支持。

1 试验设计

1.1 试验材料

水泥是混凝土的重要组成部分和主要胶凝材料，对混凝土的性能存在显著影响[6]。此次试验采用本溪市红星水泥厂出品的P·O42.5 普通硅酸盐水泥。试验研究使用的粗骨料是石灰岩人工碎石，鉴于骨料粒径是透水混凝土强度和透水性的重要影响因素，粗骨料的粒径越大，混凝土的透水性就越好，但是强度也会随之降低[7]。此次研究选用人工碎石粒径为5～10 mm，经检验测定，试验用粗骨料质地坚硬，具有良好的高温稳定性，满足相关技术要求。

研究中，在水泥浆中掺入一定比例的硅粉，其目的是提高混凝土的强度，同时降低透水混凝土的制备成本[8]。此次试验采用920U 的半加密硅粉；试验用矿粉为本钢集团有限公司出品的高炉矿渣矿粉；试验用胶粉为唐山宏光建材科技有限公司出品的防水胶粉；试验用减水剂为聚羧酸高效减水剂。

1.2 试验方案

根据相关研究，造成透水混凝土冻融破坏的影响因素较多，影响的机理也相对比较复杂，但其中最重要、影响最为显著的因素有3 个，分别是水胶比、浆集比及骨料级配[9]，将这3 个因素作为主要变量，对其设计不同的因素水平，利用正交试验的方式进行试验研究，以获取不同因素对混凝土冻融条件下的安全性和耐久性的影响，具体的试验方案设计如表1 所示。

表1 透水混凝土冻融正交试验表

1.3 试件制作

试件制作使用100 mm×100 mm×400 mm 的长方体模具。在试件制作之前，首先对模具内部进行清理，并擦拭干净，然后涂抹一层脱模剂。将按照表1 中的不同试验方案制作的透水混凝土倒入模具，在高度达到模具一半时进行插捣，然后再倒入混凝土并插捣密实，最后抹平试件的上表面。将制作好的试件在常温下静置24 h 脱模，然后放置于标准养护室养护28 d。为了提高试验精度，每种试验方案制作6 个试件，以其试验结果的均值作为最终试验结果。

1.4 试验方法

为了提高试验的效率，对制作的试件利用快冻法进行冻融试验。具体过程：将制作并养护完毕的试件在清水中浸泡2 d，然后将试件去除并擦拭干净表面的水分，静置24 h 后测量试件的原始数据。利用冻融机对试件进行7 组，每组10 次，共70 次冻融试验，为了提高试验精度，将每组6 个试件试验结果的均值作为该组试验的最终结果。

2 试验结果与分析

2.1 质量损失

根据试件的原始质量以及每组冻融试验完成之后试件的质量，计算获取冻融条件下试件的质量损失，结果如表2所示。根据计算结果，绘制出图1，图2。由表2 和图1 可知，T1 和T8 两组试件在试验过程中的质量损失最小，均不超过0.100 kg，质量损失最大的为T9 组试件，70 次冻融循环之后的质量损失达到了0.232 kg，剩余几组试验的结果比较接近，重量损失在0.100 ～0.200 kg 之间。从图1 曲线来看，冻融循环次数越多，混凝土的质量损失越严重。由图2 可知，质量损失率会随着水胶比、浆集比和骨料级配的增大而增大。但是，质量损失率随着水胶比和浆集比的增加先缓慢增加然后急剧增加；而随着骨料级配的增大而急剧增大，然后缓慢下降。结合上述试验结果，T1 组的质量损失和质量损失率最低，为最优组合。

表2 试件质量损失试验结果kg

2.2 动弹模量损失

试验过程中，对不同冻融循环次数下的试件动弹模量进行测试，根据测试结果计算出动弹模量衰减率。其中，动弹模量的试验结果如表3 所示，动弹模量衰减变化曲线如图3 和图4 所示。由表3 可以看出，随着冻融循环次数的增加，各组试件的动弹模量均呈现出不断减小的特点。由此可见，冻融循环会显著降低混凝土的动弹模量，从而影响到混凝土本身的强度和耐久性。从图3 可以看出，动弹模量的衰减率随着冻融循环次数的增加而稳步增加，在70 次冻融循环之后，T7 组试件的衰减率最大，为77.51%，其次为T1，衰减率达到了74.63%，T6组试件的衰减率最小，为40.99%。由此可见，在混凝土试件经过70 次冻融循环之后，其动弹模量的下降幅度较大，均在40%以上。结合质量损失率计算结果，试件的质量损失率相对较小，均在3%以内。动弹模量大幅降低是混凝土冻融破坏的主要表现形式，应以此为主要依据进行混凝土配合比的优化。从图4 来看，随着水胶比和浆集比的增大，混凝土试件的动弹模量衰减率呈现出先减小后增大的趋势，且均在水平2时达到最小值；随着骨料级配的增大，试件的动弹模量的衰减率呈现出逐渐增大的态势，但是增加的速率逐渐降低。因此，透水混凝土的最优配合比应为水胶比0.27、浆集比0.40、骨料级配4.00～8.00 mm。

图1 质量损失率随冻融循环次数变化曲线

图2 质量损失率随因素水平变化曲线

表3 试件动弹模量试验结果GPa

图3 动弹模量衰减率随冻融循环次数变化曲线

图4 动弹模量衰减率随因素水平变化曲线

3 结论

配合比是透水混凝土抗冻融性能的重要影响因素，对其进行优化研究具有重要的理论意义和工程价值。此次研究选择水胶比、浆集比和骨料级配3 个因素，利用室内正交试验的方法研究了冻融条件下透水混凝土质量损失率和动弹模量的变化规律。结果显示，质量损失率随着水胶比和浆集比的增加先缓慢增加然后急剧增加；而随着骨料级配的增大而急剧增大，然后缓慢下降。根据动弹模量大幅降低这一混凝土冻融破坏的主要表现形式，认为透水混凝土的最优配合比应为水胶比0.27、浆集比0.40、骨料级配4.00～8.00 mm。当然，混凝土冻融破坏影响因素复杂多变，文章结论的科学性和准确性有待具体工程实践的进一步验证。