無(wú)砂混凝土在城市河道中的應(yīng)用

無(wú)砂混凝土在城市河道中的應(yīng)用

0無(wú)砂混凝土配合比設(shè)計(jì)無(wú)砂混凝土，也稱為透水混凝土和環(huán)?；炷?，由于其自身的多孔結(jié)構(gòu)，具有良好的透水性和導(dǎo)熱性。目前已有不少學(xué)者針對(duì)無(wú)砂混凝土拌制工藝進(jìn)行了研究。東南大學(xué)的陶卓輝提出了漿體包裹骨料的理論并應(yīng)用于配合比設(shè)計(jì)但是，以往對(duì)于無(wú)砂混凝土配合比設(shè)計(jì)方法的研究往往忽略了粗骨料比表面積及裹漿厚度的影響。本文以《現(xiàn)代混凝土配合比設(shè)計(jì)手冊(cè)》1基于手冊(cè)法的合作計(jì)劃設(shè)計(jì)1.1計(jì)算的配合比按照手冊(cè)法計(jì)算，每立方米無(wú)砂混凝土所需水、水泥、骨料用量見(jiàn)表1。1.2混凝土試塊養(yǎng)護(hù)結(jié)果按照表1計(jì)算的2組配合比，每組制作3個(gè)150mm×150mm×150mm試塊，6個(gè)無(wú)砂混凝土試塊養(yǎng)護(hù)28d后從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中取出，先進(jìn)行孔隙率試驗(yàn)，靜置直至表面的水瀝干，然后進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表2～3所列?？紫堵什捎门潘ㄟM(jìn)行測(cè)試，其中容器裝滿水的質(zhì)量M設(shè)計(jì)孔隙率P采用填充理論計(jì)算求得：式中：M經(jīng)計(jì)算，25～40mm粒徑試塊的設(shè)計(jì)孔隙率為19.87%。1.3配合比設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用如圖1所示：10～25mm級(jí)配骨料顆粒表面干澀，某些顆粒表面較為裸露，相互黏接性很差，試塊拆模時(shí)缺邊掉角嚴(yán)重，表觀體積大幅減小，嚴(yán)重影響孔隙率實(shí)測(cè)值，故不進(jìn)行孔隙率測(cè)試。25～40mm級(jí)配骨料顆粒雖然沒(méi)有直接出現(xiàn)缺邊掉角試塊，但依然存在骨料表面裹漿厚度不均勻的問(wèn)題。按照《現(xiàn)代混凝土配合比設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的無(wú)砂混凝土配合比設(shè)計(jì)方法操作時(shí)，設(shè)計(jì)強(qiáng)度越高，水泥用量則越大，導(dǎo)致水灰比降低。隨著水灰比的降低，水泥和易性變差，水泥漿體自身整體偏干無(wú)光澤，并會(huì)阻礙其與粗骨料黏接，導(dǎo)致相當(dāng)一部分水泥殘留在地板上，不能黏在粗骨料表面裝入模具，造成無(wú)砂混凝土強(qiáng)度不高、孔隙率過(guò)大，還導(dǎo)致了水泥的浪費(fèi)?！冬F(xiàn)代混凝土配合比設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的配合比設(shè)計(jì)方法沒(méi)有說(shuō)明適用的骨料粒徑與級(jí)配，若對(duì)不同粒徑級(jí)配加入相同的水泥，使用相同的水灰比，勢(shì)必產(chǎn)生不同的效果。如圖2所示，針對(duì)2組不同粒徑（圖左粒徑小于圖右）使用相同水泥用量、相同水灰比配制，可以看出小粒徑試塊水泥漿體均勻，沒(méi)有富余沉漿的出現(xiàn)，而大粒徑試塊底部和側(cè)面出現(xiàn)了富余水泥漿形成的沉漿，固結(jié)在底部堵塞孔隙。相同配合比對(duì)不同粒徑骨粒作用不同的深層原因是：不同粒徑的骨料顆粒比表面積是不同的，越大粒徑的骨料有著越小的比表面積，單位體積下也就擁有著更小的總表面積，那么也就意味著比表面積越大的粒徑需要的總裹漿量越大，對(duì)水泥漿的需求也越大，這也就解釋了圖右大粒徑骨料沉漿堵孔的現(xiàn)象。因此，無(wú)砂混凝土配合比設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮比表面積的差異，合理配置水泥漿量，避免沉漿堵孔現(xiàn)象。2基于橢圓模型比表面積的相結(jié)合比的設(shè)計(jì)由于手冊(cè)法設(shè)計(jì)的無(wú)砂混凝土存在強(qiáng)度不高、孔隙率過(guò)大等缺點(diǎn)，提出了基于橢球體比表面積的配合比方法，優(yōu)化無(wú)砂混凝土配合比的設(shè)計(jì)。2.1單位體積的表面積物體的比表面積SSA(specificsurfacearea）指固體材料表面積與體積或質(zhì)量的比值，即單位質(zhì)量的表面積或單位體積的表面積，下面以橢球?yàn)槔M(jìn)行說(shuō)明。橢球體的體積比表面積SSA為式中：a、b、c分別為橢球體三軸的一半，m;S由式（2）可知，將3個(gè)軸長(zhǎng)增加到以前的m倍，m>1，此時(shí)比表面積SSA從式（3）可以看出，當(dāng)橢球體三軸長(zhǎng)擴(kuò)大m倍時(shí)比表面積將減少到之前的1/m。這表明骨料粒徑越大，其比表面積越小，相同質(zhì)量或體積下總表面積就越小，若裹漿厚度相同，總的水泥漿需求量也就越小。2.2采用比表面更多的方法計(jì)算橢圓模型2.2.1骨料正交模型尺寸目前，比表面積法配合比計(jì)算中對(duì)于骨料的模型往往采用球形模型代替計(jì)算，會(huì)有較大的誤差，因此用橢球體來(lái)模擬卵石骨料更為精確。橢球體三軸半徑圖見(jiàn)圖3，編號(hào)骨料如圖4所示。如圖4所示，為了定量分析橢球體模型的尺寸，在10～25mm、25～40mm兩組級(jí)配各隨機(jī)抽取了20顆骨料顆粒進(jìn)行編號(hào)，并用20分度游標(biāo)卡尺依次測(cè)量最長(zhǎng)軸、較長(zhǎng)軸、最短軸的尺寸（3個(gè)軸相互正交），即最短軸長(zhǎng)2a：較長(zhǎng)軸長(zhǎng)2b：最長(zhǎng)軸長(zhǎng)2c，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所列。表5最后一行的平均結(jié)果表明，正交方向三軸軸長(zhǎng)比1∶1.45∶2.03、1∶1.47∶1.94，與1∶1.5∶2.0非常接近，為便于計(jì)算取1∶1.5∶2.0。確定最短軸半徑a即可確定橢球體另外兩正交軸半徑為1.5a、2.0a。由于各粒徑骨料分布較廣，不便于一一計(jì)算可以解出R代入表5統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算得出：10～25mm級(jí)配代表粒徑R2.2.2骨料個(gè)數(shù)的計(jì)算假定粗骨料為橢球形，3個(gè)軸半徑比例為1∶1.5∶2.0，將最短軸半徑a用代表粒徑R代表粒徑骨料的表面積已知后，還需要確定一定體積下可以存在的代表粒徑個(gè)數(shù)，以1m單個(gè)代表粒徑骨料顆粒質(zhì)量M為每立方米堆積骨料中骨料個(gè)數(shù)N為式中：K為質(zhì)量修正系數(shù)；MR將式（10）進(jìn)一步化簡(jiǎn)得到：代入R因此，每立方米堆積骨料的總表面積為經(jīng)計(jì)算：每立方米10～25mm級(jí)配堆積骨料的總表面積S骨料比表面積S為單位質(zhì)量骨料所具有的表面積，其計(jì)算公式如下：式中：S經(jīng)計(jì)算：10～25mm級(jí)配骨料比表面積S為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，將每組級(jí)配同樣的20塊卵石顆粒用橢球體比表面積計(jì)算法和蠟封法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果非常接近，精確度有保證，均高于90%。2.3測(cè)量和分析包裹砂漿的厚度無(wú)砂混凝土強(qiáng)度主要來(lái)源于粗骨料之間的嵌擠力和水泥漿的黏結(jié)力2.3.1標(biāo)準(zhǔn)液體襯底厚度的測(cè)量裹漿厚度測(cè)量較為復(fù)雜裹漿厚度計(jì)算公式：式中：ρ為當(dāng)前水灰比下水泥漿體密度，kg/m2.3.2均勻包漿，提高水灰比由于《現(xiàn)代混凝土配合比設(shè)計(jì)手冊(cè)》的配合比試驗(yàn)中采用的水灰比（0.27）明顯偏低，無(wú)砂混凝土拌和物干澀、黏聚性差，因此為了保證粗骨料都能均勻裹漿且裹漿厚度足夠形成包裹粗骨料顆粒的強(qiáng)度體，應(yīng)適當(dāng)提高水灰比。根據(jù)4項(xiàng)拌和效果評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)（攪拌難度、骨料與水泥漿結(jié)合度、拌和物光澤度、局部水泥固結(jié)發(fā)生頻率），最終水灰比選擇為0.32,0.35,0.38共3組水平。2.3.3組級(jí)配下水灰比-探索針對(duì)每組水灰比進(jìn)行3組人工拌和試驗(yàn)，將測(cè)量的M觀察表6～7，相同水灰比下不同試驗(yàn)的裹漿厚度離散性較大，3次試驗(yàn)求均值的方法能一定程度上減少誤差，但并不能消除誤差的根源，因?yàn)闊o(wú)法控制每次人工拌和試驗(yàn)都完全相同。在本次試驗(yàn)范圍內(nèi)，將兩組級(jí)配下水灰比-裹漿厚度的變化規(guī)律單獨(dú)列出分析，詳見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)，相同水灰比下，2組級(jí)配骨料的裹漿厚度相差不大。對(duì)于同一組級(jí)配，水灰比由0.32增至0.38過(guò)程中，裹漿厚度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，并分別在水灰比0.35處達(dá)到峰值922.5μm和991.1μm。2.4水泥漿體質(zhì)量配合比由試驗(yàn)得出裹漿厚度H、對(duì)應(yīng)水灰比a以及該水灰比下水泥漿密度ρ后，每立方米骨料所需水泥漿質(zhì)量M式中：β為富余系數(shù)，為了保證其力學(xué)性能和耐久性能，水泥漿體需要富余，一般建議富余系數(shù)為1.2～1.6在求出所需水泥漿總質(zhì)量M具體配合比詳如表8所列。2.5最佳抗壓強(qiáng)度結(jié)合表8的6組配合比，不加減水劑的情況下，每組水灰比制作3個(gè)150mm×150mm×150mm的試塊，養(yǎng)護(hù)28d后測(cè)試的抗壓強(qiáng)度、孔隙率值如表9所列。結(jié)合表9實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，首先在抗壓強(qiáng)度方面，2組級(jí)配抗壓強(qiáng)度都隨著水灰比從0.32增加到0.38的過(guò)程中先升后降，并于水灰比0.35處達(dá)到峰值。10～25mm級(jí)配的最佳抗壓強(qiáng)度由之前的平均實(shí)測(cè)值0.82MPa飆升約8.3倍，達(dá)到6.82MPa，峰值也達(dá)到9.71MPa，與手冊(cè)法設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（10MPa）很接近。反觀25～40mm級(jí)配的最佳抗壓強(qiáng)度值不升反降，由1.25MPa跌至0.99MPa，原因很大程度上歸咎于比表面積法的水泥用量大幅下降其次，在孔隙率方面，2組級(jí)配孔隙率都在水灰比由0.32增加到0.38的過(guò)程中先降后升，并于水灰比0.35處達(dá)到最小值。同一水灰比下，10～25mm級(jí)配實(shí)測(cè)孔隙率要稍低于25～40mm的實(shí)測(cè)孔隙率。但在實(shí)測(cè)孔隙率與設(shè)計(jì)孔隙率的差值方面，25～40mm級(jí)配的實(shí)測(cè)孔隙率要更接近設(shè)計(jì)孔隙率。25～40mm級(jí)配中因?yàn)樗嘤昧看蠓s減導(dǎo)致其設(shè)計(jì)孔隙率偏高，這也一定程度上導(dǎo)致其強(qiáng)度不佳。3無(wú)砂混凝土配合比設(shè)計(jì)方法分別采用基于《現(xiàn)代混凝土配合比設(shè)計(jì)手冊(cè)》的配合比設(shè)計(jì)法和基于橢球體模型比表面積配合比設(shè)計(jì)法開(kāi)展無(wú)砂混凝土配合比試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：(1）基于手冊(cè)法的配合試驗(yàn)中，10～25mm,25～40mm級(jí)配抗壓強(qiáng)度平均值分別僅為0.82,1.25MPa，與設(shè)計(jì)強(qiáng)度10MPa相差較大，孔隙率也遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值，這說(shuō)明手冊(cè)法所述的增加水泥用量、降低