管斌君

(浙江萬(wàn)里學(xué)院設(shè)計(jì)藝術(shù)與建筑學(xué)院,寧波 315100)

基于孔隙率的多孔輕集料植被混凝土配合比研究

管斌君

(浙江萬(wàn)里學(xué)院設(shè)計(jì)藝術(shù)與建筑學(xué)院,寧波 315100)

根據(jù)陶粒形態(tài)、成分較均一,呈球體或橢球體的特點(diǎn),推導(dǎo)出多孔輕集料植被混凝土理論計(jì)算公式,并提出一種新的多孔輕集料植被混凝土配合比設(shè)計(jì)方法,即以孔隙率為主要設(shè)計(jì)參數(shù),通過(guò)公式計(jì)算出包裹輕集料的水泥漿厚度和質(zhì)量,調(diào)整水泥漿的水灰比,配置具有一定強(qiáng)度且不流淌的多孔輕集料植被混凝土。

植被混凝土; 孔隙率; 輕集料; 配合比設(shè)計(jì)

多孔植被混凝土是一種具有連續(xù)孔隙結(jié)構(gòu)、能讓植被在其中生長(zhǎng)的混凝土。該混凝土具有改善生態(tài)條件、保護(hù)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn),是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一[1,2]。多孔植被混凝土主要由粗集料、水泥、水拌和而成。常見(jiàn)的粗集料有碎石、卵石、輕集料(陶粒)、再生混凝土等。其中多孔輕集料混凝土及植被的總荷載往往在200 kg/m2以下,可用于一些低荷載設(shè)計(jì)的既有建筑,比如屋頂綠化等。

從文獻(xiàn)來(lái)看,目前多孔植被混凝土還沒(méi)有形成統(tǒng)一合理的配合比設(shè)計(jì)方法。該文根據(jù)陶粒形態(tài)、成分較均一,呈球體或橢球體,且與水泥漿拌合后,輕集料混凝土顆粒(即多孔輕集料混凝土顆粒)仍呈球體或橢球體的特點(diǎn),推導(dǎo)多孔輕集料植被混凝土理論計(jì)算公式,提出一種新的多孔輕集料植被混凝土配合比設(shè)計(jì)方法,并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

1)水泥 采用42.5普通硅酸鹽水泥,其物理力學(xué)性能見(jiàn)表1。

2)輕集料 寧波本地建材有限公司生產(chǎn)的高強(qiáng)陶粒,表觀密度為0.698×103kg/m3,堆積密度為0.381×103kg/m3。

3)混凝土外加劑 HR脂肪族減水劑,減水率為16%左右。

1.2 方法

1.2.1 強(qiáng)度測(cè)試方法

由于多孔輕集料植被混凝土是孔隙結(jié)構(gòu),表面凹凸不平,在進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試時(shí),試樣表面與試驗(yàn)機(jī)壓頭接觸點(diǎn)有限,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布不均勻,產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象,應(yīng)力集中會(huì)使試樣在很低的荷載作用下發(fā)生破壞,容易對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。因此拆模后,需對(duì)試樣受壓面用砂漿進(jìn)行抹面處理,以改善試樣表面狀況,降低抗壓試驗(yàn)過(guò)程中試樣表面與試驗(yàn)機(jī)壓盤(pán)之間的摩擦系數(shù),使試樣內(nèi)的應(yīng)力趨向于均勻分布,相應(yīng)提高試樣所能承受的荷載,試驗(yàn)結(jié)果接近于混凝土強(qiáng)度的真實(shí)值[3]。

受壓時(shí),試樣的成型面與受壓面垂直,受壓面150×150 mm2,保持外加力0.1～0.2 MPa的速度,每組測(cè)試六個(gè)試樣。

1.2.2 孔隙率測(cè)試方法

普通混凝土有總孔隙的測(cè)定方法,沒(méi)有連通孔隙率的概念。該文參考相關(guān)文獻(xiàn),采用總孔隙率和連通孔隙率指標(biāo)[4]。

試驗(yàn)時(shí)首先成型好表面平整、外形規(guī)則的試樣,待試樣具有一定強(qiáng)度后,把試樣用吊索固定好,然后放入準(zhǔn)備好的水中,水漫過(guò)試樣上表面后浸泡24 h,稱(chēng)取在水中的質(zhì)量;然后烘干試樣至恒重,稱(chēng)取其在空氣中的質(zhì)量,再將試樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的條件下放置24 h,稱(chēng)取其在空氣中的質(zhì)量。

多孔輕集料植被混凝土的總孔隙率p1和連通孔隙率p2,分別按下式計(jì)算

式中,V為試樣的外觀體積;w1為試樣水中浸泡24 h后在水中的質(zhì)量,w2為試樣烘干至恒重的質(zhì)量;w3為試樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的條件下放置24 h后在空氣中的質(zhì)量。

2 多孔輕集料植被混凝土理論公式推導(dǎo)和分析

2.1 陶?？紫堵释茖?dǎo)

與碎石顆粒表面粗糙,形狀大小不一不同的是,多孔輕集料植被混凝土采用的陶粒形態(tài)、成分較均一,呈球體或橢球體,與水泥漿拌合后,陶粒混凝土顆粒(即多孔輕集料植被混凝土單個(gè)顆粒)仍呈球體或橢球體,這為多孔輕集料植被混凝土的模型簡(jiǎn)化提供了方便。

由此,我們引入平均當(dāng)量直徑的概念,以平均當(dāng)量直徑來(lái)代表陶粒和陶?；炷恋钠骄睆?。考慮到體積是直徑3次方,該文隨機(jī)取10個(gè)陶粒和陶?；炷令w粒,用游標(biāo)卡尺測(cè)量球體或橢球體的尺寸,若是橢球體需先換算成球體當(dāng)量直徑,然后從大到小排列,取其第四位顆粒當(dāng)量直徑為平均當(dāng)量直徑D。

假設(shè)陶粒呈層狀均勻排列,每單位中陶粒顆?？倲?shù)為n,陶粒呈堆積時(shí)的體積為

整個(gè)空間體積為

因而,自然堆積下的陶粒理論孔隙率為

實(shí)測(cè)陶粒的孔隙率為45.4%,與理論計(jì)算值47.6%比較接近,說(shuō)明陶粒的形狀、空間排列與理論較相符。

2.2 多孔輕集料植被混凝土孔隙率推導(dǎo)

當(dāng)陶粒顆粒與水泥漿攪拌后,水泥漿大體均勻分布在陶粒顆粒球體表面,厚度為k,則輕集料混凝土顆粒平均當(dāng)量直徑為D+k。假設(shè)輕集料混凝土呈層狀均勻排列,每單位中陶粒顆?？倲?shù)為m個(gè),輕集料混凝土的空間體積為

考慮到兩個(gè)輕集料混凝土接觸后,形成球缺,如圖1所示。單個(gè)球缺體積為

由于k小于D,相比V陶?；炷?V球缺可近似不計(jì)。

在計(jì)算單個(gè)輕集料混凝土空間時(shí),當(dāng)兩個(gè)輕集料混凝土接觸后,輕集料混凝土的平均當(dāng)量直徑由陶粒的平均當(dāng)量直徑D增加到D+k,并非D+2k,如圖2所示孔輕集料植被混凝土的體積空間為

所以,多孔輕植被集料混凝土的孔隙率為

在實(shí)際攪拌成型時(shí),由于輕集料混凝土之間的接觸不是純粹的4點(diǎn)相切接觸,而是空間隨機(jī),且與成型方式、成型壓力等有關(guān),總的空間體積比理論空間V空間要小,對(duì)此提出修正的空間體積

修正系數(shù)α與成型方式有關(guān),取0.85-0.95。當(dāng)采用不施加壓力、僅靠輕集料混凝土自重成型時(shí)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“自重?zé)o壓力”),α可考慮取1.0;采用0.1～0.2 Pa壓力壓制成型方式時(shí),α可考慮取0.90。

故修正后的多孔輕集料混凝土計(jì)算孔隙率為

2.3 多孔輕集料植被混凝土的水泥漿質(zhì)量推導(dǎo)

假設(shè)陶粒密度為ρ陶粒,水泥漿密度為ρ水泥漿,如圖3所示。

公式(14)沒(méi)有考慮當(dāng)兩輕集料混凝土顆粒接觸形成球缺時(shí),有一部分水泥漿多余出來(lái),但考慮到攪拌的時(shí)候需要損耗一部分水泥漿,基本上相抵。

2.4 多孔輕集料植被混凝土孔隙率理論計(jì)算及分析

以陶粒平均當(dāng)量直徑D分別取10 mm、16 mm、20 mm、26 mm,水泥漿厚度k取1 mm、1.5 mm、2 mm,并假設(shè)ρ水泥漿=2.000×103kg/m3(實(shí)際ρ水泥漿隨水灰比的不同稍有變動(dòng)),來(lái)計(jì)算輕集料混凝土的孔隙率,如表2所示。

由表2可見(jiàn),當(dāng)水泥漿的厚度一定時(shí),隨著陶粒平均當(dāng)量直徑的增大,孔隙率相應(yīng)增大。對(duì)于平均當(dāng)量直徑是10 mm陶粒,即使水泥漿厚度僅為1 mm,其孔隙率理論計(jì)算數(shù)值仍很小。關(guān)于多孔輕集料植被混凝土孔隙率最小要求,國(guó)內(nèi)尚無(wú)明確規(guī)定,但一般多孔植被混凝土的最小孔隙率在25%以上,以保證植被有一個(gè)良好的生長(zhǎng)空間。所以對(duì)于多孔輕集料植被混凝土來(lái)說(shuō),應(yīng)選擇相對(duì)較大顆粒粒徑的陶粒,才能保證一定的水泥漿厚度和孔隙率。

當(dāng)水泥漿厚度較大時(shí),若按公式(11)計(jì)算,當(dāng)量直徑小的多孔輕集料植被混凝土孔隙率理論計(jì)算數(shù)值有可能出現(xiàn)負(fù)數(shù),這主要是因?yàn)樗酀{已出現(xiàn)流淌現(xiàn)象,輕集料混凝土呈不規(guī)則形狀,而非球體或橢球體,導(dǎo)致上述的計(jì)算公式失效。試驗(yàn)證明,當(dāng)孔隙率在18%以下時(shí),多孔輕集料混凝土就開(kāi)始出現(xiàn)明顯的流淌。

3 多孔輕集料植被混凝土配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)及分析

3.1 多孔輕集料植被混凝土配合比設(shè)計(jì)

由公式(11)、(14)可知,對(duì)于多孔輕集料植被混凝土,若確定其孔隙率ρ,可計(jì)算出水泥漿的厚度k,確定水泥漿的質(zhì)量m水泥漿,然后通過(guò)調(diào)整水泥漿的水灰比,配置具有一定強(qiáng)度且不出現(xiàn)流淌的多孔輕集料植被混凝土。這為多孔輕集料植被混凝土配合比設(shè)計(jì)提供了新的思路。具體如下:

1)選擇陶粒,計(jì)算其平均當(dāng)量直徑D、表觀密度ρ陶粒和m陶粒。

2)確定多孔輕集料目標(biāo)孔隙率p,比如28.0%。

3)根據(jù)公式(11)計(jì)算出水泥漿的厚度k。

4)事先求出不同水灰比下水泥漿密度ρ水泥漿,根據(jù)公式(14)計(jì)算水泥漿的質(zhì)量m水泥漿。

5)調(diào)整水灰比,試驗(yàn)是否出現(xiàn)流淌現(xiàn)象,測(cè)試其強(qiáng)度、孔隙率,從中選擇合適的水灰比,并計(jì)算出水泥用量m水泥和拌合水用量m水。

6)驗(yàn)證多孔輕集料混凝土配合比(水∶水泥∶陶粒=m水∶m水泥∶m陶粒)。

3.2 多孔輕集料植被混凝土配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)

選擇平均當(dāng)量直徑為18.3 mm、22.4 mm和27.6 mm的3種陶粒,目標(biāo)總孔隙率為28.0%(α=0.9),配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表3,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4,其中B1、C1組采用自重?zé)o壓力和壓制成型兩種成型方式,其他組采用壓制成型方式。

3.3 試驗(yàn)分析

由表(3)、表(4)可知:

1)總孔隙率由連通孔隙率和內(nèi)部孔隙組成。對(duì)植被來(lái)說(shuō),因?yàn)閮?nèi)部孔隙無(wú)法利用,連通孔隙率比總孔隙率更為確切。而對(duì)于公式(11)的理論孔隙率來(lái)說(shuō),應(yīng)采用總孔隙率指標(biāo)與之比較。

采用壓制成型方式時(shí),上述各組實(shí)測(cè)總孔隙率與理論孔隙率計(jì)算結(jié)果(修正系數(shù)α=0.9)接近,差異在±1.5%之內(nèi),說(shuō)明該文推導(dǎo)的多孔輕集料植被混凝土孔隙率理論計(jì)算方法比較符合實(shí)際。

當(dāng)采用自重?zé)o壓力成型方式時(shí),實(shí)測(cè)孔隙率比理論孔隙率計(jì)算結(jié)果要低一些,這主要是因?yàn)榧词共皇┘訅毫?、僅靠輕集料混凝土自重成型,輕集料混凝土之間也不可能呈層狀排列,故修正系數(shù)α應(yīng)小于1。

2)一般來(lái)說(shuō),在相同輕集料粒徑和級(jí)配下,水泥漿厚度越大,強(qiáng)度相對(duì)越高,但隨之孔隙率減少。另一方面,當(dāng)水泥漿厚度一定時(shí),強(qiáng)度隨輕集料粒徑的增加而減少。

采用基于孔隙率的多孔輕集料植被混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí),水泥漿的厚度隨陶粒的平均當(dāng)量直徑的增加而增加,從而影響混凝土的強(qiáng)度、流動(dòng)性等指標(biāo)。如B組的平均當(dāng)量直徑為22.4 mm,水泥漿厚度為1.78 mm,分別介于A組和C組,而B(niǎo)組的強(qiáng)度明顯高于A組和C組的強(qiáng)度,說(shuō)明多孔輕集料植被混凝土的強(qiáng)度主要受輕集料顆粒粒徑、水泥漿厚度等因素影響,需綜合考慮。

由此可見(jiàn),采用基于孔隙率的多孔輕集料植被混凝土配合比設(shè)計(jì),可比較方便地選擇合適顆粒粒徑的陶粒材料和配合比。

3)采用HR脂肪族高效減水劑后,水泥漿的流動(dòng)性增加,同時(shí)也改善了多孔輕集料植被混凝土的強(qiáng)度。比如B3組28 d的抗壓強(qiáng)度是B2組的115%,C3組28 d的抗壓強(qiáng)度是C2組的113%。值得注意的是,當(dāng)水泥漿厚度較大時(shí),應(yīng)注意混凝土是否出現(xiàn)流淌現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

a.根據(jù)陶粒形態(tài)、成分較均一,呈球體或橢球體的特點(diǎn),推導(dǎo)出多孔輕集料植被混凝土孔隙率理論計(jì)算公式,試驗(yàn)表明該理論計(jì)算公式與實(shí)際較相符。

b.提出一種新的多孔輕集料植被混凝土配合比設(shè)計(jì)方法,即以孔隙率為主要設(shè)計(jì)參數(shù),通過(guò)公式計(jì)算出包裹輕集料的水泥漿厚度和質(zhì)量,調(diào)整水泥漿的水灰比,配置具有一定強(qiáng)度且不流淌的多孔輕集料植被混凝土。

c.多孔輕集料植被混凝土的強(qiáng)度主要受輕集料顆粒粒徑、水泥漿厚度等因素影響,需綜合考慮。采用基于孔隙率的多孔輕集料植被混凝土配合比設(shè)計(jì),可比較方便地選擇合適顆粒粒徑的陶粒材料和配合比。

[1] 馮輝榮,羅仁安,樊建超.綠化混凝土的研究進(jìn)展[J].混凝土,2005(12):25-28.

[2] 樊建超,羅仁安,馮輝榮.植物相容型生態(tài)混凝土的制備試驗(yàn)與研究[J].福建林業(yè)科技,2005,32(3):11-14.

[3] 沈 炫.構(gòu)造型多孔植被混凝土的試驗(yàn)研究[D].湖北工業(yè)大學(xué),2009.

[4] 張朝輝.多孔植被混凝土研究[D].成都:重慶大學(xué),2006.

Research on Mix Ratio of Porous Lightweight Aggregate Vegetation-growing Concrete Based on Porosity

GUAN Bin-jun
(Faculty of Design and Architecture,Zhejiang Wanli University,Ningbo 315100,China)

The theory calculation formula of porous light weight aggregate vegetation-growing concrete was deduced on the basis of light weight aggregate being morphology and uniform composition with sphere or ellipsoid.A new kind of mix ratio design method of porous light weight aggregate vegetation-growing concrete was put forward,that was, putting porosity of concrete as main design parameter and calculating the thickness and quality of cement slurry enwrapped light weight aggregate,then adjusting the water cement ratio of cement slurry and testing,choosing the right porous light weight aggregate vegetation-growing concrete.

vegetation-growing concrete; porosity; lightweight aggregate; mix ratio design

2014-03-27.

寧波市自然基金項(xiàng)目(2011A610081).

管斌君(1976-),實(shí)驗(yàn)師.E-mail:13625841556@qq.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.03.007