Hans Journal of Civil Engineering 土木工程, 2023, 12(6), 760-770 Published Online June 2023 in Hans. /journal/hjce /10.12677/hjce.2023.126086
梁亚鹏，田京鑫，孔 颜，张云程，施雁曦，雷 真*
云南大学建筑与规划学院，云南 昆明
收稿日期：2023年5月19日；录用日期：2023年6月9日；发布日期：2023年6月21日
摘
要
数的影响规律。试验结果表明：使用火山石为轻型集料能够制备性能较好的轻质混凝土；当孔隙率为17%，水胶比0.30，骨料粒径为5 mm~8 mm ，硅灰掺量5%左右，增强剂掺量为10%到15%之间的情形，试块抗压强度达到最大值25 MPa ，透水系数大于3 mm/s ，能够基本符合透水混凝土路面的压强标准和透水特性指标，具有良好的经济和生态效益。
关键词
透水混凝土，轻质火山石，力学性能，透水系数
Experimental Study on Preparation of Lightweight Pervious Concrete Using Tengchong Volcanic Stone in Yunnan Province
Yapeng Liang, Jingxin Tian, Yan Kong, Yuncheng Zhang, Yanxi Shi, Zhen Lei *
School of Architecture and Planning, Yunnan University, Kunming Yunnan
Received: May 19th , 2023; accepted: Jun. 9th , 2023; published: Jun. 21st
, 2023
Abstract
A lightweight permeable concrete was prepared using lightweight and porous Yunnan Tengchong
*
通讯作者。
梁亚鹏 等
volcanic rock as aggregate, and the mix design was carried out using the volume method. Through the orthogonal test method, the influence of many factors, such as Water–cement ratio, effective porosity, volcanic stone particle size, silica fume ratio, and so on, on the pressure resistance and water permea
bility coefficient of concrete at the age of 28 days was studied. The experimental re-sults indicate that using volcanic stone as a lightweight aggregate can prepare lightweight con-crete with good performance. When the porosity is 17%, the water-cement ratio is 0.30, the ag-gregate particle size is 5 mm~8 mm, the silica fume content is about 5%, and the reinforcing agent content is between 10% and 15%, the compressive strength of the test block reaches the maxi-mum value of 25 MPa, and the permeability coefficient is greater than 3 mm/s. It can basically meet the pressure standards and permeability characteristics indicators of permeable concrete pavement, and has good economic and ecological benefits.
Keywords
Previous Concrete, Light Volcanic Stone, Mechanical Properties, Permeability Coeffcient
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/licenses/by/4.0/
1. 引言
近年来，社会经济的指数式增长带动着城市化进程的速度不断加快，海绵城市的提出能够有效解决现代城市排水问题，其中透水混凝土材料是重要解决方案之一，其研究具有极强的实际应用价值和研究意义。透水混凝土简称PC ，是一种具有独特性能的混凝土材料，其孔隙结构由粗骨料与胶凝浆体互相粘结而成，从而形成了多孔结构[1] [2] [3]。
现在有关透水混凝土的研究更多在于使用传统配合比设计方案以及利用工业废渣等材料和用粉煤灰来替代部分水泥成分来制备透水混凝土。然而目前大部分火山石主要用于鱼类景观、房屋装潢装饰以及渔业生态净水等方面的生态混凝土，对于火山石透水混凝土的相关研究内容较少，未能充分发挥火山石的各种特性。云南腾冲有着丰富的火山石资源，且石材具有孔隙多、质量轻且无污染、无放射性等特性，是理想的绿生态材料。基于此，本文采用腾冲火山石作为粗骨料，结合透水混凝土的特点，在混凝土中加入硅灰，增强剂等矿物掺合料，提高混凝土耐久性，并对其配合比进行设计，对PC 的渗透性和力学特性进行科学探究。该研究既能够降低混凝土自重，增加孔隙率，同时能够令混凝土具有良好的经济效益和生态保护作用。
2. 试验设计
2.1. 原材料
Table 1. Chemical composition of cement and silica fume (unit: %) 表1. 水泥、硅灰化学组成(单位：%)
水泥 20.65 5.60 4.13 61.87 2.60 2.79 0.83 0.14 1.39 硅灰
81.40
4.47
1.40
0.82
1.48
1.35
/
/
7.26
梁亚鹏等
本次试验采用的水泥为威顿水泥集团有限责任公司运城分公司生产的抗压强度为42.5 MPa的普通硅酸盐水泥(P.O.42.5)，比重为3.15，勃氏比表面积为3140 cm3/g；硅灰为河南义翔新材料生产，比重和单位质量分别为2.32和245 kg/m3，45 μm方孔筛余量为4.8%；增强剂为广东悦谷道路材料有限公司生产，化学组成如表1、表2所示。火山石采用产自云南腾冲的火山石，火山石的固有特性、成分配比见表3、表4。
Table 2. Chemical composition of enhancer (unit: %)
表2.增强剂化学组成和主要物理性能(单位：%)
成分SiO2 CaO 含水率细度总碱量Na2SO4
含量64.68 0.92 3.17 16.87 6.46 4.83 Table 3. Physical index of volcanic aggregate
表3.火山石骨料物理指标
骨料名称粒径范围(mm) 堆积密度(g/cm3) 表观密度(g/cm3) 含水率(%) 小颗粒红火山石A3~6 0.56 1.56 0.73
中颗粒红火山石B5~8 0.57 1.36 1.03
大颗粒红火山石C10~30 1.67 2.63 0.00 Table 4. Volcanic stone grading
表4.火山石级配单项百分比(单位：%)
小颗粒红火山石A 5 74 21 0 0 0
中颗粒红火山石B 2 12 81 5 0 0
大颗粒红火山石C 1 1 8 29 42 19
2.2. 试验方法
2.2.1. 正交试验设计方法
Table 5. Test factors and level table
表5.试验因素与水平表
1 0.11 0.29 A 0.025 5% 一次投料法
2 0.17 0.3
3 B 0.05 10% 预拌水泥浆体法
3 0.23 0.37 C 0.075 15% 水泥裹石法
正交试验法是研究多因素、多水平组合的一种试验法，它是利用正交表来对试验进行设计，通过少数的试验替代全面试验，根据正交表的正交性从全面试验中挑选适量的、有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，整齐可比”的特点。“均匀分散”性使试验点均衡地分布在试验范围内，让每个试验点有充分的代表性；“整齐可比”性使试验结果的分析十分方便，可以估计各因素对指标的影响，出影响事物变化的主要因素。实践证明，正交试验法是一种解决多因素问题卓有成效的方法。
梁亚鹏 等
本研究采用正交试验方法对火山石透水混凝土进行研究，确定了水灰比例、孔隙率、硅灰比例、增强剂的用量以及搅拌方式等关键因素和三个水平的组合。透水混凝土的配合方案运用体积法，根据关键因素
和水平，运用PC 体积法运算配合方案的具体值。在试验方案的设计中，使用了三个层次和六个因素的正交设计表，共18组试验配合比方案(表5、表6)。表6中数字对应于测试因子所选择的水平。透水混凝土试验按三级六因素正交试验表进行匹配，如表6所示，本研究方法可以为透水混凝土的混合比设计提供参考[4] [5]。
Table 6. Orthogonal test design table 表6. 正交试验设计表
试验1 1 1 1 1 1 1 试验2 1 2 2 2 2 2 试验3 1 3 3 3 3 3 试验4 2 1 1 2 2 3 试验5 2 2 2 3 3 1 试验6 2 3 3 1 1 2 试验7 3 1 2 1 3 2 试验8 3 2 3 2 1 3 试验9 3 3 1 3 2 1 试验10 1 1 3 3 2 2 试验11 1 2 1 1 3 3 试验12 1 3 2 2 1 1 试验13 2 1 2 3 1 3 试验14 2 2 3 1 2 1 试验15 2 3 1 2 3 2 试验16 3 1 3 2 3 1 试验17 3 2 1 3 1 2 试验18
3
3
2
1
2
3
2.2.2. 配合比设计方法
透水混凝土是一种相较于普通混凝土具有更多孔隙的特殊混凝土材料，渗透性混凝土不仅满足强度要求，还需要保持一定数量的贯通孔以满足渗透性要求，因此除了选择合适的原料外，还需要通过配合设计和制备工艺以及添加剂来确保强度和孔隙率。渗透性混凝土由骨料，水泥，水等组成，主要使用单一或间断的粗骨料作为骨架。而其配合比设计的方法是使用填充理论和体积法得到。根据2009年制定的透水混凝土路面的技术标准CJ/T135规定，透水混凝土的外形大小是通过其中骨料掺入密实和所用胶凝材料所填充骨料所形成的透水混凝土，借助试验来确定其目标孔隙率。透水混凝土V = 所有材料的外形体积 + 孔隙体积，每个单位V 的质量是骨料的体积密度和单位立方米凝胶料的加入量，体积法计算方法如下式所示[6]：
1G
C
W
J
Z
G
C
W
Z
J
M M M M M P ρρρρρ+
+
+
+
+= (式1)
梁亚鹏 等
式中G M 代表1 m 3混凝土所用粗骨料的数量kg/m 3；C M 代表代表1 m 3混凝土所用水泥的数量，即kg/m 3；W M 代表1 m 3混凝土的水量，
kg/m 3；Z M 代表1 m 3混凝土的所用增强料的数量，即kg/m 3，J M 代表1 m 3混凝土所有外加剂的数量，即kg/m 3；G ρ代表粗骨料的视密度，即kg/m 3；C ρ代表水泥的视密度，即kg/m 3；W ρ代表水的视密度，即kg/m 3；Z ρ代表增强料的视密度，即kg/m 3；J ρ代表外加剂的视密度，即kg/m 3；P 代表试验对象孔隙体积率。
研究表明，比表面积法和体积法是用于设计透水混凝土配合比的两种常用方法。其中，体积法以目标孔隙率作为控制参数，可以更加精准地满足透水性要求，从而更加有效地实现设计目标。经过系统的研究和比较，本文采用体积法来优化透水混凝土的配合比设计，以达到最佳的性能效果，详见表7 [2] [3] [7]。
Table 7. Concrete mix ratio of orthogonal test group (unit: kg/m 3) 表7. 正交试验组混凝土配合比(单位：kg/m 3) 序号 水灰比 目标孔隙率
粒径 粗骨料用量
水泥 硅灰 水 增强剂 搅拌方式
1 0.29 11% A 750 517 13 155 31 1
2 0.3
3 11% B 618 622 39 218 4
4 2 3 0.37 11% C 490 73
5 51 294 6
6 3 4 0.29 17% A 750 426 11 128 26 3 5 0.33 17% B 618 539 28 189 38 1 6 0.3
7 17% C 490 655 53 262 59 2 7 0.29 23% B 61
石燕鹏8 483 25 150 34 2 8 0.33 23% C 490 376 125 165 41 3
9 0.37 23% A 750 109 3 41 7 1 10 0.29 11% C 490 568 46 176 51 2 11 0.33 11% A 450 316
8 107 19 3 12 0.37 11% B 875 567 30 238 40 1 13 0.29 17% B 800 547 29 186 38 3 14 0.33 17% C 490 704 49 246 63 1 15 0.37 17% A 750 380 10 144 23 2 16 0.29 23% C 490 660 50 206 57 1 17 0.33 23% A 750 316 8 19 19 2 18
0.37
23%
B
642
416
22
175
29
3
2.2.
3. 抗压强度测试
试件成型后用水灰比为0.3的水泥浆体抹面，采用万能机加压，加压速度及相应数据根据相应规范进行，根据下式计算结果[2] [4] [8]。
cc F
f A
=
(式2) 式中cc f -抗压强度，MPa ；F -破坏荷载，N ；A -受压面积，mm 。 2.2.4. 孔隙率测试
总孔隙率按照下式计算[2] [4] [8]。
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