无砂多孔生态混凝土力学和植生性能试验研究.pdf

2 0 1 2 年 第 6期 (总 第 2 7 2 期 ) Nu mb e r 6 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No ，2 7 2 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 P RACTI CAL TECHN0LOGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 6 0 4 0 无砂多孔生态混凝土力学和植生性能试验研究 钟文乐 ，李政启 z ，朱慈勉 。朱威 z ( 1 泰州职业技术学院，江苏 泰卅 l 2 2 5 3 0 0 ；2 同济大学 建筑工程系， 上海 2 0 0 0 9 2 ) 摘要： 无砂多孔混凝土因具有良好的透气性和透水性而作为一种生态混凝土 ， 具有广泛的应用前景。 试验研究了骨胶比、 骨料级配和 胶凝材料掺合料等因素对无砂 多孔生态混凝土抗压 、 抗折强 度和孔隙率 的影响 。 为使混凝土碱性降低 到适宜草本植物生长的范围内 ， 利用 粉煤灰 、 矿粉和硅灰对混凝土进行碱环境改善。 试验结果表明： 配制的混凝土 2 8 d 龄期时的抗压强度在 1 0 MP a以上， 孔隙率在 2 4 一 3 0 范围内， 混凝土 p H值可降至 9 6 ， 满足工程应用的要求。 植物生长试验证明了草本植物可以在该无砂多孔混凝土中生长。 关键词 ： 无砂多孑 L 生态混凝土 ；力学性能 ；孔隙率 ；碱环境 ；植生条件 中图分类号 ： T U5 2 8 ，2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 1 3 l 一 0 5 Ex pe r i me nt al s t ud y on mec h ani c a l a nd pl a nt i n g pr ope r t i es o f por ous e c ol ogi c al c onc r e t e ZHONG W e n l e。 ， LI Zh e n g - q i 2 , Z H U Ci - mi a n 2 ， ZHU W e i ( 1 T a i z h o uP o l e t e c h n i c C o l l e g e ， T a i z h o u2 2 5 3 0 0 ， C h in a ； 2 De p a r t me n t o f B u i l d i n gE n g i n e e ri n g ， T o n g j i Un i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2， C h in a ) Abs t r a c t ： As a ki n d o f e c o l o g i c a l c o n c r e t e， p o r o u s c o n c r e t e h a s g o o d p e r v i o u s p r o pe r t i e s a n d b r o a d a p p l i c a t i o n pr o s p e c t s A s e rie s o f e x p e rime n t a l s tud i e s a r e c o n d u c t e d t o i n v e s t i g a t e t h e c o mpr e s s i v e s t r e n g t h， f l e x u r a l s t r e n gth， and p o r o s i t yTh e i n fl ue n c e f a c t o r s i n c l u d e a g g r e g a t e c e me n t r a t i o， a g g r e g a t e g r a d a t i o n， a d m i x tur e ， a n d S Oo nI no r d e r t ol o we rthep H v a l uet o a c e r t a i nl e v e l wh i c hi s e l i g i b l ef o rv e g e t a t i o ns g r o wi n g， t h r e e d i f f e r e n t a dmi x tur e s ， s u c h a s fl y a s h， mi n e r a l p owd e r ， an d s i l i c a f ume ， a r e us e d t o r e fo r m t h e a l k a l i c i r c u m s t an c e i n s i d e po r o u s c o n c r e t e Re s e a r c h r e s u lt s s h o w t h a t t h i s k i n d o f c o n c r e t e h a s c o mp r e s s i v e s tr e n g t h o f 1 0 MP a a t t h e a g e o f 2 8 d a y s ， the p o r o s i ty i s b e t we e n 2 4 an d 3 0 ， a n d t he pH v a l u e c a n be l o we r e d t O 9 6， wh i c h s a t i s fy t h e b a s i c r e q ui r e me n t s o f e n g i n e e ri ng u s e Th e p l a n t - g r o wi n g e x p e rime n t p r o v e s the p os s ibi l i t y o f pl a n t i n g o n t h i s ki n d o f c o n c r e t e K e y wo r d s ： p o r o u s e c o l o g i c a l c o n c r e t e ； me c h a n i c a l p r o p e r t i e s ； p o r o s i ty； a l k a l i f e a t u r e s ； p l ant - gro wi n g 0 引言 了草 本植物可在该无 砂多 孔混凝土上生长。 无砂 多孑 L 生态混凝 土透气 、 透水性好 ， 质 轻且具有一 定强 度。 它是由粗骨料、 水泥、 水和外加剂经拌和而成的一种新型生 态混凝土， 可应用于排水性道路、 河道两岸护坡等工程中。 由于 此类混凝土不含细骨料， 粗骨料由胶凝浆体互相黏结， 从而形 成了混凝土的多孔结构。 通过对孑 L 隙内的碱环境进行改造 ， 可 在此种混凝土上种植草本植物。 目前， 国内外学者已在无砂多孔 生态混凝土的力学和孔隙性能方面进行了不少研究【1 1 。 日本研 究者认为， 为满足此类混凝土作为结构材料的要求 ， 一般需控 制其 2 8 d强度达到 1 0 MP a左右 ； 从植生性能角度考虑 ， 其孑 L 隙率至少需 1 8 3 5 【2 J 。 普通混凝土 p H值高达 1 2 l 3 ， 目前在 无砂多孔生态混凝土碱环境 的有效改善方面研究较少 ， 通常认 为控制其p H值不超过 l 0可满足植生要求 。 本试验研究了骨胶比、 骨料级配和胶凝材料掺合料等因素 对无砂多孔生态混凝土抗压、 抗折强度和孔隙率的影响。 对粉煤 灰、 矿粉和硅灰在混凝土碱环境改善方面的作用进行了探讨。 配制出的混凝土在 2 8 d 龄期时的抗压强度大于 1 0 b I P a ， 孔隙率 在 2 4 - 3 0 范围内， 并且 p H值可以降至 1 0以下， 可满足此类 混凝土在工程应用中对强度和植生条件的要求。 植生试验证明 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 1 2 - 2 0 基金项 目：江苏省泰州市科技发展计划项 目( t s 0 8 0 7 ) 1试 验 概 况 1 1 试件 及材 料 试验用无砂多孔混凝土的材料包括石子、 水泥、 粉煤灰、 矿 粉、 硅灰、 减水剂和水等。 其中， 水泥为 P O 4 2 5 级水泥； 粉煤灰 符合 G B T 1 5 9 6 -2 0 0 5 ( 用于水泥和混凝土中的粉煤灰 标准中 6 1 款规定的 F 类 I I 级粉煤灰要求 ； 矿粉为 $ 9 5 级的矿渣微粉； 硅灰为上海埃凯硅粉材料有限公司生产的 S F 9 0硅灰； 粗骨料为 玄武岩， 压碎值 8 ， 级配分别为 1 0 1 6 m l T l 、 1 6 - 2 5 mn l 、 1 0 - 2 5 m i l l 3 种， 紧密堆积密度取为 1 6 0 0 k g m3 ； 水为江苏泰州当地自来水； 减水剂为萘系高效减水剂， 减水率 1 8 。 1 2混凝土 配合 比 1 2 1 混凝土强度和孔隙率试验 试验研究骨胶比、 骨料级配、 粉煤灰掺量和掺入矿粉、 硅灰 等因素对无砂多孔生态混凝土抗压、 抗折强度和孔隙率的影响。 为无砂多孔生态混凝土强度与孔隙率设计提供依据。 混凝土试块所用胶结浆体配合比见表 1 。 用表 1中胶结浆 体在不同骨胶比情况下分别与不同级配的骨料拌和而成无砂 多孔生态混凝土， 其配合比见表 2 、 3 0 每组混凝土试块为 3 块。 1 31 表 1 胶结 浆试块 注： 表2 , 3中编号规则为， 胶结浆体号 + 组号， 例如 G 4 9为用表 1 中G 4 组的浆体拌制的第 9 组无砂多孔混凝土。 1 2 2 碱环境试验 普通混凝土的p H值高达 l 2 1 3左右， 对植物生张是不利的。 为满足植生性能的要求， 无砂多孔生态混凝土的 p H值不应超 过 1 0 t 3 i 。 试验研究水灰比、 粉煤灰掺量和掺人矿粉、 硅灰等因素 对无砂多孔生态混凝土碱环境的影响。 经测试， 纯胶结浆体试块与用同样浆体制作的生态混凝土 试块在龄期为 2 8 d时， 测得的p H相近， 所以试验用胶结浆体 试块代替混凝土试块进行碱环境研究。 碱环境试验胶结浆体试 块配合比见表 1 ， 每组胶结浆体试块为 3块。 1 3试 块制作 混凝土制备工序是先将胶凝材料、 减水剂和水按配合比放 入强制搅拌机搅拌 3 0 s ， 然后倒入一半骨料搅拌 3 0 s ， 然后倒入 另一半骨料搅拌 6 0 s ， 最后入模盹 。 抗压试验用 1 5 0 mmx l 5 0 r l l l T l 1 5 0 n l l l 标准立方体试模制作试块 ， 采用插捣棒插捣成型阎 ， 每 层捣实厚度不大于 5 c m且每层插捣次数不低于 3 O次。 抗折试 块尺寸 1 5 0 mmx l 5 0 mmx 5 5 0 n l l l l ， 每层混凝土插捣次数不低于 1 0 0 次。 在插捣过程中， 用锓刀沿试模内壁插抹。 待模子成型满后， 用插捣棒在试块表面进行滚压。 胶结浆试块为 4 0 mmx 4 0 mmx l 6 0 1 1 1 1 1 1 尺寸的棱柱体试 块， 浇筑一昼夜后拆摸， 放人标准养护室养护 2 8 d ， 用其抗折、 1 3 2 抗压试验后的碎块测试其p H值。 2 试验结果与分析 2 1 混凝 土抗压 、 抗折 强度 试验主要研究骨胶比、 骨料级配和胶凝材料掺合料等因素 对混凝土抗压、 抗折强度的影响。 胶凝材料掺合料分别为粉煤灰、 矿粉和硅灰。 抗压试验用上海邦特试验仪器设备制造有限公司生产的 YE S 2 0 0 0型 2 0 0 0 k N微机控制电液伺服压力试验机完成； 抗折 试验用无锡中科建材仪器有限公司生产的DK Z 5 0 0 0型 5 0 0 0 k N 水泥电动抗折试验机完成。 无砂多孔生态混凝土标准养护 2 8 d 龄期的抗压、 抗折强度试验结果见表 2 、 3 。 2 1 1 骨胶对抗压、 抗折强度的影响 图 1 、 2 所示混凝土 2 8 d龄期时抗压、 抗折强度随骨胶比的 变化规律。 相同骨料级配情况下 ， 无砂多孔混凝土抗压 、 抗折强 度随骨胶比增大而降低。 这是因为在骨料间接触情况相同的混 凝土中， 胶结材料的减少降低了骨料间的黏结强度， 从而使混 凝土强度降低。 相同骨胶比下的单粒径骨料混凝土， 其抗压 、 抗折强度随 骨料粒径增大而降低； 骨料粒径 1 0 ,-, 2 5 m l n的混凝土抗压、 抗折 2 0 l 9 18 17 1 6 誉1 5 髓 l 4 矮 1 3 1 2 ll lO 9 髓 魑 图 1 混凝 土抗压强度随骨胶比变化关系 骨胶 比 图 2 混凝土抗折强度随骨胶比变化关系 强度介于单粒径情况下 1 0 1 6 n i l 1 、 1 6 2 5 m i l l 的混凝土强度之 间。 这是因为对于单一粒径骨料， 随着骨料粒径的增大， 骨料间 接触面积减少， 黏结强度降低 ； 对于连续粒级骨料， 较大粒径骨 料之间的孔隙可以通过较小粒径骨料填充， 从而增大骨料间接 触面， 提高了胶结强度。 2 1 2 胶凝材料掺合料对抗压强度的影响 对比表2 3中G1 1 和 G 9 1 组， 在水灰比从 0 2 8 降低到 O 2 6 后， 加入硅灰的混凝土抗压强度比不加硅灰的提高了4 1 ； 对比 G8 1 和 G 4 2 组， 在水灰比从 0 2 2 提高到0 2 4后 ， 使用矿粉的混 凝土抗压强度比同等掺量下掺粉煤灰的混凝土提高 2 7 。 由此 可见， 除水灰比外， 硅灰和矿粉对混凝土抗压强度的提高作用 十分明显。 从 G 2 1 、 G4 2和 G7 1 可以看出，在水灰比基本不变的情况 下， 混凝土抗压、 抗折强度随粉煤灰掺量的提高而降低， 这与普 通混凝土一致 。 2 1 3 混凝土抗压强度与抗折强度相关关系 试验表明， 无砂多孔抗压强度与抗折强度有着较好的线性 相关关系。 图 3 所示本试验研究混凝土抗压与抗折强度对应关 系散点图， 对其进行线性回归分析后建议取抗压强度 与 抗 折强度的关系为 7 o 8 f， 校正决定系数为 0 9 9 8 。 图 3 混凝土抗压与抗折强度相关关 系曲线 2 2孔 隙 率 无砂多孔生态混凝土的孔隙率主要受到骨胶比、 成型方式 和骨料级配 3 个因素的影响。 无砂多孔生态混凝土的孔隙率分 为总孔隙率和有效孔隙率。 总孔隙率是全孔隙体积占混合料总 体积的百分比， 它是影响混凝土强度的主要因素。 本试验主要研 究骨料级配 、 骨胶 比对总孔隙率的影响， 讨论混凝土强度与总 孔隙率的相关关系， 混凝土试块总孔隙率测试结果见表 2 。 2 2 1 骨料对孔隙率的影响 如图4所示， 混凝土孔隙率随骨胶比增大而增大， 这是因为 随着骨胶比的增大， 骨料间的胶结浆体量变少， 从而 抒L 隙率增大。 3 O 2 9 2 8 篓 2 7 2 6 2 5 2 4 4 5 6 7 骨胶 比 图 4孔隙率随骨胶 比变化关 系 图 5 所示混凝土孔隙率与骨料粒径的变化关系图。 在相同 骨胶比下 ， 孔隙率随骨料粒径增大有减小的趋势， 这与一般理 解的概念不符 ， 即随骨料粒径增大， 多孔混凝土孔隙率也增大。 其原因可能是在相同骨胶 比情况下 ， 大粒径骨料比小粒径骨料 的比表面积小， 所需包裹其表面的胶结浆少， 多余的胶结浆填 充孔隙而致孔隙率降低。 这一问题有待进一步研究。 巷 褂 题 粒 径 mm 图 5 孔陈率随骨料粒径 变化关 系 结合上述对混凝土强度与孔隙率的研究 ， 本试验建议无砂 多孑 L 混凝土配合比设计中， 选用单粒级 l 0 1 6 n的骨料， 骨胶 比控制在 5 3 6 _ 3 之间。 此时的混凝土具有较好的抗压、抗折强 度 ， 而且孑 L 隙率也在适宜植物生长的范围内。 2 2 2 混凝土强度与孔隙率的相关关系 孑 L 隙率是决定多孔混凝土强度的主要因素， 两者的关系可 用线性曲线描述 6 1 。 本研究用线性回归分析对试验所得混凝土 抗压、 抗折强度与孔隙率的关系进行拟合， 见图 6 。 混凝土抗压强度 与孔隙率 P关系式为f = 6 0 1 6 8 p， 校正 决定系数为 0 9 7 8 。 混凝土抗折强度 与孔隙率P关系式为 =8 4 2 0 2 3 5 p， 校 正决定系数为 0 9 3 7 。 2 3碱 环境 无砂多孔生态混凝土碱环境的研究是通过测定混凝土所 1 33 O 8 6 4 2 O 8 6 4 2 4 】朱威 无砂多孔生态混凝土的制备与性能研究 D 1 上海 ： 同济大学， 2 0 1 0 5 J T J 0 3 4 -2 0 0 0 ， 公路路面基层施工技术规范【 s 】 北京 ： 人民交通出版 社 ， 2 0 0 0 【 6 赵铁军 混凝土渗透性【 M 】 E 京： 科学出版社， 2 0 0 5 【 7 】 吴孟良， 吴仲兵 ， 钱觉时大掺量粉煤灰混凝土的孔隙液相碱度【 J 重 上接第 1 2 7页 ( 5 ) S E M照片观察到了带状和树枝状的聚合物膜结构， 随硅 灰和偶联剂含量的增加， 砂浆的结构更加致密。 参考文献： 1 】 钟世云， 袁华 聚合物在混凝土中的应用【 M 京 ： 化学工业出版社， 2 0 o 3 2 2 S A C C UB A I s， S AR O J A DE VI M， R A V AMU D AN A， e t a 1 P o l y me r i m- p r e g n a t e d p o l a n d c e m e n t m0 n a r s J 1 J o u r n a l o f A p p l i e d P o l y me r S c i - e n c e ， 1 9 9 6 ， 2 7 ( 2 ) ： 1 7 1 - 1 7 6 3 】GA O J M， Q Z AN C X， WA N G B， e t a1 E x p e r i me n g t a l s t u d y o n p r o p e r - t i e s o f p o l y me r m o d i f i e d c e me n t mo r t a r s w i t h s i l i c a f u m e J C e me n t 厌建筑大学学报， 1 9 9 9 ， 2 1 ( 1 ) ： 2 4 2 7 作者简介 联系地 址： 联系电话 ： 钟文乐( 1 9 6 6 一 ) ， 男， 工学学士， 副教授 ， 研究方向： 建筑施 工技术的理论研究与工程应用。 上海市四平路 1 2 3 9 号土木大楼 A 7 0 8 ( 2 0 0 0 9 2 ) 1 5 9 0 21 7 5 4 5 7 a n d C o n c e d e C o m p o s i t e s ， 2 0 0 2 ( 3 2 ) ： 4 1 4 5 4 】S V E G L F ， S U P UT S J Us e o f a mi n o s i l a n e c o u p l i n g a g e n t s i n c e me n t i t i o n u s m a t e r i a l s J Ma e r o mo 1 S y mp ， 2 0 0 5 ( 2 2 1 ) ： 1 5 3 1 6 4 5 】 李和平 胶黏剂 M E 京： 化学工业出版社， 2 0 0 5 ： 9 0 2 6 16 王洪， 陈伟天， 陈昌礼雁灰对高强混凝土强度影响的试验研究 J 1 j 昆 凝土 ， 2 0 0 9 ( 7 ) ： 2 - 4 作者简介 ： 联系地址： 联系电话 ： 赵文杰( 1 9 7 0 一 ) ， 男， 副教授， 工学博士 ， 研究方向： 聚合物 水泥基复合材料。 长春市延安大路2 0 5 5 号 长春工业大学化工学院( 1 3 0 0 1 2 ) 1 31 9 4 3 1 4 8 5 5 叠 藿趸 翟 盈 客 户代 表深 入中 联重 科意 大利c I F A 基 地 作为改变人类泵车应用历史的著名品牌， 中联一 C WA在国际工程机械行业声名卓著， 也常见其产品工作在全球各地的身影， 不 过， 又有多少人知道它们是如何制造生产的呢? 日 前 ， 中联重科混凝土机械公司部分客户代表亲赴意大利米兰， 深人中联重科意大利 C I F A生产基地 ， 与全球混凝土设备最新 先进研发技术和欧洲精湛制造工艺零距离接触， 一睹全球混凝土设备制造技术领先者的真面目。 中联重科客户访问团受到了 C I F A管理团队的热烈欢迎和周到接待。在欢迎会上， C I F A C E O Da v i d e 致欢迎词 ，营销总监 Da n i e l 介绍了 C I F A的发展历程， 并重点讲述了C I F A被中联重科收购以来所取得的长足发展。随后， 中联重科客户访问团在 C I F A 产品经理 C a r l o 、 销售经理 Ma s s i mo等人的陪同下， 详细参观了 C I F A的研发、 生产、 检测等各环节。期间， 访问团的客户们对 C I F A 喷射机械手等产品和碳纤维复合材料臂架、 新材料耐磨双层管等全球领先技术非常感兴趣 ， 现场提了许多问题， 经过 c wA研发专 家的一一解答， 客户纷纷表示 C I F A果然不愧是欧洲高端混凝土设备制造企业， 均为其技术实力折服不已。 超长臂架泵车设计的最大难点在于轻量化技术及整车符合道路法规 ， 这是制约实用型超长臂架泵车发展的瓶颈， 也是全球顶 级泵车设计无法跨越的沟壑。在 C I F A成功开发碳纤维复合材料臂架泵车之前， 有三座大山始终摆在泵车设计者面前难以跨越， 那 就是 ： 臂架越长， 臂架失稳、 断裂的风险越高； 臂架越长， 整车重量越重， 需要更多轴桥数的底盘； 臂架越长， 支腿打开面积越大。那种 超宽、 超长的 I f 1 专统臂架泵车 ” ， 根本无法满足上路条件和狭窄施工环境的需要。 2 0 0 1 年 ， 当时的全球三大混凝土泵车制造商之一意大利 C I F A公司独辟蹊径 ， 将泵车臂架轻量化材质研究 目标锁定在碳 纤维材料 ， 开始自主研发碳纤维复合材料臂架。 ， 经过对碳纤维复合材料臂架长达 8 年的潜心研究 ， C I F A创世纪地改变了人类泵车的应用历史， 首次将碳纤维复合材料应用在 泵车臂架上。 通过材料创新， 使泵车臂架比采用传统材料生产的产品自重减少了4 0 ， 成功跨越了挡在泵车设计者面前的三座大山。 同时 ， 碳纤维复合材料臂架泵车开始实现批量生产， 并销往全球各地， 经过 C I F A臂架疲劳测试平台严格考核和用户长期使用实践 考验 ， 证明碳纤维材料作为泵车臂架取得了巨大成功。 2 0 0 8 年， 中联重科成功并购意大利 C I F A之后， 获得 C I F A在泵车制造领域的一系列全球领先技术专利。 最令人艳羡的是， 双方 资源实现高度融合 ， 中联一 C F A共同打造了基于欧洲高端研发技术和设计思想的超长臂架泵车研发平台， 并成功研发了全球最长 的8 0 m碳纤维臂架泵车等一系列高端产品。 访问期间，中联重科客户访问团与中国工程机械工业协会副秘书长俞琚率领的第九届法国巴黎 I N T E R MAT 2 0 1 2技术考察团 一 行 3 0 余人相遇， 俞琚副秘书长等技术考察团成员对中联重科的国际化发展给予了充分肯定。 本次考察访问受到了客户的高度评价， 认为通过深入意大利 C I F A生产基地 ， 零距离接触中联 C I F A顶尖技术和高品质产品制 造全过程， 对中联重科引领全球泵车发展的技术地位， 有了更深刻的印象和了解。 】 35