多孔混凝土的配合比优化及施工技术研究
多孔混凝土的配合比优化及施工技术研究
多孔混凝土作为一种新型建筑材料，在城市基础设施建设中具有广泛的应用前景。本文通过正交试验设计，系统研究了多孔混凝土的配合比优化及其施工技术，探讨了目标孔隙率、水胶比、骨料种类、硅灰掺量、粉煤灰掺量等因素对混凝土抗压强度和透水系数的影响，并提出了优化的配合比方案和施工技术要点。
正交试验配比设计
采用正交试验法结合配合比设计的体积法进行多孔混凝土的试验配合比设计，先用正交试验法安排出关键因素和水平的组合，如目标孔隙率、水胶比、骨料种类、硅灰掺量、粉煤灰掺量的组合，再根据关键因素和水平利用多孔混凝土体积法计算配合比中的具体量值。多孔混凝土利用10%～25%孔隙率在城市基础设施中促进水渗透，平衡透水性、强度和耐久性。孔隙率受骨料大小和水泥量影响，适当调整可提升排水和结构稳定性。
在多孔混凝土配比中，大粒径粗骨料提高透水性，小粒径粗骨料量应限制以保证空隙。骨料形状、强度和耐久性对结构性能至关重要，合理级配促进优良孔隙结构和透水效果。合理添加硅灰(5%～10%)和粉煤灰(15%～30%)可优化结构，提升性能。
一次投料法特点是将水泥、骨料、掺合料、水和外加剂按比例一次性加入搅拌机，简便地混合所有材料。预拌水泥砂浆法先将干物料加入搅拌机中搅拌两分钟，然后加入水和外加剂搅拌两分钟出料。水泥裹石法先将按配合比称量好的骨料和20%的水加入到搅拌机中，然后加入水泥和掺合料搅拌两分钟，最后按照目标用水量加水和外加剂搅拌出料。采用的三种不同搅拌方法，分别为：一次投料法(Ⅰ)、预拌水泥砂浆法(Ⅱ)和水泥裹石法(Ⅲ)。
结合文中试验方法设计的实际需要采用三水平七因素的正交设计表，实际应用时应留有一个空列共考虑六个因素，总共有18组试验配合比方案。
其中水平因素1，选取目标孔隙率为12%，水胶比为0.30，α骨料(2.36mm～4.75mm)，硅灰掺量3%，粉煤灰掺量6%，搅拌方式为(Ⅰ)，留一组空白。
水平因素2，目标孔隙率为18%，水胶比0.34，β骨料(4.75mm～9.5mm)，硅灰掺量6%，粉煤灰掺量12%，搅拌方式为(Ⅱ)，留一组空白。
水平因素3，目标孔隙率为24%，水胶比为0.30，γ骨料(9.5mm～13.2mm)，硅灰掺量9%，粉煤灰掺量18%，搅拌方式为(Ⅲ)，留一组空白。
多孔混凝土配比设计采用体积法，这种方法通过材料体积计算确保混凝土比例精确，考虑材料密度与吸水性来保证混凝土密实度和性能。主要步骤涉及将水泥、水、骨料、掺合料等重量转为体积，考虑孔隙率进行配比调整。体积法适用于处理不同密度、吸水性材料的混凝土设计，优化材料使用，提升混凝土性能。通过体积法计算出18组试验的混凝土配合比，具体参数见表1。
多孔混凝土正交试验结果分析
透水混凝土正交试验的考察指标主要有两个，分别为抗压强度和透水系数。采用的多孔混凝土试件尺寸为100mm×100mm×100mm的混凝土立方体，所测得的立方体强度乘以换算系数0.95折算成为边长为150mm的立方体抗压强度值。
抗压强度测试使用1000kN混凝土压力试验机，以0.3MPa/s～0.5MPa/s加载速率测定混凝土试件，抗压强度取三个试件平均值。透水系数采用固定水头，维持试件两侧恒定水头差驱动水流，通过测量特定时间内水流量来计算，有效评估混凝土透水性。试验1-18的修正后的抗压强度值分别为26.2MPa，24.8MPa，19.9MPa，16.3MPa，14.3MPa，11.5MPa，10.4MPa，9.8MPa，8.7MPa，26.7MPa，20.7MPa，19.7MPa，15.6MPa，14.9MPa，14.2MPa，13.5MPa，12.9MPa，8.4MPa;透水系数分别为2.24mm/s，3.29mm/s，5.31mm/s，10.01mm/s，9.97mm/s，9.41mm/s，17.95mm/s，20.24mm/s，21.78mm/s，2.64mm/s，2.46mm/s，6.40mm/s，10.95mm/s，10.29mm/s，15.87mm/s，16.27mm/s，18.30mm/s，23.69mm/s。
抗压强度
经分析得到影响正交试验中多孔混凝土抗压强度的因素主次顺序为目标孔隙率、骨料种类、水胶比、搅拌方式、硅灰掺量、粉煤灰掺量，对于多孔混凝土的抗压强度来说是其越大越好，因此选取每个因素中平均抗压强度值最大的水平为最优水平，即得最优水平为目标孔隙率取值为12%，水胶比取值0.30，骨料种类为α，硅灰掺量6%，粉煤灰掺量12%，搅拌方式为第Ⅲ种。
因子效应图是对正交试验的形象描绘，将表中各个因素的每个水平结果的均值以因子效应图表示，如图1所示(图纵轴均为抗压强度)。
透水系数
经分析得到影响内容正交试验中多孔混凝土透水系数的因素主次顺序为目标孔隙率、骨料种类、粉煤灰掺量、水胶比、搅拌方式、硅灰掺量。对于多孔混凝土的透水系数来说，得到较高透水系数的因素水平组合是目标孔隙率取为24%，水胶比取为0.38，骨料种类取为γ，硅灰掺量取为6%，粉煤灰接量取为12%，搅拌方式为第Ⅰ种。透水系数的因子效应图见图2(纵轴均为透水系数mm/s)。
多孔混凝土的透水系数受多种因素影响。孔隙率增加意味着更多孔隙，直接提升透水系数，因孔隙为主要透水通道。水胶比对透水系数也有显著影响：较低水胶比增加水泥量，可能导致混凝土流动性下降和孔隙增多，提高透水性;相对地，高水胶比减少孔隙，降低透水系数。骨料粒径大的情况下，难以实现密实排列，增加孔隙空间，提升透水系数。硅灰和粉煤灰的掺量对透水系数的影响较小。这些因素共同决定了多孔混凝土的透水性能，展示了其在城市基础设施中的应用潜力，尤其是在需要高透水性的场合。
多孔混凝土配合比设计优化
根据上述分析过程，给出一组正交试验因素和水平的优化组合。该因素中目标孔隙率为18%，水胶比结果为0.34，骨料种类γ，硅灰掺量6%，粉煤灰掺量12%，搅拌方式为Ⅲ。由于选定的优化组合并未出现在正交试验的18组试验中，故对此组配合比进行试验。该组合的混凝土配合比：目标孔隙率为18%，骨料用量1564kg/m3，水泥380kg/m3，硅灰掺量42kg/m3，粉煤灰掺量84kg/m3，水掺量127kg/m3，减水剂4.22kg/m3，搅拌方式为：Ⅲ。优化组合多孔混凝土的试验结果，最优组抗压强度为：17.8MPa，透水系数为11.43mm/s。
多孔混凝土现场施工技术
在透水混凝土路面的施工监控中，包含了从基层施工到最后养护的全过程控制。这一过程确保了路面的质量和性能，涵盖了以下几个关键步骤：
(1)基层施工监控：确保路基压实且湿润，避免积水影响透水性。监控透水管布置、数量、间距及与排水系统连接。
(2)配料混合监控：控制透水混凝土配比中的水量，关键于强度和透水性。监理机构需验收原材料，确保配比符合设计。
(3)浇筑和固结监控：透水混凝土应避免泵送浇筑，连续浇筑和压实，监理实时监控避免延迟压实问题。
(4)浇筑接缝线和精准监控：防裂需及时浇筑伸缩缝并切割，特别注意透水混凝土快速固化时的操作。
(5)硬化和养护监控：透水混凝土养护关键在于覆盖塑料薄膜和保湿，预防塑性裂缝。
(6)开放交通及注意事项：设计强度未达到前不开放透水混凝土路面通行，完成后继续养护7d以上，防止表面孔隙污染，维护透水性。
结语
经试验分析得到影响正交试验中多孔混凝土抗压强度的因素主次顺序为目标孔隙率>骨料种类>水胶比>搅拌方式>硅灰掺量>粉煤灰掺量;影响正交试验中多孔混凝土透水系数的因素主次顺序为目标孔隙率>骨料种类>粉煤灰掺量>水胶比>搅拌方式>硅灰掺量。其中，目标孔隙率和骨料种类对抗压强度具有显著影响，目标孔隙率、骨料种类和粉煤灰掺量对透水系数具有显著影响。根据试验结果，给出一组多孔混凝土优化配合比，目标孔隙率18%，水胶比0.34，骨料种类9.5mm～13.2mm，骨料用量1564kg/m3，水泥380kg/m3，硅灰掺量42kg/m3，粉煤灰掺量84kg/m3，水127kg/m3，减水剂4.22kg/m3，搅拌方式为水泥裹石法。优化配合比条件下的多孔混凝土抗压强度为17.8MPa，透水系数为11.43mm/s。