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user: 3. 多孔混凝土配合比优化设计 3.1. 试件制备方法 目前我国在制备多孔混凝土时多参照普通混凝土的制备方法，分为拌和、成型和养生三个环节。研究资料表明，采用一次投料法拌和而成的多孔混凝土具有更好的孔隙状态，故本试验选择了一次投料法作为拌和方法；试验采用标准振动台成型法成型试件，该法能够实现试模与振动台的同步定向垂直振动，操作简单，噪声小，能够有效减少人为因素的影响；试件成型后迅速采用湿布覆盖以防止水分过快蒸发，1天后拆模并移入标准养生室养生至规定龄期。标准养生温度为20℃ ± 2℃，养生湿度为95%以上。整个养生过程中试件表面保持一层水膜，并避免用水直接冲淋。 3.2. 级配设计 本试验使用的集料为公称最大粒径为9.5 mm~26.5 mm的粗集料。从构建集料骨架、提高集料间接触有效性的角度考虑，根据逐级填充理论阐述多孔混凝土级配设计方法，多孔混凝土级配的试验步骤如下。 3.2.1. 集料的堆积密度 测定各档集料的自然堆积密度和振实密度，试验结果见表3。 可见，通过振动，集料的堆积密度增幅约为8%~9%。说明振动能够使粗集料嵌挤从而达到紧密状态，形成更为坚实的骨架结构和更为有效的集料间接触。因此，在进行集料的逐级填充时，论文采用振实密度。 3.2.2. 逐级填充 ① 第一级填充 取公称最大粒径为19~26.5 mm的集料14 kg作为第一档集料，16~19 mm的集料作为第二档集料以5%的步幅从15%~35%的比列逐次填充其中，拌和均匀后测得振实密度，最大值对应的填充比例25%作为最佳填充比例。如图1所示。 ② 第二级填充 取公称最大粒径为19~26.5 mm的集料与掺量为25%的16~19 mm的集料共15 kg，13.2~16 mm的集料作为第三档集料以5%的步幅从10%~30%的比例逐次填充其中，拌和均匀后测得振实密度，最大值对应的填充比例20%作为最佳填充比例。如图2所示。 ③ 第三级填充 取公称最大粒径为19~26.5 mm、掺量为25%的16~19 mm和掺量为20%的13.2~16 mm的集料共21 kg组成混合集料，9.5~13.2 mm的集料作为第四档集料以5%的步幅从10%~30%依次进行填充，拌和均匀后测得振实密度，最大值对应的填充比例15%作为最佳填充比例。如图3所示。 Table 3 The summary table of coarse aggregate density test result 集料粒径(mm) 自然堆积密度(g/cm 3 ) 振实密度(g/cm 3 ) 振实密度/自然堆积密度 9.5~13.2 1.574 1.708 1.085 13.2~16 1.563 1.692 1.083 16~19 1.541 1.681 1.091 19~26.5 1.540 1.679 1.090 表3. 粗集料密度试验结果汇总表 图1. 第一级填充结果 图2. 第二级填充结果 图3. 第三级填充结果 由上图可知，25%、20%、15%分别是第二、三、四档集料的最佳掺配比例，此时混合集料的振实密度最大，混合料形成了最为有效的填充，骨架充分形成。综上，各档集料在混合集料中所占的比例，即本试验中所采用的集料级配，如表4所示。 3.3. 配合比计算 按试验所得级配，根据规程 [ 9 ] 要求将各档集料混合拌匀后测定混合集料的密度指标，并计算集料的间隙率，测试与计算结果见表5。 Table 4 The table of porous concrete grad 集料粒径(mm) 19~26.5 16~19 13.2~16 9.5~13.2 所占比例(%) 58 14.5 14.5 13 表4. 多孔混凝土级配表 Table 5 The table of porous concrete mixed aggregate characteristic 表观密度(g/cm 3 ) 表干密度(g/cm 3 ) 毛体积密度(g/cm 3 ) 间隙率(%) 2.778 2.767 2.760 37.15 表5. 多孔混凝土混合集料特性表 多孔混凝土配合比的设计目的是根据已知设计参数，通过计算，实现对成型后试件(连通)孔隙率的有效控制，对于多孔混凝土而言，几乎所有的孔隙率已经变成连通孔隙率。因此，本文提到的目标孔隙率和实测孔隙率，都指的是连通孔隙率。 已知参数有：混合集料间隙率P'、振实密度ρ (1.746 g/cm 3 )、目标孔隙率P、集料质量折减系数(0.98)、水泥密度ρ c (3.15 g/cm 3 )，采用单位体积法计算多孔混凝土的配合比。计算公式如下： 每立方米多孔混凝土中集料质量为： m g = 0.98 ρ (1) 每立方米多孔混凝土中水泥浆的体积为： V c + w = P ′ − P (2) 即： m c / ρ c + m w / ρ w = P ′ − P (3) 在混合集料间隙率 P ′ 确定的前提下，单位体积多孔混凝土中水泥浆体积与目标孔隙率P负相关，当目标空隙率确定后，单位体积多孔混凝土所用水泥浆的体积也确定。因此，只需确定水泥浆中水灰比w/c后，即可根据式(1)~式(3)分别计算单位体积多孔混凝土中各组成成分的质量。 3.4. 水灰比、拌和时间、振动时间的确定 试件成型方法不同，所确定的配合比参数也不同，应通过试验确定影响多孔混凝土性能的主要成型参数——水灰比、拌和时间和振动时间。正交试验设计根据正交性从全面试验中选取部分具有代表性的点进行试验，从而能够减少试验次数、确定显著影响因素。为了综合考虑各因素对混凝土状态和抗压强度的影响，本文以目标孔隙率为15%的混凝土作为试验对象，并采用正交试验来最终确定出批量成型试件所需的水灰比、拌和时间、振动时间。 3.4.1. 试验影响因素、水平的确定 选择水灰比、拌和时间和振动时间作为三个影响因素，每个因素选取四个水平，设计正交试验。正交试验因素与水平如表6所示。 3.4.2. 正交试验表设计及正交试验结果 根据所选取的因素和水平，确定此次试验的正交试验表，共16个方案。进行各方案的7天抗压强度试验。采用目标孔隙率为15%的混凝土作为试验对象来计算配合比、试验，并以7天抗压强度作为试验分析指标，粗集料按照前边逐级填充设计的级配。正交试验设计以及各方案的强度结果见表7所示。 Table 6 The table of orthogonal test factors and level 水平 因素 水灰比A 拌和时间(s) B 振动时间(s) C 1 0.30 60 10 2 0.28 50 20 3 0.26 40 30 4 0.24 30 40 表6. 正交试验因素与水平表 Table 7 The table of orthogonal test design and orthogonal test resul 编号 因素A 因素B 因素C 水平组合 水灰比 拌和时间(s) 振动时间(s) 7天抗压强度(MPa) 1 1 1 1 A 1 B 1 C 1 0.30 60 10 3.6 2 2 2 2 A 2 B 2 C 2 0.28 50 20 4.0 3 3 3 3 A 3 B 3 C 3 0.26 40 30 7.5 4 4 4 4 A 4 B 4 C 4 0.24 30 40 6.1 5 2 1 2 A 2 B 1 C 2 0.28 60 20 4.4 6 2 2 1 A 2 B 2 C 1 0.28 50 10 5.2 7 2 3 4 A 2 B 3 C 4 0.28 40 40 3.9 8 2 4 3 A 2 B 4 C 3 0.28 30 30 5.3 9 3 1 3 A 3 B 1 C 3 0.26 60 30 4.8 10 3 2 4 A 3 B 2 C 4 0.26 50 40 4.5 11 3 3 1 A 3 B 3 C 1 0.26 40 10 6.9 12 3 4 2 A 3 B 4 C 2 0.26 30 20 6.6 13 4 1 4 A 4 B 1 C 4 0.24 60 40 3.8 14 4 2 3 A 4 B 2 C 3 0.24 50 30 4.2 15 4 3 2 A 4 B 3 C 2 0.24 40 20 3.5 16 4 4 1 A 4 B 4 C 1 0.24 30 10 3.1 表7. 正交试验设计及正交试验结果表 3.4.3. 极差分析 极差分析能够确定各因素对试验结果的影响水平，并得到最优组合方案。分析结果见表8。 表中：Ij~IVj—第j列各水平所对应的试验指标的数值之和； Kj—第j列同一水平出现的次数，等于试验次数n (n = 16)/第j列水平数； Ij/kj~IVj/kj—第j列各水平所对应的试验指标的平均值； Dj—每个因素所对应的平均极差，第j列各水平所对应的平均值中的最大值与最小值的差。 可通过每个因素对应的平均极差Dj确定影响显著水平，该值越大，影响水平越高。表8说明各因素对试验指标的影响水平为：因素A (水灰比)最大，因素B (拌和时间)次之，因素C (振动时间)最小。最佳方案组合为A3B3C3，即水灰比、拌和时间、振动时间分别为0.26、40 s、30 s时所成型的试件强度最优。 Table 8 The table of orthogonal test range analysi 列号 分析指标 Ij IIj IIIj IVj K j Ij/K j IIj/K j IIIj/K j IVj/K j Dj 1 21.2 18.8 22.8 14.6 4 5.2 4.7 5.7 3.65 1.55 2 16.6 17.9 21.8 21.1 4 4.15 4.75 5.45 5.275 1.3 3 18.8 18.5 21.8 18.3 4 4.7 4.625 5.45 4.575 0.875 表8. 正交试验极差分析表 3.5. 多孔混凝土试件成型参数 根据正交试验的结果，选择水灰比为0.26，按照式(1)~式(3)，可计算单位体积多孔混凝土内各材料的质量，通过计算得出目标孔隙率为15%、20%、25%、30%的具体设计结果，并将粗集料按照前面设计好的级配组成进行计算，同时给出试件成型时的试验参数。如表9所示。 3.6. 多孔混凝土的抗压强度和抗弯拉强度 根据多孔混凝土配合比设计结果，制作不同目标孔隙率的混凝土的抗压试件和抗弯拉试件，试验中同龄期试件每3个一组，测定其抗压强度和抗弯拉强度，取算术平均值作为试验结果，试验结果如表10所示。 目前尚没有多孔混凝土的强度标准，根据其使用部位，依据《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015) [ 10 ] ，参照同样是刚性基层的碾压贫混凝土的强度标准：对于高速和一级公路，特重、极重交通，7天龄期无侧限抗压强度5.0~7.0 MPa；重交通4.0~6.0 MPa；文献 [ 8 ] 推荐，28天的抗弯拉强度对重交通为1~2 MPa，特重、极重交通1.5~2.5 MPa。结合表10表明，当孔隙率为15%、20%时，多孔混凝土的7天抗压强度以及28天的抗弯拉强度均能满足高等级公路的重、特重、极重交通条件下的基层强度要求。最终的配合比是选择孔隙率15%还是20%，需要根据经济性、总交通量、重载交通的数量、地区的气候条件等来综合考虑。如果交通量大、重载交通的比例较高，寒冷地区，建议选择孔隙率较低的15%，一般条件下，可选择20%的孔隙率。 因此，以连通孔隙率为设计指标，以混凝土7天抗压强度为设计目标，以级配设计—目标孔隙率确定—配合比计算—测定混凝土强度为主线的多孔混凝土配合比设计方法是可行的。