幾種纖維對透水混凝土抗凍性影響綜述★

趙文豪，程海麗

(北方工業大學土木工程學院，北京 100144)

0 引言

隨著社會的快速發展，人們對環境保護問題越來越重視，目前城市道路大部分采用不透水路面，遇突發強降雨時容易造成積水內澇，特別是南方多雨天氣，會引發洪澇災害，因此透水混凝土路面得到了推廣和應用。透水混凝土作為一種新型生態材料，具有良好的透水性，可使雨水滲入到地下，改善城市內澇、緩解熱島效應，對生態環境保護具有積極的意義。但透水混凝土因其本身的材料特點，耐久性能差，特別是在寒冷地區，透水混凝土孔隙大強度低，易發生凍融破壞。本文綜述幾種纖維及其摻量對其抗凍性的影響。

1 透水混凝土特性及組成

1.1 透水混凝土特性

透水混凝土由粗骨料、膠凝材料、外加劑和摻合料按比例配制而成，與傳統混凝土不同的是，以單一級配粗骨料為主體，很少或不使用沙石等細骨料，使其保持較好的透水能力，其內部疏松多孔，孔隙率較高，這些半聯通或聯通的孔隙能讓雨水滲入地下。但透水混凝土強度低，在寒冷環境下受凍融破壞的范圍和程度會更大，粗骨料之間大多為點式連接，導致其抗壓、抗拉和抗彎強度偏低，限制了使用發展[1]。

1.2 原材料的選用

1)水泥：一般采用強度等級不低于42.5級的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。

2)骨料：骨料應盡量選擇棱角更多的碎石，通常粒徑為9.5 mm～16 mm，4.75 mm～9.5 mm。

3)減水劑：常用聚羧酸系減水劑。

4)礦物摻合料：摻合料常用硅灰或粉煤灰。

2 透水混凝土抗凍性評價指標

透水混凝土抗凍性常用的評價指標如下：

1)質量損失率。

透水混凝土在經過多次凍融循環后，透水混凝土表面會出現水泥石脫落、集料掉落、內部破壞等情況，造成透水混凝土的質量損失，透水混凝土質量損失是評價透水混凝土抗凍性的一個重要指標，當質量損失率超過5%時就達到了破壞狀態。

2)抗壓強度損失率。

透水混凝土是多孔隙結構，這種結構在水飽和狀態下進行抗凍試驗時，內部孔隙中的自由水凍結導致冰晶在孔隙中膨脹，造成冰晶直接對孔隙內壁凍脹破壞。另一方面，內部未凍結水對連通孔隙中的孔隙壁產生靜水壓力，造成透水混凝土內部損傷導致強度破壞，強度損失率高于20%時達到破壞。

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3)相對彈性模量。

相對彈性模量是采用超聲波檢測儀測量，通過聲波在透水混凝土內部的傳播速度的快慢計算出相對彈性模量，當透水混凝土受到一定次數的凍融循環后內部結構會發生損傷，部分骨料松動脫落時會導致密度降低，致使聲波的傳播速度下降，一定程度上反映了透水混凝土內部的損傷情況[2]。

3 不同纖維摻量對透水混凝土抗凍性影響

在透水混凝土中摻加纖維，隨著纖維的摻入能夠調節透水混凝土內部的均勻程度。纖維屬于無序分布，提高了透水混凝土內部的黏結力，降低了裂縫產生的幾率。即使有裂縫的出現，透水混凝土內部的纖維也會抑制裂縫的發展和延伸，不同纖維種類和摻量對透水混凝土抗凍性影響效果不同。

3.1 玄武巖纖維對透水混凝土抗凍性的影響

玄武巖纖維是一種新型無機環保綠色高性能纖維材料，由二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂、氧化鐵和二氧化鈦等氧化物組成，具有耐腐蝕、耐高溫等優點。

劉思宇[3]將直徑15 μm，長度24 mm的玄武巖纖維摻入透水混凝土中，研究了纖維摻量對透水混凝土抗凍性的影響。玄武巖纖維的性能指標如表1所示，透水混凝土的配合比如表2所示。玄武巖纖維的摻量分別為0 kg/m3，2 kg/m3，4 kg/m3，6 kg/m3時透水混凝土的質量損失率、相對彈性模量變化及抗壓強度損失率如圖1～圖3所示。

表1 玄武巖纖維性能指標

表2 玄武巖纖維透水混凝土配合比 kg/m3

從圖1～圖3中可以看出，隨著玄武巖纖維摻量的增加，透水混凝土的質量損失率和抗壓強度損失率不斷減小，且隨著凍融循環次數的增加質量損失率和抗壓強度損失率相應增大；相對彈性模量隨纖維摻量的提高而相應提高。但當纖維摻量為4 kg/m3時，再增加纖維摻量相對彈性模量變化和抗壓強度損失率變化均很小，且25次凍融與50次凍融差距也趨向減小。

這是由于在同一纖維直徑和長度條件下，隨著纖維摻量的增多，玄武巖纖維會在透水混凝土內部形成網狀結構，使黏聚力增強，降低了透水混凝土抗壓強度損失率，提高了相對彈性模量。且纖維本身能抑制裂縫延伸，會增加骨料間的反向拉應力，抑制孔隙變大延緩裂縫的發展，使質量損失率降低。但當摻量過多時，纖維分散的難度增加，容易出現結團現象，反而更加弱化了透水混凝土的均勻性，因此抗凍能力趨向減弱。

3.2 聚丙烯纖維對透水混凝土抗凍性的影響

聚丙烯纖維又稱丙綸，具有質輕、化學性質穩定、韌性優良、加工方便、價格低廉等優點。聚丙烯纖維呈細微單絲，比表面積大，能夠呈三維亂向均勻分布在混凝土材料中，阻裂、增韌效果顯著。

表3 聚丙烯纖維透水混凝土配合比

由圖4,圖5可以看出，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，透水混凝土的質量損失率先減小后增大，相對彈性模量先增大后減小，在纖維摻量為1 kg/m3時抗凍性最好。這是由于在透水混凝土中，聚丙烯纖維表面的摩擦系數較大且亂象分布，阻止了微裂縫的擴散抵抗了一部分的凍脹壓，微裂縫得到抑制，質量損失率減小。且纖維的摻加使骨料不易分離，骨料間的黏結力得到提高，抵抗了部分凍脹破壞，因此使透水混凝土強度提高，相對彈性模量相應提高。但當聚丙烯纖維摻量過多時，纖維在透水混凝土中會發生團聚現象，使透水混凝土流動性變差，纖維與骨料和水泥漿間的黏結性變差，混凝土的均勻性也下降，影響透水混凝土的強度和抗凍性，因此聚丙烯纖維摻量不是越多越好，應控制在1 kg/m3左右。

3.3 剛性聚丙烯纖維對透水混凝土抗凍性的影響

剛性聚丙烯纖維是一種仿制鋼纖維生產的替代產物。與鋼纖維相比，剛性聚丙烯纖維具有更好的耐腐蝕、易分散、易施工，對拌合設備無損傷等特點。且纖維表面呈現不均勻的紋路，在混凝土中的分散性好，握裹力強。剛性聚丙烯纖維是由聚丙烯纖維加工而成，比普通聚丙烯纖維彈性模量高、分散性好，且與混凝土界面握裹力好，可顯著提高纖維與混凝土基體的結合性能。

林武星[5]將剛性聚丙烯纖維摻入透水混凝土中，研究了纖維摻量對透水混凝土抗凍性的影響。剛性聚丙烯纖維的性能指標如表4所示，透水混凝土的配合比如表5所示。剛性聚丙烯纖維的摻量分別為0 kg/m3,2.73 kg/m3，5.46 kg/m3，9.1 kg/m3時透水混凝土的相對彈性模量變化、質量損失率變化如圖6，圖7所示。

表4 剛性聚丙烯纖維性能指標

表5 剛性聚丙烯纖維透水混凝土配合比 kg/m3

由圖6,圖7可以看出，隨著纖維摻量的增加，透水混凝土的質量損失率不斷減小，相對彈性模量略有提高，且隨著凍融循環次數的增加，質量損失率相應增大，相對彈性模量逐漸減小，表明纖維摻量的增加，有利于提高透水混凝土的抗凍性；當纖維摻量為9.1 kg/m3，凍融循環100次以下時，質量損失率和相對彈性模量趨于接近；但當凍融循環次數超過100次后，即使纖維摻量達到9.1 kg/m3，質量損失率明顯提高，相對彈性模量明顯減小，表明對透水混凝土抗凍性的提高能力下降。

這是由于剛性聚丙烯纖維起到了阻裂和增強作用，可減少裂縫的數量和寬度，這種能力隨纖維摻量的增加而提高，但當凍融循環次數增加很多時，隨著凍融次數的增加，透水混凝土的裂縫寬度逐漸增加，內部骨料的黏結會逐漸減弱，伴隨裂縫的增多和加寬，剛性聚丙烯纖維與水泥漿的黏結力會遭到破壞，即使纖維摻量增加到9.1 kg/m3，也不足以抵抗凍融的破壞，加之纖維摻量高時，纖維的分散性下降，混凝土拌合物的均勻性受限，也不利于抗凍性提高。

3.4 碳纖維對透水混凝土抗凍性的影響

碳纖維是一種輕柔、宜加工、力學性能好的新型材料，拉伸強度約為2 GPa～7 GPa，拉伸模量為200 GPa～700 GPa，抗拉強度高、彈性模量大、溫敏性好、韌性強，碳纖維具有穩定的化學性質，能夠抵抗外界環境的變化，對鹽堿變化及時做出反應。

高金寶[6]將長度40 mm的碳纖維摻入透水混凝土中，并進行200次凍融循環，研究纖維摻量對透水混凝土抗凍性的影響，透水混凝土的配合比如表6所示。碳纖維的摻量分別為0%，0.1%，0.3%，0.5%時透水混凝土的質量損失率、相對彈性模量變化如圖8，圖9所示。

表6 碳纖維透水混凝土配合比

由圖8,圖9可以看出，隨著碳纖維摻量的增加，透水混凝土的質量損失率不斷減小，相對彈性模量隨著纖維摻量提高隨之提高，而且當纖維摻量0.1%時，質量損失率就明顯下降，當摻量繼續增加時，質量損失率和相對彈性模量變化趨緩。這是由于大部分碳纖維被水泥漿體包裹，膠結層與骨料形成黏結作用，增大了碳纖維與粗骨料間的密實程度，從而整體上提高了透水混凝土的強度，減小了質量損失率，提高了相對彈性模量。加之碳纖維的強度高、彈性模量大，可減弱混凝土的開裂，但摻量增加時，與其他纖維類似，纖維的分散性下降降低了混凝土的均勻性，因此其抗凍性并非纖維摻量越多提高幅度就越大。

4 結語

1)無論哪種纖維，隨著纖維摻量的增加，透水混凝土的抗凍性能均能得到提高。

2)在各自的配合比體系中，玄武巖纖維摻量6 kg/m3，聚丙烯纖維的摻量在1 kg/m3，剛性聚丙烯纖維摻量9.1 kg/m3，碳纖維摻量在0.5%，透水混凝土的抗凍性均得到最大程度提升。

3)無論哪種纖維，摻量均不是越多越好，摻量過大會使透水混凝土的抗凍性降低或者抗凍性不明顯。