聚丙烯仿鋼纖維與直通孔孔徑對透水混凝土強度影響試驗

李蕭，鄧俊希，魏太兵

（1.福建農林大學 交通與土木工程學院，福建 福州 350116；2.武夷學院 土木工程與建筑學院，福建 武夷山 354300）

城市化過程中，大量的人口流動、聚集，需要修建大量的城市住宅和基礎設施滿足人們的生活需要，這改變了城市原有的水體循環路徑，形成了城市地區特有的水文效應和水環境效應[1]，過于密集的建筑物會導致城市熱島效應加劇，排水負擔增加以及土壤和水資源污染等問題。透水混凝土能夠響應“海綿城市”的理念，讓城市更加透水透氣，改善區域氣候環境。

傳統的透水混凝土通常由級配單一的粗骨料和膠凝材料制作而成，存在強度低、耐久性差、易堵塞等缺點。由于成本和技術的限制，當前透水混凝土主要用于建造停車場、人行道和荷載要求較低的行車路面[2]。姚明來等[3]改變透水混凝土的目標孔隙率，透水系數提高的同時，抗壓強度顯著降低；方從啟等[4]在透水混凝土中加入玄武巖纖維，能夠顯著提高混凝土的抗折強度，但是玄武巖纖維會堵塞孔隙，降低透水系數；駱靜靜等[5]分析硅灰在透水混凝土中起到填充效應和火山灰效應，可以提高透水混凝土漿體的黏度，提高抗壓抗折強度以及抗凍性能，但會降低混凝土的透水系數及其孔隙率，增大混凝土脆性。可以看出，傳統透水混凝土在加入摻合料改善力學性能的同時，常常會伴隨著透水性能的損失。新型透水混凝土可以通過預留鋼管的數量和直徑控制孔隙率的大小，透水性能幾乎不受摻合料的影響。

混凝土中加入適量纖維，能夠有效的阻止其早期裂縫的產生，并阻止裂縫快速擴展，使混凝土脆性破壞的過程變為延性斷裂，改善混凝土的力學性能。Akand 等[6]發現，在透水混凝土中加入經過化學處理的聚丙烯纖維，不僅能提高其與水泥基體的粘結強度，還能提高透水混凝土的劈裂抗拉強度；陳守開等[7]在再生透水混凝土中加入不同纖維，均能顯著提高再生透水混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度，且短切碳纖維的效果要優于短切玄武巖纖維和聚丙烯纖維。Rangelov 等[8]發現固化后的碳纖維復合材料能有效提高新拌透水混凝土的工作性能，同時也能改善混凝土的透水性和力學性能。Grabois 等[9]在自密實混凝土中增加鋼纖維的摻量可以顯著提高其抗拉強度和韌性，但對其工作性能和抗壓強度會有不利影響。聚丙烯仿鋼纖維相較于鋼纖維具有易分散、耐腐蝕、質量輕、價格低等優點，其表面通過特殊工藝加工處理，表面凹凸不平，具有較強的裹握力，可以很好的替代鋼纖維。本研究在新型透水混凝土中添加聚丙烯仿鋼纖維改善其力學性能。

1 試驗概況

1.1 原材料

水泥為江西玉山萬年青水泥有限公司生產的P·O 42.5 級水泥，表觀密度3080 kg/m3，其主要成分如表1 所示；Ⅱ粉煤灰和92 含量的硅灰表觀密度分別為2550 和2510 kg/m3，燒失量分別為3.92%和2.80%；細骨料為武夷山市天然河砂，粒徑為5 mm 以下，表觀密度2610 kg/m3；粗骨料來自武夷山碎石場，經過實驗室篩分機進一步篩分而來，粗骨料物理性能見表2；聚丙烯仿鋼纖維如圖1 所示，性能參數見表3。減水劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的聚羧酸高效減水劑，減水率為25%～30%。

圖1 聚丙烯仿鋼纖維實物圖Fig.1 Polypropylene steel fiber physical picture

表1 水泥主要化學成分Tab.1 The main chemical composition of cement

表2 粗骨料物理參數Tab.2 Physical parameters of coarse aggregate

表3 聚丙烯仿鋼纖維性能Tab.3 The basic physical properties of polypropylene thick fiber

1.2 試件制作及配合比設計

在100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試模中預留鋼管，將拌合好的自密實混凝土拌合物倒入試模，在混凝土裝模后的6～7 h 將預留的鋼管拔出成孔，繼續養護至24 h，并脫模放入標準養護室進行養護至28 d。成孔的孔徑有2、4、6、8 mm。不同直徑的直通孔分別以1×3 陣列、2×3 陣列、3×3 陣列進行分布，孔隙率分布在0.377%到4.524%之間。模具及成型試件如圖2 所示。

圖2 模具及試件展示圖Fig.2 Mold and specimen display

試驗參考JGJT283—2012 《自密實混凝土應用技術規程》設計配合比，具體配合比如表4 所示。硅灰和粉煤灰替代膠凝材料，各占膠凝材料質量的10%，基準組不摻纖維，其他三組聚丙烯仿鋼纖維摻量分別為混凝土體積的0.1%、0.2%、0.4%。

表4 試驗配合比Tab.4 Trial mix proportion

1.3 測試內容

（1）孔隙率

將試件直通孔隙作為孔隙率，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，孔隙率計算公式如式（1）：

式中：p 為試件孔隙率；νc為每個直通孔的體積，n 為試件中直通孔的數量；V 為立方體試件的體積。

（2）透水系數測試

透水系數反應透水混凝土一定時間內能夠通過多少的水量。試驗使用變水頭方法，圖3 為自制簡易變水頭透水系數測試儀。在100 mm×100 mm 開口的亞克力方管中間放置透水混凝土，測試固定水量通過透水混凝土的時間，裝置下方裝有旋鈕開關的止水閥。具體測試過程：①兩截亞克力方管中間放入待測試件，在連接處用膠帶和保鮮膜裹緊，防止漏水。②止水閥關閉狀態下，從方管頂部加水，加至水位達到目標高度。③打開水閥的同時開始計時，水位高度為零時停止計時。透水系數的計算公式為：

圖3 自制透水系數測試儀Fig.3 Handmade permeability coefficient test device

式中：K 為試件的透水系數；H 為水位高度；T 為水位從目標高度下降為零所需的時間。

測試透水系數的試件孔徑為2、4、6、8 mm，孔分布分別有1×3、2×3、3×3 三種排布方式，共12 組。

（3）力學性能測試

根據GB/T 50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，使用伺服萬能試驗機對養護28 d 的100 mm×100 mm×100 mm 立方體試塊進行抗壓強度試驗和劈裂抗拉強度試驗。

由于1×3 分布的直通孔也具有良好的透水性能，且劈裂抗拉強度試驗測試的是試件中部的強度，而2×3 分布的直通孔試件最薄弱的劈裂面不在試件中部，試驗結果不具有代表性。因此力學性能測試僅選用孔分布為1×3 的試件。劈裂抗拉試驗中鋼制圓弧形墊條壓在1×3 的孔上方，直通孔就在劈裂面上，如圖4 所示。由于2 mm 孔徑過小，鋼制墊條頂部難以完全對準1×3的孔隙所以也不進行力學性能測試。

圖4 劈裂抗拉試驗中直通孔方向Fig.4 Hole direction in splitting tensile test

2 試驗結果及分析

2.1 透水性能

不同孔隙率新型透水混凝土的透水系數如圖5所示，透水系數以點狀圖進行繪制，并進行多項式曲線擬合。擬合后得到的關系方程式為：

圖5 孔隙率與透水系數關系圖Fig.5 Relationship between porosity and permeability coefficient

式中：K 為混凝土孔隙率；p 為透水系數。

孔隙率從0.094%上升至4.524%，透水系數從1.80 mm/s 上升至153.85 mm/s，兩者是明顯的正相關關系。孔隙率和透水系數擬合后的R2達到0.993，可以看出混凝土試件的透水系數取決于直通孔孔隙率，孔的分布方式對透水系數影響非常小。

傳統透水混凝土孔隙蜿蜒曲折，且孔隙壁表面粗糙，水流通過混凝土內部時，水流與孔隙壁會產生摩擦沖撞而消耗一部分能量，導致水流速度降低，透水效率低效[10]。新型透水混凝土相比傳統透水混凝土，其孔隙上下直通，水流通過時能量損耗較小，且水流路徑最短，具備更高效的透水性能。

2.2 力學性能

2.2.1 纖維摻量對力學性能影響

如圖6 所示，隨著仿鋼纖維摻量的增加，試件的抗壓強度先減少后增加，試件強度均超過了50 MPa。不同孔徑大小的試件均在纖維摻量為0.1%時，抗壓強度達到最小值，相較于未摻纖維的試件，無孔的試件抗壓強度降低5.38%，8 mm 孔徑的試件抗壓強度強度僅降低0.36%；纖維摻量為0.4%時，各組抗壓抗壓強度均達到最大值，相較于未摻纖維的試件，無孔試件的抗壓強度提高了0.8%，8 mm 孔徑的試件抗壓強度提高了6.19%。混凝土抗壓強度的增加，主要是因為仿鋼纖維能夠形成能夠在混凝土骨料間形成具有整體性的且足夠致密的立體網格結構，在試件受壓時能夠抵抗裂縫的產生同時抑制混凝土的橫向變形。當纖維摻量較少時，膠凝材料與仿鋼纖維之間的粘結強度較低，承受荷載時松動變形，同時又沒有形成可靠的網格結構，所以強度有所降低。

圖7 可知，不同纖維的摻量的劈裂抗拉強度相比基準組均有顯著提升。不同孔徑大小的試件均在纖維摻量為0.1%時，劈裂抗拉強度達到最大值，相對于基準組，無孔的混凝土劈裂抗拉強度提高11.80%，8 mm孔徑的混凝土劈裂抗拉強度提高9.32%。纖維摻量為0.2%和0.4%時，劈裂抗拉強度相較于0.1%摻量有所降低，但仍高于基準組。劈裂抗拉強度提高的主要原因是混凝土承受荷載的初期由混凝土基體本身和聚丙烯仿鋼纖維共同承擔，適量纖維能夠抑制混凝土早期裂縫的產生。但隨著纖維摻量的增加，超過一定的界限值時，纖維會過多占用與骨料粘結的砂漿，纖維與混凝土基體粘結處產生的薄弱界面也會變多，薄弱處的纖維受力時被拔出就會導致劈裂抗拉強度降低。

圖7 纖維摻量與劈裂抗拉強度關系Fig.7 Relationship between fiber content and splitting tensile strength

2.2.2 孔徑大小對力學性能影響

一般情況下透水混凝土的抗壓強度隨孔隙率的增加而降低。由圖8 可知，不同纖維摻量下，無孔試件抗壓強度最高，帶孔試件的抗壓強度均有不同程度降低，各組均在8 mm 孔徑的試件抗壓強度均最低。沒有摻纖維的試件抗壓強度降幅最大，達到8.01%；各組6 mm 孔徑的試件抗壓強度最高，與無孔試件的抗壓強度差距均不超過2%，與4 mm 孔徑的試件相比強度有所提升，與預期值有一定的差距。在朱平華等[11]實驗中也存在較大孔徑的混凝土抗壓強度高于預期值的情況。也許是圓柱形的孔隙結構與不同粒徑的粗骨料組合存在某些內部結構的缺陷，而孔隙率相差較小的時候，這些缺陷占主導作用，導致大孔隙率有更高的抗壓強度的情況。

圖8 孔徑大小與抗壓強度關系Fig.8 Relation between pore size and compressive strength

圖9 中不同纖維摻量的透水混凝土均隨著孔徑的增大，劈裂抗拉強度降低。基準組中，8 mm 孔徑相較于試件無孔試件劈裂抗拉強度降低13.08%；纖維摻量為0.1%時，無孔的試件相較于8 mm 孔徑的試件劈裂抗拉強度降低15.02%。由于直通孔在劈裂面上，隨著孔徑的增加，孔隙在劈裂面上的面積逐漸增加，劈裂面的面積逐漸減少，劈裂抗拉強度也隨之降低。

圖9 孔徑大小與劈裂抗拉強度關系Fig.9 Relationship between pore size and splitting tensile strength

2.2.3 拉壓比

拉壓比是衡量混凝土韌性的重要參數之一。未加纖維時，劈裂抗拉強度試驗中試件會在一瞬間劈成兩半；加入纖維后，試件在劈裂抗拉強度試驗中試件變為延性破壞。如圖10 所示，加入纖維后試件的拉壓比較未摻纖維的試件有所提高，在0.1%摻量時，拉壓比提升最為明顯；孔徑增加會導致劈裂面面積和抗壓面的面積同時減小，但劈裂面面積減小得更快，且劈裂面上阻止試件開裂的纖維同時變少，因此孔徑增大對劈裂抗拉強度的影響程度大于其對抗壓強度的影響，最終導致大孔徑試件拉壓比較低。

圖10 各組試件拉壓比Fig.10 Tensile compression ratio of each group

3 結語

（1）新型水混凝土的透水系數與孔隙率呈線性關系，孔隙率越大，透水性能越強。

（2）聚丙烯仿鋼纖維的加入能夠改善新型透水混凝土的力學性能。纖維摻量為0.1%時，混凝土的劈裂抗拉強度提升最為顯著，拉壓比最大，但此時對抗壓強度相對于基準組有所降低。纖維摻量為0.4%時，劈裂抗拉強度和抗壓強度均有明顯增加，因此建議新型透水混凝土的仿鋼纖維摻量為0.4%。

（3）新型透水混凝土的劈裂抗拉強度隨著孔徑增大而減小，且會導致拉壓比降低；帶孔試件抗壓強度都低于無孔試件，其中6 mm 孔徑的試件抗壓強度比其他孔徑的試件抗壓強度更高。