玄武巖纖維對透水混凝土性能的影響研究

盧陽陽,溫振國

(廣西交通設計集團有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

近年來,許多城市開始進行“海綿城市”的建設,旨在通過綠色基建措施有效減少內澇,增加水供給,減少城市熱效應,增加經濟和健康效益。而透水混凝土路面則是“海綿城市”建設的重要基礎設施[1-2],其以粗骨料為骨架,通過膠凝材料裹附膠結而成的多孔隙結構混凝土,具有良好的透水性[3-5]。然而,在氣候嚴寒且雨量充沛的地區,當透水混凝土路面孔隙中的水結冰后,體積膨脹在混凝土面層孔隙中會產生極大的應力,造成透水混凝土面層的凍脹破壞[6-7]。因此,提高嚴寒地區透水混凝土的抗凍性具有十分重要的意義。

玄武巖纖維具有良好的溫度耐受能力和耐堿性腐蝕能力,同時也具有質輕的特點。國內外學者對玄武巖纖維的應用進行了大量的研究,得出玄武巖纖維的摻入能夠有效改善透水混凝土的強度和抗凍性的結論[8-9]。陳亞曼等[10]通過往混凝土中摻入硅灰和玄武巖纖維進行試驗分析,試驗得到二者的最佳摻量,制備出抗壓強度在30 MPa以上的透水混凝土,同時其具備1 mm/s以上的透水性能。薛文韜研究了不同骨料粒徑等對玄武巖纖維透水混凝土的力學性能的影響[11]。但目前關于玄武巖纖維對透水混凝土性能影響的研究還比較少,還需要進一步深入研究。

基于此,本文通過摻入玄武巖纖維,研究透水混凝土的強度和透水性變化規律,進一步分析其對透水混凝土的抗凍性影響規律,為玄武巖纖維對透水混凝土的影響提供有力的理論支撐。

1 原材料

(1)水泥:選用烏魯木齊天山品牌的P.O42.5型普通硅酸鹽水泥,其主要性能參數如表1。

表1 水泥主要性能參數表

(2)硅灰:選用河北某礦產品加工廠生產的硅灰,其規格如表2所示。

表2 硅灰的組成成分表

(3)粗集料:為保證透水混凝土的力學性能和透水性,本試驗選用單一級配,粒徑為5～10 mm的普通碎石。

(4)減水劑:選用聚羧酸高效減水劑,減水率為30%。

(5)纖維:選用泰安某工程材料有限公司生產的玄武巖纖維,這是一種新型無機環保綠色高性能纖維材料,其性能指標如表3所示。

表3 玄武巖纖維的性能指標表

(6)水:試驗所用拌和水為實驗室自來水。

2 試驗方法及正交試驗

2.1 試驗方法

本文按照有關標準,即《透水混凝土》(JCT 2558-2020)進行各項試驗。其中,孔隙率試驗采用重量法測試有效孔隙率,每組配比制作3個試件,根據公式測試孔隙率,得出結果后取其平均值;透水系數試驗采用固定水頭法,每組配合比制作3個試件,計算單位時間出水量,得出結果后取其平均值;抗壓強度試驗每組制作3個100 mm×100 mm×100 mm的非標準試件,經養護后測試其抗壓強度,得出結果后取其平均值?？箖鲂栽囼炛饕捎每靸龇ㄟM行凍融試驗,按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T50082-2009)進行試驗。

2.2 正交試驗

試驗主要研究玄武巖纖維的直徑、長度、摻量對透水混凝土孔隙率、透水系數、抗壓強度及抗凍性的影響。為了減少試驗次數,研究不同變量在不同水平間變化對透水混凝土各項性能指標的影響,設計三因素三水平L9(33)正交試驗。正交試驗方案表如表4所示。

表4 正交試驗方案表

為保證透水混凝土既有一定的強度和結構穩定性,又能滿足一定的透水性,采用體積法確定本研究所用混凝土的配合比,如表5所示。

表5 混凝土配合比表

2.3 試件成型

為使玄武巖纖維及摻和料分散均勻,保證透水混凝土的拌和效果,選擇合適的攪拌方法對玄武巖纖維透水混凝土來說尤為重要。經過前期試驗,本試驗最終選擇如圖1所示的攪拌方式,然后將拌和料按照振動成型法成型試件,并進行水中養護28 d,待養護期滿,進行后續試驗?；炷量紫堵省⑼杆禂导翱箟簭姸仍囼灲Y果見表6,并對其試驗結果進行極差分析,見表7。

圖1 混凝土攪拌方式示意圖

表6 正交試驗結果表

表7 正交試驗結果極差分析表

表7中,K1、K2、K3分別表示直徑、長度、摻量在水平1、水平2、水平3下的平均孔隙率、平均透水系數、平均抗壓強度,主要是來反應因素水平在組間變化時孔隙率、透水系數、抗壓強度的變化。R為不同水平間孔隙率、透水系數、抗壓強度的極差,該結果是用來反應每個因素對孔隙率、透水系數、抗壓強度影響程度的大小,該值越大,則對孔隙率、透水系數、抗壓強度的影響越大,反之越小。

3 結果與分析

3.1 孔隙率

從圖2和圖3可知,隨著玄武巖纖維直徑變粗,混凝土的孔隙率下降。當纖維直徑為14μm時,混凝土的孔隙率最大,這主要是因為纖維直徑越粗,需要的膠凝材料越多,從而填充于集料的孔隙之間,降低了孔隙率。隨著纖維長度的增加,混凝土的孔隙率先降低后增加,當纖維長度為15 mm時,混凝土的孔隙率最小。這主要是因為隨著纖維長度的增加,吸附在纖維表面的漿體越多,纖維與漿體之間的縫隙被填滿,使得孔隙率下降;但當纖維長度逐漸增大,纖維之間的亂象分布致使漿體內部的孔隙分布越來越均勻,從而增大了孔隙率。當玄武巖纖維摻量逐漸增加,混凝土的孔隙率也逐漸增大,當摻量為1 kg/m3時,混凝土的孔隙率最小,這是因為纖維摻量越多,越難以分散,更容易團聚在一起,導致分布不均勻,從而造成孔隙率增大。從上述分析可得,影響透水混凝土孔隙率的主次因素由大到小排序為:摻量>直徑>長度。如要獲得較大的孔隙率,應選擇玄武巖纖維直徑為14μm、長度為18 mm、摻量為5 kg/m3。

圖2 混凝土孔隙率試驗結果柱狀圖

圖3 各因素水平對孔隙率的影響曲線圖

3.2 透水系數

從圖4和圖5可知,隨著玄武巖纖維直徑的增加,混凝土的透水系數逐漸增大,這是由于纖維越粗,吸附的漿體越多,從而造成的空隙越多,使其透水系數增大。其中,當纖維直徑為16μm時,混凝土的透水系數最大。當纖維的長度逐漸增加時,其透水系數增大,當纖維長度為18 mm時,其透水系數最大,這是由于纖維在漿體內部形成的網狀結構,也形成了規則的孔隙,更加利于水的滲透。隨著纖維摻量的增加,混凝土的透水系數下降,當摻量為1 kg/m3時,其透水系數最大,這是由于隨著摻量的增加,更多的水泥漿體包裹在纖維表面,使混凝土更加密實,導致透水系數下降。綜上所述,影響透水混凝土透水系數的主次因素由大到小排序為:摻量>長度>直徑。要獲得較大的透水系數,可考慮選擇玄武巖纖維直徑為16μm,長度為18 mm,摻量為1 kg/m3。

圖4 混凝土透水系數試驗結果柱狀圖

圖5 各因素水平對透水系數的影響曲線圖

3.3 抗壓強度

從圖6和圖7可知,隨著玄武巖纖維直徑的增加,混凝土的抗壓強度下降,這是由于纖維越粗其吸附的水泥漿體越多,導致骨架上的漿體變少,使骨料之間的粘結力變差,造成混凝土強度下降。其中,當纖維直徑為14μm時,其強度最大。隨著纖維長度的增加,混凝土的抗壓強度增大,這是由于纖維長度越長,越容易在基體內部形成網狀結構,且越長的纖維能夠對裂縫起到橋接作用,從而提高其抗壓強度。當纖維長度為18 mm時,其抗壓強度最大。當纖維摻量逐漸增大,混凝土的抗壓強度逐漸下降,這是由于纖維摻量的增加,導致纖維在攪拌過程中難以分散,在基體內部分布不均勻,產生薄弱點,導致其強度下降,因此當摻量為1 kg/m3時,其強度最大。綜上所述,影響透水混凝土抗壓強度的主次因素由大到小排序為:長度>摻量>直徑。要想獲得強度大的混凝土,應選擇玄武巖纖維直徑為14μm、長度為18 mm、摻量為1 kg/m3。

圖6 混凝土抗壓強度試驗結果柱狀圖

圖7 各因素水平對抗壓強度的影響曲線圖

3.4 抗凍性

根據正交試驗設計,按照孔隙率試驗、透水系數試驗和抗壓強度試驗結果進行分析,優選出玄武巖纖維直徑為14μm,長度為18 mm的試件,通過摻入不同摻量(1 kg/m3、3 kg/m3、5 kg/m3)的玄武巖纖維,研究其對透水混凝土抗凍性的影響規律。本試驗采用快凍法進行凍融試驗,試驗結果如8和圖9所示。

從圖8可以得知,透水混凝土在經歷凍融循環后,其質量損失率呈現上升趨勢。其中,基本組的透水混凝土質量損失最大,但最終沒有>5%。從圖9可以看出,透水混凝土的相對動彈性模量隨著玄武巖纖維摻量的增加逐漸增大。當基本組的透水混凝土試件到達60次凍融循環時,其動彈性模量已經損失了40%,此時的混凝土試件已經破壞。當摻入玄武巖纖維后,透水混凝土土的質量損失隨著摻量的增加逐漸增大,相對動彈性模量下降緩慢。當玄武巖纖維摻量為1 kg/m3時,經歷100次凍融循環后,混凝土的質量損失率最小,相對動彈性模量最大。這主要是由于玄武巖纖維有效改善了混凝土的粘結強度,能夠抑制裂縫的產生和發展,使得混凝土破壞時間大大延緩。但隨著摻量的增加,玄武巖纖維難以分散,在基體內部團聚,容易引起應力集中,且纖維摻量的增加,吸收了部分拌和用水,也會使混凝土水灰比降低,導致混凝土內部出現孔洞,容易發生破壞。綜合分析得出,推薦玄武巖纖維直徑為14μm、長度為18 mm、摻量為1 kg/m3的組合。

圖8 透水混凝土凍融試驗質量損失率曲線圖

圖9 透水混凝土凍融試驗相對動彈性模量曲線圖

4 結語

(1)通過正交試驗和極差分析,得出影響透水混凝土孔隙率的主次因素由大到小排序為:摻量>直徑>長度。因素的最優水平為玄武巖纖維直徑為14μm、長度為18 mm、摻量為5 kg/m3。

(2)經過正交透水系數試驗得出,影響透水混凝土透水系數的主次因素由大到小排序為:摻量>長度>直徑。要獲得較大的透水系數,可考慮選擇玄武巖纖維直徑為16μm、長度為18 mm、摻量為1 kg/m3的組合方式。

(3)通過正交抗壓強度試驗,得出影響透水混凝土抗壓強度的主次因素由大到小排序為:長度>摻量>直徑。要想獲得強度大的透水混凝土,應選擇玄武巖纖維直徑為14μm、長度為18 mm、摻量為1 kg/m3。

(4)通過優選出玄武巖纖維直徑為14μm、長度為18 mm的試件進行抗凍性試驗研究,推薦玄武巖纖維直徑為14μm、長度為18 mm、摻量為1 kg/m3為最優組合。